深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)記者 陳曦 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
4年多時(shí)間，研究人員跨越10個(gè)省區(qū)，對(duì)明長(zhǎng)城全線(xiàn)進(jìn)行無(wú)盲區(qū)數(shù)字化測(cè)繪，采集到200多萬(wàn)張實(shí)景圖片，并建立了長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)，目前已覆蓋90%的人工墻體段，并已擴(kuò)展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。
在兩千多年的時(shí)光沖刷下，長(zhǎng)城早已從農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)藩籬，演化為承載歷史的文化血脈。
人跡罕至處，歷經(jīng)歲月侵蝕和自然風(fēng)化，這道歷史奇跡漸漸沾染上歲月的痕跡，藏在其中的秘密也在漸漸隱去。
科研團(tuán)隊(duì)利用最新科技對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行測(cè)繪，以期獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用數(shù)字手段復(fù)原長(zhǎng)城。虛實(shí)之間，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城。
“我們駕‘飛機(jī)’乘‘坦克’，循著古代典籍的線(xiàn)索，去探索長(zhǎng)城的奧秘?！辈痪们?，在天津博物館舉辦的天津大學(xué)長(zhǎng)城研究和數(shù)字成果展上，天津大學(xué)建筑學(xué)院研究員李哲感慨道。
李哲身后，幾千年的歷史和現(xiàn)代科技在這一刻交匯。
從2003年開(kāi)始，李哲所在的天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤團(tuán)隊(duì)就與長(zhǎng)城結(jié)緣，2018年底啟動(dòng)了“長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維圖像”采集工程。
4年多時(shí)間，該團(tuán)隊(duì)跨越10個(gè)省區(qū)，對(duì)明長(zhǎng)城全線(xiàn)進(jìn)行無(wú)盲區(qū)數(shù)字化測(cè)繪，采集到200多萬(wàn)張實(shí)景圖片，并建立了長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)，目前已覆蓋90%的人工墻體段，并已擴(kuò)展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。
無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲得的河北金山嶺長(zhǎng)城實(shí)景三維模型。
無(wú)人機(jī)測(cè)繪輕松采集長(zhǎng)城海量實(shí)景圖
“你看到長(zhǎng)城上這個(gè)不起眼的洞了嗎？用肉眼看，可能覺(jué)得這就是一個(gè)破損，容易忽略?！崩钫苤钢掌瑢?duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)，“基于長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)，在AI技術(shù)輔助下發(fā)現(xiàn)這些疑點(diǎn)圖像并再次實(shí)地踏勘，我們就能甄別出這是長(zhǎng)城的暗門(mén)。”
多數(shù)新發(fā)現(xiàn)都是基于對(duì)長(zhǎng)城全線(xiàn)三維圖像的掌控，而海量實(shí)景圖片的拍攝則是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。
之前國(guó)家文物局曾聯(lián)合國(guó)家測(cè)繪局等單位進(jìn)行長(zhǎng)城資源調(diào)查，已經(jīng)把長(zhǎng)城的長(zhǎng)度、坐標(biāo)、年代、保存基本狀況等信息都搜集得很完備，但有關(guān)長(zhǎng)城的細(xì)節(jié)、設(shè)施調(diào)查比較缺乏，比如長(zhǎng)城病害的全線(xiàn)分布位置在哪，長(zhǎng)城的細(xì)節(jié)構(gòu)造、設(shè)施和裝飾等。長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維圖像的采集工程正是要補(bǔ)上這缺少的一環(huán)。
李哲認(rèn)為，這項(xiàng)工作不能盲人摸象，只看局部，全面了解也不能是粗線(xiàn)條勾勒，而是要做細(xì)賬。
