長城數據庫建設與數字化應用實踐

摘要：長城因規模巨大、人文與自然環境復雜、公眾認知不足，面臨保護管理難題。天津大學長城課題組持續20年對長城遺產進行圖像采集與基礎研究，搭建“長城防御體系時空數據庫”“長城全線實景三維數據庫”。基于雙數據庫，從學術層面對長城防御體系開展系統性研究，發掘出多項長城資源；從專業層面為長城病害及風險監測工作提供支持；從社會層面，線上聯合互聯網企業搭建“云游長城”平臺，線下與博物館單位合作策劃“虛實之間·發現長城——天津大學長城研究和數字成果展”。諸多成果助力長城整體性數字再現，為長城保護、研究、管理提供科學依據，提高公眾在長城保護過程中的參與度。

關鍵詞：長城；數字化；防御體系；數據庫；整體保護

長城是世界上規模最大的巨型遺產，全長21196.18千米，跨地域分布，復雜的人文、自然環境使得其保護和管理難度極大。由于缺乏全線數據支撐，建筑遺存的研究不夠細化，導致長城形象扁平化、單調化，且難以全面展示地域特色。此外，由于傳播共享不足，導致公眾對長城的整體性認知存在偏差，并在長城遺產保護過程中缺位。

在此背景下，科技和傳播成為賦能長城保護的重要力量，加強長城數字化建設成為關鍵一環：1）可實現長城資源開放共享，便于公眾傳播；2）數字資源容量巨大、可無限擴展； 3）便于開展長城監測、病害分析；4）有利于基礎研究開展，保障專業性及科學性。

2016年國家文物局等五部門編制的《“互聯網+中華文明”三年行動計劃》發布，提出利用現代信息技術系統完整保存文物及相關信息，多渠道推廣和傳播文物資源。2018年國家文物局辦公室印發《關于加強可移動文物預防性保護和數字化保護利用工作的通知》，明確了可移動文物的數字化管理、保護、傳播、教育、服務工作。2019年“建設國家文化公園”重大文化工程實施。2022年中辦、國辦印發《關于推進實施國家文化數字化戰略的意見》。2023年中共中央、國務院印發《數字中國建設整體布局規劃》，建設數字中國成為國家重大戰略部署。長城保護與管理工作隨之進入“數字化時代”。

天津大學建筑學院作為“建筑文化遺產傳承信息技術”文化和旅游部重點實驗室，20年來致力于長城遺產的圖像采集和基礎研究，在防御體系研究、數據庫建設、數字云平臺搭建、博物館展示等方面均取得進展。

一、長城的整體性認識

長城是中國古代重要的軍事防御設施，是具有整體性、層次性、系統性且在秩序下有序開放的巨系統，但長期以來公眾對長城的認知僅局限于線性墻體，把長城看作是封閉的邊界。課題組自2003年起對長城防御體系開展系統性研究。

長城軍事防御體系由邊墻、屯兵城、預警、烽傳、驛傳、屯田、邊貿7個子系統共同構成。長城墻體尺度巨大使得駐防兵力分散，本身并不能單獨起到防御作用，故沿長城線密置軍堡，集中駐扎大量兵力，且耕且守。預警系統獲取邊外情報傳遞至長城沿線，烽傳、驛傳負責邊墻/軍堡間的信息傳遞，保障地方相互策應與支援。市口廣泛分布于長城沿線，通過邊境貿易規范了長城內外兩側的經濟秩序。各子系統間協調配合，共同維持邊疆安定。

（1）邊墻系統：由長城墻體及其上的關城、敵臺、暗門等防御工事共同構成[1]，除承擔日常瞭望、信息傳遞、抵御進攻的功能外，也通過暗門等“孔竅”溝通內外。

（2）屯兵城系統：由長城沿線儲備兵力的軍事城堡共同構成，是長城的核心防御力量。各城堡按照“鎮—路—衛—所—堡”的層級呈放射狀分布，一遇有警，下情上知、上命下達、相互應援。各城堡均勻分管臨近邊墻，是長城分段防守策略的體現。

（3）預警系統：于邊境外搜集敵情、監控敵人動態，向境內決策層發出預警信號并提前采取應對措施的系統，包括情報系統與烽傳系統兩部分。哨探②刺探境外軍事情報，向長城線臨近墩臺（敵臺或烽火臺）傳報，該墩舉烽，逐臺向腹里傳遞至決策軍堡，預留備戰時間。整個過程由北向南的空間序列為：明哨—暗哨—架炮③—墩堠—軍堡。

