中国长城是世界范围修筑规模最大、保存最为完整的古代军事工程,包括21196.18千米墙体,2.9万余座单体建筑设施,形成了横亘万里的长城防御体系,是中华民族的精神象征。
“建筑文化遗产传承信息技术”文化和旅游部重点实验室(天津大学)依托低空遥感技术,构建明长城全线实景三维数据库,分析总结长城资源深度挖掘过程及相关经验,为研究制定长城数字化保护措施、做好长城资源活化利用提供借鉴和参考。
新时代长城资源挖掘与保护的趋势
近几十年来,通过数字技术记录文化遗产已成为遗产保护领域的国际趋势。第19届国际古迹遗址理事会(ICOMOS)全体会议将“数字赋权时代的文化遗产保护和阐释”(protecting and interpreting cultural heritage in the age of digital empowerment)作为会议四大核心议题之一。数字技术为观察和记录文化遗产提供了前所未有的视角、细节和精确度,这对遗产记录工作流程产生了革命性的影响,并为探索创新资源挖掘和保护方法提供了机会。
目前,建筑遗产的记录和三维可视化技术已经达到了比较成熟的阶段。然而,当面对像中国长城这样跨区域、大规模的文物遗产时,仍然缺乏既能实现高精度、又能实现全景式的观测和记录的方法。
明长城全线实景三维数据库建设
针对上述问题,自2018年开始,在中国长城资源调查成果的指引下,实验室师生克服远途劳顿与地形艰险,自主实施明长城全线无盲区低空拍摄与三维数据获取,开展明长城全线实景三维数据库建设。
数据库建设方法:人员携带微型无人机沿长城线逐段超低空慢速飞行(约15-25公里/小时),在20-50米相对高度从长城顶部、内侧、外侧三个方向拍摄,获得同一航线内相邻图像重叠率不低于70%的三航线连续高清图像集。
实施重点与难点:为保障采集图像的相对恒定分辨率,无人机需要跟随长城蜿蜒,采取变高度、变航向曲线飞行,力求保持在“树梢高度”与长城的相对距离稳定不变。因此需要人员手动控制无人机匀速拍摄,实施难度较高。为保证高质量的图像成果,东部地区三人小组每天最多能够覆盖15公里长城区段的采集进度。
经过近5年的外业工作,明长城遗址数据采集接近完成,覆盖沿线11省(自治区、直辖市)范围内约5600公里的明长城主要段落墙体,获得约260余万张照片,图像数据量约22TB,预计还需拍摄约700公里以覆盖全部明长城实体线路,2024年将建成世界首个明长城全线数据库(图1)。
利用无人机图像本身带有的GPS坐标信息及摄影测量手段,能够实现墙体本身与内、外侧微地形的三维测量。在此基础上,引入图像类机器学习技术实现对海量图像的半自动筛选、分类、检索,主要用于挖掘遗产资源、分析长城构造、开展病害监测等目的,服务长城数字化保护及资源活化利用,助力长城国家文化公园建设。
长城资源深度挖掘应用案例:燧体全线普查
燧体是烽火台旁用于燃烽的设施,作为长城建筑家族中的“小孩子”,一直少为人认知和关注。燧体遗存在多个地区的长城资源调查工作中被发现、记录,研究发现,它是长城“烽火相传”的关键载体。然而相比于烽火台,燧体更容易遭受自然及人为损害、一般保存情况更差、很多已处于消失的边缘,且很多位于保护围栏之外(图2)。
为了对燧体展开抢救性保护,需要对明长城全线的遗存数量、状态、分布展开统计,开展小体量设施的专项“摸家底”工作。燧体遗址分散在广阔且被复杂地形分割的地理空间,如果按照传统的地面人工摸排,需要耗费大量人力、物力及时间。
针对上述问题,实验室实践了一种宏观地理尺度上遗产信息的快速普查方法:首先通过明长城全线实景三维数据库,在中国长城资源调查登记的29510座敌台及烽火台图像中开始燧体检索,发现并标定500余处疑似燧体遗址位置。
检索结果发现,疑似燧体遗址位置大多位于高山、戈壁或沙漠中。针对其位置难以抵近、地面不易发现等特点,采用无人机替代人工的方法,在1-30米的相对高度进行燧体辨别及测绘,获得1米网格DEM地形数据。通过三维数字模型重建,获得厘米级精度的燧体遗址单体尺度、燧体间距、地形高程等参数信息。
最终,共计定位、辨别、航测了252处燧体遗址,分布于甘肃、青海、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河北、天津、辽宁9省(自治区、直辖市)。调查结果首次证实了燧体在明长城全线的广域连续性分布(图3),并对燧体类型进行了归纳总结(图4)。
长城因体量巨大、遗存不完整面临资源蒙尘、保护缺失的难题。本次实践以低空遥感技术为依托,建立和应用明长城全线实景三维数据库,克服了长城遗址空间尺度广阔、地理分割等限制,将遗产信息的处理量级和观察研究精度、效率提升到一个新的高度。这一方法实现跨越信息瓶颈,向国内外社会展示长城的真实性和完整性。
未来,低空遥感结合地理信息系统、人工智能处理数据方法,将有利于进一步开展长城等线路遗产资源挖掘、量化分析及遗存保护。借鉴英德古罗马长城遗址展示方法,虚拟再现已消失和濒临消失地段,推动长城大型遗产的整体性保护与可持续发展。
(作者单位:天津大学建筑学院)