“做細(xì)賬要求數(shù)據(jù)的顆粒度要細(xì)，即采集到的照片分辨率要精細(xì)到能看到每一塊磚縫，同時(shí)還得是多角度連續(xù)性的?！崩钫苷f(shuō)，之前的資源調(diào)查工作平均每公里只獲得8張代表性照片，而此項(xiàng)工程每公里需要采集距離均勻、多角度照片約300張。
長(zhǎng)城蜿蜒數(shù)千公里，大多地處偏遠(yuǎn)，多盤(pán)踞在險(xiǎn)峻陡峭之地，使用衛(wèi)星、載人飛機(jī)等高空遙感測(cè)繪手段，很難拍攝到長(zhǎng)城的各個(gè)面。且由于城墻在三維空間上扭曲分布，若觀測(cè)者身處其中則無(wú)法判斷整體布局。
“高空拍不全，站在地面拍攝，有時(shí)連落腳的地方都沒(méi)有?！崩钫芙榻B，團(tuán)隊(duì)從2004年起就開(kāi)始將無(wú)人機(jī)低空信息采集技術(shù)應(yīng)用其中，無(wú)人機(jī)測(cè)繪的精細(xì)跟隨式、掃描式的作業(yè)以及多功能化可完成多種數(shù)據(jù)采集的能力，使其成為此次工程最為高效的數(shù)據(jù)采集手段。
無(wú)人機(jī)能沿著蜿蜒的墻體，對(duì)長(zhǎng)城的側(cè)面、頂面，甚至是敵樓室內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的探查。作為載體，無(wú)人機(jī)還能攜帶不同的傳感器變身不同功能的測(cè)繪設(shè)備?！盁o(wú)人機(jī)+普通相機(jī)”，可以進(jìn)行拍攝、航測(cè)；“無(wú)人機(jī)+紅外相機(jī)”，可以對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行熱輻射量成像，從而探查長(zhǎng)城的一些內(nèi)部構(gòu)造或者隱藏設(shè)施；“無(wú)人機(jī)+激光雷達(dá)”，可以用激光從空中掃描樹(shù)下遺跡，再通過(guò)技術(shù)手段把樹(shù)的數(shù)據(jù)“剝離”出去，就可以清晰地看到隱藏在樹(shù)下的長(zhǎng)城圖像。
有了無(wú)人機(jī)測(cè)繪助力，數(shù)據(jù)采集如虎添翼，團(tuán)隊(duì)成員李嚴(yán)深有感觸。
“先有城后有墻，鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城也是長(zhǎng)城防御系統(tǒng)重要組成部分?！必?fù)責(zé)城這一部分測(cè)量的李嚴(yán)告訴記者，最初測(cè)量周長(zhǎng)都是靠人工步行、皮尺丈量，速度慢不說(shuō)，如遇到兩個(gè)山包間修建在山坡上的墻體，皮尺就無(wú)能為力了。應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪手段，一天最多測(cè)量?jī)蓚€(gè)城，而無(wú)人機(jī)測(cè)繪，飛上一圈只需10分鐘，就能把整個(gè)城的數(shù)據(jù)完整地采集到。
不過(guò)使用新型的測(cè)量方法也往往會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中最需要關(guān)注的就是不同的環(huán)境問(wèn)題。大到環(huán)境溫度、濕度，小到所配備的電池等，都會(huì)對(duì)作業(yè)安全有影響，是測(cè)量中需要考慮到的因素。
“其實(shí)不僅是三維數(shù)據(jù)采集，測(cè)量一開(kāi)始就要探求在極端不理想的條件下（比如各種遮擋），如何優(yōu)化無(wú)人機(jī)測(cè)量的航線(xiàn)?！崩钫苷f(shuō)。
因此，在每一次測(cè)量前，團(tuán)隊(duì)都會(huì)詳細(xì)商討地形之中是否存在干擾性的障礙物、拍攝過(guò)程中遇到干擾的安全處理措施、拍攝過(guò)程中的最佳航線(xiàn)等。正是這一次又一次的精益求精，換來(lái)如今覆蓋范圍廣而又連續(xù)、詳細(xì)的三維數(shù)據(jù)。
上圖 突門(mén)手繪復(fù)原圖。
左圖 突門(mén)外側(cè)洞口遺存現(xiàn)狀。
左圖 突門(mén)外側(cè)封堵邊緣示意圖。
三維建模技術(shù)把長(zhǎng)城“搬進(jìn)”博物館
該團(tuán)隊(duì)用了4年多時(shí)間，完成了大約5500公里的長(zhǎng)城攝影測(cè)量用圖像采集，建立了200多萬(wàn)張長(zhǎng)城實(shí)景照片構(gòu)成的連續(xù)圖像庫(kù)。其中以明長(zhǎng)城為主干并占絕大部分，也發(fā)散到清代較為分散的燧體遺存，以及唐、北魏、東魏和漢代等歷朝歷代所修建的長(zhǎng)城部分，整體范圍覆蓋了從沈陽(yáng)以西到庫(kù)爾勒以東。
“每一張照片的坐標(biāo)都呈現(xiàn)在一個(gè)WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）環(huán)境下的庫(kù)里面，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)城瀏覽自由?！崩钫苤钢聊徽f(shuō)，這是金山嶺長(zhǎng)城，可以放大到厘米級(jí)清晰度，每一個(gè)灰縫都能看清楚，世界上沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家有這種連續(xù)的長(zhǎng)城的圖像庫(kù)。
