深瞳工作室出品
科技日報記者?陳曦 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
4年多時間，研究人員跨越10個省區(qū)，對明長城全線進(jìn)行無盲區(qū)數(shù)字化測繪，采集到200多萬張實景圖片，并建立了長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，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。
在兩千多年的時光沖刷下，長城早已從農(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)隊利用最新科技對長城進(jìn)行測繪，以期獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用數(shù)字手段復(fù)原長城。虛實之間，發(fā)現(xiàn)長城。
“我們駕‘飛機(jī)’乘‘坦克’，循著古代典籍的線索，去探索長城的奧秘?！辈痪们?，在天津博物館舉辦的天津大學(xué)長城研究和數(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年開始，李哲所在的天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤團(tuán)隊就與長城結(jié)緣，2018年底啟動了“長城全線實景三維圖像”采集工程。
4年多時間，該團(tuán)隊跨越10個省區(qū)，對明長城全線進(jìn)行無盲區(qū)數(shù)字化測繪，采集到200多萬張實景圖片，并建立了長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，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。
無人機(jī)低空攝影測量獲得的河北金山嶺長城實景三維模型。
無人機(jī)測繪輕松采集長城海量實景圖
“你看到長城上這個不起眼的洞了嗎？用肉眼看，可能覺得這就是一個破損，容易忽略。”李哲指著照片對科技日報記者說，“基于長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，在AI技術(shù)輔助下發(fā)現(xiàn)這些疑點圖像并再次實地踏勘，我們就能甄別出這是長城的暗門?！?/p>
多數(shù)新發(fā)現(xiàn)都是基于對長城全線三維圖像的掌控，而海量實景圖片的拍攝則是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。
之前國家文物局曾聯(lián)合國家測繪局等單位進(jìn)行長城資源調(diào)查，已經(jīng)把長城的長度、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)長城的細(xì)節(jié)、設(shè)施調(diào)查比較缺乏，比如長城病害的全線分布位置在哪，長城的細(xì)節(jié)構(gòu)造、設(shè)施和裝飾等。長城全線實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，這項工作不能盲人摸象，只看局部，全面了解也不能是粗線條勾勒，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，同時還得是多角度連續(xù)性的?！崩钫苷f，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，而此項工程每公里需要采集距離均勻、多角度照片約300張。
長城蜿蜒數(shù)千公里，大多地處偏遠(yuǎn)，多盤踞在險峻陡峭之地，使用衛(wèi)星、載人飛機(jī)等高空遙感測繪手段，很難拍攝到長城的各個面。且由于城墻在三維空間上扭曲分布，若觀測者身處其中則無法判斷整體布局。
“高空拍不全，站在地面拍攝，有時連落腳的地方都沒有?！崩钫芙榻B，團(tuán)隊從2004年起就開始將無人機(jī)低空信息采集技術(shù)應(yīng)用其中，無人機(jī)測繪的精細(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。
無人機(jī)能沿著蜿蜒的墻體，對長城的側(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，無人機(jī)還能攜帶不同的傳感器變身不同功能的測繪設(shè)備?！盁o人機(jī)+普通相機(jī)”，可以進(jìn)行拍攝、航測；“無人機(jī)+紅外相機(jī)”，可以對長城進(jìn)行熱輻射量成像，從而探查長城的一些內(nèi)部構(gòu)造或者隱藏設(shè)施；“無人機(jī)+激光雷達(dá)”，可以用激光從空中掃描樹下遺跡，再通過技術(shù)手段把樹的數(shù)據(jù)“剝離”出去，就可以清晰地看到隱藏在樹下的長城圖像。
