大型綜合性博物館數字孿生多元化數據構建與應用

中兵勘察設計研究院有限公司 劉歡 劉衛華 胡庭玉 周夢迪

本文從數字孿生技術在文化遺產領域的應用現狀入手，通過對數字孿生多元化數據構建研究，關鍵技術突破和數據應用前景等可行性的挖掘，探索數字孿生多元化數據構建對于大型綜合性博物館的發展方向。

數字孿生是以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理的動態虛擬模型，來仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等。簡單來說就是在虛擬空間中構建一個物理實體的數字化鏡像[1]。數字孿生能夠描述物理對象的多維屬性、實際行為和狀態，分析未來發展趨勢，從而實現對物理對象監控、仿真、預測、優化等實際服務和應用需求[2]。近年，數字孿生功能主要有現實世界可視性、基于感知器的連接性、智能分析性、高精度還原性等方面。數字孿生模型則是基于真實世界大規模、累積、實時數據的組合，是實現數字孿生功能的重要前提。

數據孿生技術目前在智能制造、智慧城市、船舶、電力等眾多領域都有廣泛應用，且前景廣闊，但在文博領域也越來越多。在文化遺產方面，敦煌研究院的數字敦煌、中國文化遺產研究院的布達拉宮數字孿生數據庫和可視化管理系統、故宮博物院的數字多寶閣等，通過高精度測繪、GIS、計算機科學與網絡等技術實現了數字化建模與全新方式的文化展示，針對以時間軸為紐帶、以文物價值為基礎、對未來做預測的數字孿生正處于初步探索階段[3]。但對于集博物館和古建筑群于一體的大型綜合性博物館文化遺產全生命周期數字孿生，鮮見涵蓋孿生數據建設、虛擬復原、價值挖掘呈現等方面的系統研究。

大型綜合性博物館包含古建筑群、展品、藏品等眾多類型文化遺產，具有豐富的文化內涵和多重文物價值。以數字化、智能化技術創新與應用，將其保護好、利用好，促進文化服務與文化傳承，推動文化產業數字化轉型升級，意義重大。本文將初步研究大型綜合性博物館數字孿生數據的構成和構建方法，并對相關應用進行探索和展望，希望為大型綜合性博物館的數字孿生技術提供部分參考。

1 數字孿生多元化數據構成

數字孿生數據主要包括來自博物館相關文獻資料、勘察、測繪與監測等的信息，具有多源異構、多維度、動態等特點。綜合性博物館的數字孿生數據對象包含建筑、附屬文物、藏品、空間環境、運維設施等全要素，數字孿生數據內容包含建筑、附屬文物、藏品、空間環境等的空間、紋理等幾何信息以及其屬性、方法、行為等非幾何信息，孿生狀態包括博物館的過去、現在和將來。基于以上內容，設計適應綜合性博物館的全生命周期孿生數據的數據結構，采集加工孿生基礎數據，發掘物理實體的狀態特征和數據關聯關系，進行虛擬復原數據建設、多元多層級信息映射模型和文物的價值挖掘和呈現，構成完整的數字孿生多元化數據。

2 數字孿生多元化數據構建

2.1 文物數字孿生數據建設

孿生數據的建設是多元化數據構建的基礎，在數據采集方面，采用三維激光掃描、近景攝影測量、影像拍攝、虛擬建模等多種方法，采集博物館各對象的空間、紋理等幾何數據，采用資料、信息收集、現狀勘測等方法，采集對象的屬性等非幾何信息；在數據加工管理方面，從時域、頻域及時頻域等方面進行不同時間和空間維度的特征提取，發掘物理實體的狀態特征和數據關聯關系，從模型組裝、模型融合、模型驗證、模型更新各方面，建立動態映射模型[4]。