用好這些珍貴而海量的實(shí)景照片數(shù)據(jù)，是一個(gè)不斷發(fā)掘價(jià)值的過(guò)程。
李哲坦言，在長(zhǎng)城測(cè)繪的起步階段，自己是有些懵懂的，最初僅僅是想要拍攝能夠全面覆蓋長(zhǎng)城的多角度的照片，擁有大量詳實(shí)的長(zhǎng)城圖像資源。
“為長(zhǎng)城全線(xiàn)進(jìn)行數(shù)字化存檔是至關(guān)重要的，但隨著研究的深入，我意識(shí)到，長(zhǎng)城是中國(guó)人乃至全人類(lèi)的寶貴文化遺產(chǎn)。”李哲說(shuō)，“我們要用自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為長(zhǎng)城補(bǔ)充建筑學(xué)的解釋?zhuān)瑫r(shí)要與考古學(xué)的成果相結(jié)合，才能更加全面地認(rèn)識(shí)長(zhǎng)城。”
基于建筑學(xué)專(zhuān)業(yè)的建筑構(gòu)造知識(shí)，編輯處理、量化分析無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲得的實(shí)景三維模型，就可以將其應(yīng)用于病害分析、場(chǎng)景復(fù)原等工作。
“實(shí)景三維模型本身就非常有價(jià)值，長(zhǎng)城墻體坡度、尺寸測(cè)量、病害情況等全線(xiàn)統(tǒng)計(jì)都依賴(lài)于三維模型，因此用途非常廣泛?！崩钫芘e例說(shuō)，比如把已知的近幾年來(lái)長(zhǎng)城塌損事件發(fā)生的位置統(tǒng)計(jì)出來(lái)，再結(jié)合三維模型就能發(fā)現(xiàn)塌損規(guī)律：都是在山體陡峭段到平緩段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的塌損，這樣就可以從現(xiàn)象規(guī)律揭示病害成因。
此外，還可以在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上，人工搭建出已經(jīng)缺失的結(jié)構(gòu)。很多木構(gòu)空心敵樓都只剩下四面外墻，用人工建模就可以補(bǔ)齊內(nèi)部的木梁柱結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外地還原出空心敵樓的全貌。人工建模的過(guò)程通過(guò)渲染，生成視頻或者動(dòng)畫(huà)，讓已經(jīng)被歲月侵蝕的長(zhǎng)城再次生機(jī)勃勃地“活”過(guò)來(lái)。
這些三維立體模型還可以通過(guò)3D打印技術(shù)制作出模型，把長(zhǎng)城實(shí)景惟妙惟肖地“搬到”博物館中。此次展覽就展出了大量長(zhǎng)城3D模型，配合講解讓觀看者一目了然。
李嚴(yán)指著唐代戍堡3D打印模型上的一個(gè)小孔對(duì)記者說(shuō)：“這就是當(dāng)年燒火做飯的煙道，博物館中的實(shí)體模型完美復(fù)刻了文物保存現(xiàn)狀?！?/p>
AI輔助梳理長(zhǎng)城隱秘而偉大的“家族圖譜”
長(zhǎng)城的“秘密通道”從史書(shū)走入現(xiàn)實(shí)。
歷時(shí)4年多時(shí)間，跨越10省區(qū)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)明長(zhǎng)城全線(xiàn)超九成的人工墻體，進(jìn)行分辨率接近厘米級(jí)的連續(xù)拍攝，甄別出130多處暗門(mén)實(shí)物遺存并首次構(gòu)建其“家族圖譜”。
“長(zhǎng)城不僅僅是‘一道墻’?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、長(zhǎng)城防御體系研究專(zhuān)家、天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤介紹，長(zhǎng)城防御系統(tǒng)包括鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城、驛傳系統(tǒng)、烽燧、屯田系統(tǒng)、關(guān)隘關(guān)口、敵臺(tái)、墻體等多個(gè)子系統(tǒng)。
李哲認(rèn)為，長(zhǎng)城測(cè)繪的一大核心意義就是向公眾點(diǎn)明長(zhǎng)城是一個(gè)體系，整體類(lèi)似輻射狀分布，古人將其形容為“龍翔鳳翥”。
之前受限于技術(shù)，長(zhǎng)城龐大的“家族”一直未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)性的梳理。
而長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，以及人工智能的輔助應(yīng)用，為這項(xiàng)龐大的、系統(tǒng)性梳理工作提供了可能。