有了無人機(jī)測繪助力，數(shù)據(jù)采集如虎添翼，團(tuán)隊成員李嚴(yán)深有感觸。
“先有城后有墻，鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城也是長城防御系統(tǒng)重要組成部分?！必?fù)責(zé)城這一部分測量的李嚴(yán)告訴記者，最初測量周長都是靠人工步行、皮尺丈量，速度慢不說，如遇到兩個山包間修建在山坡上的墻體，皮尺就無能為力了。應(yīng)用傳統(tǒng)測繪手段，一天最多測量兩個城，而無人機(jī)測繪，飛上一圈只需10分鐘，就能把整個城的數(shù)據(jù)完整地采集到。
不過使用新型的測量方法也往往會帶來很多問題，在這個過程中最需要關(guān)注的就是不同的環(huán)境問題。大到環(huán)境溫度、濕度，小到所配備的電池等，都會對作業(yè)安全有影響，是測量中需要考慮到的因素。
“其實不僅是三維數(shù)據(jù)采集，測量一開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)化無人機(jī)測量的航線。”李哲說。
因此，在每一次測量前，團(tuán)隊都會詳細(xì)商討地形之中是否存在干擾性的障礙物、拍攝過程中遇到干擾的安全處理措施、拍攝過程中的最佳航線等。正是這一次又一次的精益求精，換來如今覆蓋范圍廣而又連續(xù)、詳細(xì)的三維數(shù)據(jù)。
上圖 突門手繪復(fù)原圖。
左圖 突門外側(cè)洞口遺存現(xiàn)狀。
左圖 突門外側(cè)封堵邊緣示意圖。
三維建模技術(shù)把長城“搬進(jìn)”博物館
該團(tuán)隊用了4年多時間，完成了大約5500公里的長城攝影測量用圖像采集，建立了200多萬張長城實景照片構(gòu)成的連續(xù)圖像庫。其中以明長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城部分，整體范圍覆蓋了從沈陽以西到庫爾勒以東。
“每一張照片的坐標(biāo)都呈現(xiàn)在一個WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）環(huán)境下的庫里面，實現(xiàn)了長城瀏覽自由?！崩钫苤钢聊徽f，這是金山嶺長城，可以放大到厘米級清晰度，每一個灰縫都能看清楚，世界上沒有任何一個國家有這種連續(xù)的長城的圖像庫。
用好這些珍貴而海量的實景照片數(shù)據(jù)，是一個不斷發(fā)掘價值的過程。
李哲坦言，在長城測繪的起步階段，自己是有些懵懂的，最初僅僅是想要拍攝能夠全面覆蓋長城的多角度的照片，擁有大量詳實的長城圖像資源。
“為長城全線進(jìn)行數(shù)字化存檔是至關(guān)重要的，但隨著研究的深入，我意識到，長城是中國人乃至全人類的寶貴文化遺產(chǎn)。”李哲說，“我們要用自己的專業(yè)知識，為長城補(bǔ)充建筑學(xué)的解釋，同時要與考古學(xué)的成果相結(jié)合，才能更加全面地認(rèn)識長城?！?/p>
基于建筑學(xué)專業(yè)的建筑構(gòu)造知識，編輯處理、量化分析無人機(jī)低空攝影測量獲得的實景三維模型，就可以將其應(yīng)用于病害分析、場景復(fù)原等工作。
“實景三維模型本身就非常有價值，長城墻體坡度、尺寸測量、病害情況等全線統(tǒng)計都依賴于三維模型，因此用途非常廣泛?！崩钫芘e例說，比如把已知的近幾年來長城塌損事件發(fā)生的位置統(tǒng)計出來，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。人工建模的過程通過渲染，生成視頻或者動畫，讓已經(jīng)被歲月侵蝕的長城再次生機(jī)勃勃地“活”過來。
這些三維立體模型還可以通過3D打印技術(shù)制作出模型，把長城實景惟妙惟肖地“搬到”博物館中。此次展覽就展出了大量長城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打印模型上的一個小孔對記者說：“這就是當(dāng)年燒火做飯的煙道，博物館中的實體模型完美復(fù)刻了文物保存現(xiàn)狀?！?/p>
AI輔助梳理長城隱秘而偉大的“家族圖譜”
長城的“秘密通道”從史書走入現(xiàn)實。
歷時4年多時間，跨越10省區(qū)，研究團(tuán)隊對明長城全線超九成的人工墻體，進(jìn)行分辨率接近厘米級的連續(xù)拍攝，甄別出130多處暗門實物遺存并首次構(gòu)建其“家族圖譜”。