2.2 文物虛擬復原數據建設

文物的歷史、現狀數據復原是多元化數據構建的一部分，通過考古、文獻分析、計算機輔助等技術對文物的形制、材料、顏色等進行虛擬復原，以深度學習為代表的計算機輔助技術為虛擬復原帶來了革命性改變。在虛擬復原數據構建中，可基于三維掃描、攝影測量等方法獲得的數據，進行測量復原；可通過與相同、相似的結構、構件相比較，進行類比復原；可通過文獻資料、考古數據等，采用現狀趨勢法和歷史信息法，推測復原。將人工數據構建復原與AI 智能數據構建復原相結合，進行文物現狀與歷史狀態復原。對于色彩復原，是對彩色照片灰度處理，將彩色和灰度照片進行深度學習網絡訓練；對于缺損復原，將原圖像和加掩膜圖像進行編碼、特征提取、映射關系尋找的深度學習。

2.3 多維、多層級信息映射模型建設

孿生模型的信息維度、層級需求包括孿生模型構建的深度學習需求和基于文物價值鏈的博物館管理、教育、研究和旅游等場景應用需求，數字孿生模型維度包括幾何—非幾何—行為—規則，數字孿生模型層級包括整體—區域—院落—單體建筑—部件—構件，附屬文物的組—件—部件—構件，位置、姿態及與本體相關系，環境與設施的空間環境、基礎設施、服務設施、管理與研究設施等。多維、多層級模型建設從幾何—非幾何—行為—規則等方面建立數字孿生模型構建維度，從大型綜合性博物館建筑整體—區域—院落—單體建筑—部件—構件、附屬文物的組—件—部件—構件、環境與設施的物理系統實際特點出發，建立面向不同應用方向的存檔級、研究級、應用級、展示級等多層級模型[5]。

2.4 文物價值挖掘呈現

數字孿生數據最終將服務于博物館的保護、管理、展示等各方面，挖掘文物價值，將文物各方面價值呈現，是多元化數據建設的重要一環。文物包含歷史、文化、藝術、科學等各方面價值，歷史價值主要包括政治、軍事、經濟等社會活動，宗教信仰、風情習俗、家庭等生活活動的時代特點與風貌等；藝術價值主要包括有審美、欣賞、娛樂、借鑒以及美術史料等方面；科學價值主要包括科學、技術、知識等方面。通過對文物歷史與現狀信息的全面搜集與整理、分析與識別、關聯與提取等方式，挖掘文物的歷史、藝術、科學價值，并將獲得的文物價值信息在孿生數據構建中的加工、組織、存儲中進行融合展現，賦予文物時代生命力，延續其做為文化經典的示范意義[6]。

2.5 多元化數據融合

在數據構建中，對齊時間、對齊空間、對齊尺度。對于空間信息，采用GIS 技術，在統一的平面、高程坐標系下，將所有數據進行歸一化，建立統一基準；對于時間信息，針對工作對象，厘清對象的時序，建立起時間軸，將所有時間基準信息串聯于時間線；對于數據信息，對多源異構、多模多態、多維多層級數據，通過匯聚、轉換、關聯重組、統一存儲、應用控制，從而使信息構成關聯多態體；最終實現全面的數字孿生博物館時空信息融合。

3 數字孿生多元化數據應用

數字孿生多元化數據是實現數字孿生功能的重要前提，在大型綜合性博物館中的應用前景廣闊，從建筑、展廳、藏品及設備設施的保護、管理、維護、修繕、展陳展示到科教等方面都起到積極地作用。

3.1 存檔保護中的應用

多元化數據的構建，將博物館的現狀、歷史各個階段的數據存儲和記錄下來，對博物館的各類數據進行了存檔。同時，數字孿生是預防性保護和全面監測信息的承載、呈現的宿主與載體，預防性體系的價值認知、風險識別、風險評估、風險應對，每個過程都對應信息和數據，基于空間信息，以孿生信息為載體，將預防性保護的所有要素與數字孿生融為一體，統領預防性保護全過程，進行不斷迭代的信息積累與分析、風險識別與評估、風險預警預測與應對工作。