“200多萬(wàn)張照片，由人一張張去看、去找顯然不現(xiàn)實(shí)，這時(shí)候人工智能就可以幫忙進(jìn)行篩選。”團(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)編程搭建和人工智能圖像篩選的博士生張夢(mèng)迪舉例，比如團(tuán)隊(duì)想梳理空心敵樓，就找照片訓(xùn)練計(jì)算機(jī)了解空心敵樓的各種特征，得到成熟的模型算法后，機(jī)器就能迅速在海量照片中識(shí)別所有的空心敵樓。對(duì)于以空心敵樓，目前AI識(shí)別準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到90%。
在長(zhǎng)城眾多“家族圖譜”中，暗門(mén)是存在于長(zhǎng)城中的一套“隱秘而偉大”的系統(tǒng)。
李哲指著墻上一幅清朝乾隆年間繪制的地圖復(fù)制品對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)，這幅地圖是李嚴(yán)在國(guó)外訪(fǎng)學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，上面的長(zhǎng)城清晰可見(jiàn)，而且還標(biāo)有暗門(mén)等軍事設(shè)施。暗門(mén)是一種矮小門(mén)洞，會(huì)根據(jù)地勢(shì)、軍事等需求開(kāi)設(shè)在長(zhǎng)城隱蔽段落，朝向關(guān)外的秘密出入口。
“暗門(mén)藏著長(zhǎng)城的秘密，更藏著古人的智慧?！崩钫苷f(shuō)，以往鮮見(jiàn)此類(lèi)研究。
人工篩查結(jié)合AI搜索，研究人員發(fā)現(xiàn)了130多處暗門(mén)實(shí)物遺存，他們不僅對(duì)圖片進(jìn)行了分析，還實(shí)地考察了其中一部分，發(fā)現(xiàn)每一處暗門(mén)都與當(dāng)?shù)氐匦胃叨绕鹾?，且其?gòu)造根據(jù)需求各不相同。“不得不佩服古人的設(shè)計(jì)，暗門(mén)的設(shè)置十分靈活，比如轉(zhuǎn)折型暗門(mén)，這樣可以保證在馬市這樣的場(chǎng)景中，以暗門(mén)阻擋馬匹，保護(hù)另一側(cè)的人員不會(huì)受到馬匹沖擊。”李哲說(shuō)。
在發(fā)現(xiàn)的所有暗門(mén)中，最讓團(tuán)隊(duì)激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)是突門(mén)。
“更于兵出入便處潛鑿城為門(mén)，外存尺余勿透，以備出兵襲敵?！痹缭诖呵飸?zhàn)國(guó)時(shí)期，《墨子·備突》篇中就對(duì)突門(mén)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的著述。唐、宋、明、清學(xué)者均對(duì)突門(mén)有過(guò)記述，但此前一直未發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的實(shí)物證據(jù)。
“突門(mén)是用來(lái)實(shí)施突襲戰(zhàn)術(shù)而設(shè)置的，清晚期著名學(xué)者魏源曾用‘藏于九地之下為暗，動(dòng)于九天之上為突’來(lái)描寫(xiě)突門(mén)。”張玉坤解釋?zhuān)褪窃诎档劳饷嫫錾弦慌u，以起到偽裝作用，突襲時(shí)士兵擊碎這層薄磚墻就可破墻而出，打敵軍一個(gè)措手不及。
通過(guò)照片，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)了在一處城墻上有擊破后的破洞狀遺存，破洞呈參差不齊的狀態(tài)，而不是普通暗門(mén)預(yù)先設(shè)計(jì)、建造好的規(guī)則構(gòu)造?！拔覀儺?dāng)時(shí)也不確定這是突門(mén)還是破損，實(shí)地探查后，我們采集了洞口內(nèi)外側(cè)的實(shí)景照片，三維立體建模后，就把內(nèi)外側(cè)統(tǒng)一到一個(gè)模型中，最終確定這就是突門(mén)?！崩钫芨锌溃婚T(mén)的發(fā)現(xiàn)以及暗門(mén)家族的梳理，離不開(kāi)“長(zhǎng)城全線(xiàn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)”。
截至目前，團(tuán)隊(duì)結(jié)合古代輿圖已確認(rèn)共計(jì)不少于220處暗門(mén)，并發(fā)現(xiàn)130多處實(shí)體遺存，發(fā)現(xiàn)了明代官方史料中“夫祖制，邊墻下多留暗門(mén)”的明確記載，從而以實(shí)物和文獻(xiàn)雙證據(jù)明確了關(guān)、口之下存在暗門(mén)這第三層級(jí)通關(guān)設(shè)施。
目前團(tuán)隊(duì)正在對(duì)長(zhǎng)城防御體系的堡寨城池、烽傳線(xiàn)路、驛傳線(xiàn)路、貿(mào)易設(shè)施、邊緣墻體等各子系統(tǒng)進(jìn)行全面梳理。