“長城不僅僅是‘一道墻’?！毖芯繄F(tuán)隊負(fù)責(zé)人、長城防御體系研究專家、天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤介紹，長城防御系統(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、墻體等多個子系統(tǒng)。
李哲認(rèn)為，長城測繪的一大核心意義就是向公眾點明長城是一個體系，整體類似輻射狀分布，古人將其形容為“龍翔鳳翥”。
之前受限于技術(shù)，長城龐大的“家族”一直未進(jìn)行過系統(tǒng)性的梳理。
而長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫的建立，以及人工智能的輔助應(yīng)用，為這項龐大的、系統(tǒng)性梳理工作提供了可能。
“200多萬張照片，由人一張張去看、去找顯然不現(xiàn)實，這時候人工智能就可以幫忙進(jìn)行篩選。”團(tuán)隊中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫編程搭建和人工智能圖像篩選的博士生張夢迪舉例，比如團(tuán)隊想梳理空心敵樓，就找照片訓(xùn)練計算機(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別所有的空心敵樓。對于以空心敵樓，目前AI識別準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到90%。
在長城眾多“家族圖譜”中，暗門是存在于長城中的一套“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)制品對科技日報記者說，這幅地圖是李嚴(yán)在國外訪學(xué)時發(fā)現(xiàn)的，上面的長城清晰可見，而且還標(biāo)有暗門等軍事設(shè)施。暗門是一種矮小門洞，會根據(jù)地勢、軍事等需求開設(shè)在長城隱蔽段落，朝向關(guān)外的秘密出入口。
“暗門藏著長城的秘密，更藏著古人的智慧。”李哲說，以往鮮見此類研究。
人工篩查結(jié)合AI搜索，研究人員發(fā)現(xiàn)了130多處暗門實物遺存，他們不僅對圖片進(jìn)行了分析，還實地考察了其中一部分，發(fā)現(xiàn)每一處暗門都與當(dāng)?shù)氐匦胃叨绕鹾?，且其?gòu)造根據(jù)需求各不相同?！安坏貌慌宸湃说脑O(shè)計，暗門的設(shè)置十分靈活，比如轉(zhuǎn)折型暗門，這樣可以保證在馬市這樣的場景中，以暗門阻擋馬匹，保護(hù)另一側(cè)的人員不會受到馬匹沖擊?！崩钫苷f。
在發(fā)現(xiàn)的所有暗門中，最讓團(tuán)隊激動的發(fā)現(xiàn)是突門。
“更于兵出入便處潛鑿城為門，外存尺余勿透，以備出兵襲敵?！痹缭诖呵飸?zhàn)國時期，《墨子·備突》篇中就對突門進(jìn)行了專門的著述。唐、宋、明、清學(xué)者均對突門有過記述，但此前一直未發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的實物證據(jù)。
“突門是用來實施突襲戰(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，動于九天之上為突’來描寫突門?！睆堄窭そ忉專褪窃诎档劳饷嫫錾弦慌u，以起到偽裝作用，突襲時士兵擊碎這層薄磚墻就可破墻而出，打敵軍一個措手不及。
通過照片，團(tuán)隊成員發(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)，而不是普通暗門預(yù)先設(shè)計、建造好的規(guī)則構(gòu)造?！拔覀儺?dāng)時也不確定這是突門還是破損，實地探查后，我們采集了洞口內(nèi)外側(cè)的實景照片，三維立體建模后，就把內(nèi)外側(cè)統(tǒng)一到一個模型中，最終確定這就是突門。”李哲感慨道，突門的發(fā)現(xiàn)以及暗門家族的梳理，離不開“長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫”。
截至目前，團(tuán)隊結(jié)合古代輿圖已確認(rèn)共計不少于220處暗門，并發(fā)現(xiàn)130多處實體遺存，發(fā)現(xiàn)了明代官方史料中“夫祖制，邊墻下多留暗門”的明確記載，從而以實物和文獻(xiàn)雙證據(jù)明確了關(guān)、口之下存在暗門這第三層級通關(guān)設(shè)施。
目前團(tuán)隊正在對長城防御體系的堡寨城池、烽傳線路、驛傳線路、貿(mào)易設(shè)施、邊緣墻體等各子系統(tǒng)進(jìn)行全面梳理。