3.2 展覽展陳中的應用

由于文物的不可再生性，為了延長文物壽命，大量館藏文物無法長期處于展覽狀態，甚至鮮少與觀眾見面，造成文物資源的極大浪費。

古建筑、展廳、藏品等各種類的數字孿生數據的構建：首先，給予這類文物一個展示的新渠道，使其重新出現在大眾的視野；其次，數字展覽減少了時間、空間對文物展覽的限制，觀眾能夠通過移動端等設備隨時隨地享受各地豐富的展覽資源，并且也極大地解決了原有的展覽方式，能夠全方位的對文物進行展示，彌補了現有實體展覽中遮擋、光線、人流等造成的參觀效果不理想等問題。對于展陳策劃人員來說，線上的數據統計結合線下的人流監控等措施也可以對展覽效果進行總結，對文物的受歡迎度，不同受眾的游覽偏好也能得到有效統計，更好的服務于實體展陳。

3.3 修復修繕中的應用

文物現狀和歷史數據的智能虛擬復原，為文物的修復和古建筑的修繕提供了新的思路。現階段，通過館藏文物的數字孿生多元化數據，可以完成對館藏文物的現狀記錄、材質分析、受損情況分析、碎片辨識、虛擬拼接等，也可對受損部位進行3D 打印復制，通過對文物的虛擬修復模擬實際修復中會出現的情況和問題，為多重修復思路進行數據模擬，盡可能減少出現失誤的可能性，也減少對文物的二次損傷，提高修復效率。在古建筑修繕中，通過數字孿生數據，模擬建筑彩畫、油飾的修繕效果，將修繕方案以直觀的形式展現出來，并分析修繕成本，選用最優的方式進行實體修繕，提高文物古建筑的修繕效率。

3.4 管理運營中的應用

數字孿生多元化數據和技術，可在管理運營中大規模運用。在展廳中，可通過預設的各種設備搜集場館運行情況，游客和工作人員的行為數據，經過數據分析對博物館的人員分布、展覽受眾、實時安保等情況進行全方位的統一管理，通過異常數據預先排除工作隱患，真正做到預防為主。在藏品方面，可根據藏品的多元化數據，構建文物數字化管理平臺，對于館藏文物的資料更加全面、系統的管理，為館藏管理工作提供高效準確的查詢、統計等服務，對于文物的儲藏環境采取更加智能的監控，調價設施，減少人工所造成的延遲誤差等造成的損傷。數字化的管理對于文物的出入庫管理也有更加安全的措施，出入庫的時間、去向、交接等在數字平臺統一管理。同時，能夠提供各種有預見性的管控措施，節假日的人流變化、疫情防控期間導致的場館開閉、車輛停放的調動、客流擁堵情況的疏導等。人工算法的出現為管理提供了“會思考”的趨勢判斷，結合大量的數據分析，使博物館運營更有的放矢，防患于未然。

3.5 宣傳教育中的應用

基于價值挖掘加工的博物館多元化的數字孿生數據，結合VR、AR 等數字化展示手段，可以使宣教打破現有的媒體宣傳方式，加大傳播效能，使群眾有更大的自主權。例如故宮博物院的V 故宮、數字多寶閣等運用，利用古建筑、藏品的數字孿生數據，結合文物的價值進行展示，讓越來越多的人看到傳統的文化和故事，走進故宮。同時，博物館通過對文物數據的分析運用，不僅能夠對單個文物進行展示還能夠深入挖掘文物背后的歷史文化價值，將對文物的低效運用轉化為文物IP 的發展，真正使數字孿生數據擺脫對文物進行單純復制，保存的質疑，真正做到利用孿生技術進行文化遺產的傳承。

4 結語

總之，博物館數字孿生多元化數據構建絕不是僅僅對數據的采集復制，在適用于綜合性博物館的數字孿生技術基礎上，突破數字孿生的多元數據構建技術，數據構建中的文物智能虛擬復原、虛實展示、信息映射模型及文物價值挖掘呈現技術，將高質量、高效率、工程化地實現數字孿生博物館保護、傳承、利用。大型綜合性博物館的運作是綜合性的，就更加要求數字孿生多元化數據構建出體系完全、應用全面、智能的系統為文化傳承助力。可以預見，數字孿生多元化數據與大型綜合性博物館的結合會極大地提高博物館的工作效率，更好地為游客提供有價值得文化輸出，但如何使兩者的價值發揮到更大，還需要我們更加積極的探索。