（4）烽傳系統：烽火臺上的士兵（即墩軍）依照規定的烽火信號，沿約定好的烽傳線路，通過燃煙、鳴炮或舉旗等向臨近軍堡反應敵人的進攻方向、地點和數量等信息。

（5）驛傳系統：負責信息傳遞及物資轉運，由驛站、遞運所、急遞鋪及其間的驛路、鋪路構成，串聯起軍事聚落與長城墻體，重要的驛站同時兼具屯兵、屯糧的功能[2]。驛路、鋪路覆蓋全國，是長城防御指揮、軍需供給的生命線。

（6）屯田系統：明朝在軍隊編制上采取“軍戶制”④，與之配套形成了寓兵于農、屯戍結合的“屯田系統”，分為軍屯、民屯、商屯等，保障軍隊的衣食、兵備等供養。屯田常與軍事城堡結合設置，士兵平時耕作訓練、遇警守城或出征。軍屯最早起源于漢代，自遼金以后逐漸強化，元明兩代發展到頂峰，明代宣德年間開始衰落[3]。

（7）邊貿系統：為解決地區經濟和社會發展而開展的邊境互市貿易，按照交易物品的種類分為馬市、茶市、木市三種，由于官方交易往往以馬匹為大宗，明蒙互市貿易通常被稱為“馬市”。交易物品涉及衣、食、住、行各方面，明朝主要輸出農業、手工業產品，蒙古地區多以牲畜及相關畜產品進行交換[4]。

二、長城雙數據庫建設

長城龐大的體系為其整體性保護帶來挑戰，課題組依托現代信息技術搭建了“長城防御體系時空數據庫”“長城全線實景三維數據庫”，為長城信息資源的存儲、管理、研究、應用提供了更加全面的數據途徑，使長城巨系統格局更加清晰地呈現在公眾面前。

（一）長城防御體系時空數據庫

“長城防御體系時空數據庫”（圖1）基于GIS地理信息系統建立，實現了長城防御體系的可視化，破解了“長城是線性墻體”的認知誤區。

數據庫界面以九鎮為綱，以不同顏色和符號分級分類別顯示長城資源的空間分布和地理、歷史、形制、街巷等屬性信息。內容涵蓋長城本體（長城墻體、界壕壕塹、墻上單體、墻外單體、其他設施子目錄5類）、1000余座城池（鎮、路、衛、所、堡5類）、1000余座關隘（水關、關城、關口3類）、2000余座驛傳建筑（驛、遞、鋪、軍站、站城、塘站6類）、2000余座烽燧等。除“顯性”的防御設施外，還存在“隱性”的信息建設，即烽傳線路（烽火傳遞線路）、驛傳線路（驛、遞、鋪傳遞線路），數據庫依照顏色區分不同線路，可視化古代信息傳遞的路徑。至此數據庫將長城巨系統“眾星拱衛”的放射結構、“橫向分段、縱向分層”的線性結構、“秩序疊加”的網絡結構直觀、清晰地呈現出來。

數據庫支持在線瀏覽、查詢等功能，使用者可對長城整體性、層次性、系統性特征有直觀感受，可依據興趣點查詢獲取相關詳細信息，也可啟用“時間軸”對長城時空性有更清晰的認知。

（二）長城全線實景三維數據庫

“長城全線實景三維數據庫”（圖2）是課題組為摸清長城選址、構造做法、建筑材料、遺存和損毀情況，自2019年來通過無人機外業航測采集長城圖像、應用相關數據軟件生成對應三維模型匯集而成的重要成果。目前已完成5500千米貼近攝影測量（人工長城墻體總長6200千米），拍攝200萬張分辨率接近厘米級的高清圖片，圖像數據量約30TB（不包括三維模型）。同時課題組通過內業處理進一步挖掘出多項長城資源，構建了“長城知識庫”。

1.外業拍攝

無人機沿長城線逐段超低空慢速飛行（約15～25km/h），在20～50米相對高度從長城頂部、內側、外側三個方向拍攝（圖3），獲得同一航線內相鄰圖像重疊率不低于70%的三航線連續高清圖集，再利用無人機圖像本身帶有的GPS坐標信息及攝影測量手段，實現墻體本身與內、外側微地形的三維測量。

2.內業處理與數據利用

外業拍攝獲取圖像數據量巨大，如何存儲與整理成為難題。課題組利用WEBGIS等軟件工具，自主編程建立圖像庫系統，將拍攝圖像按照坐標位置顯示在地圖界面中，使用者可根據需要篩選、瀏覽特定區段的圖像，也可以標記圖像、添加特定屬性。此外，還可利用圖像庫中的圖像生成部分長城及其兩側地形的現狀三維模型（圖4），并針對殘損的遺址實施數字重建，生成完整的建筑原貌。密集二維圖像轉化為三維模型，不僅便于測量遺產尺度，也為公眾呈現直觀可視化圖像，更是對重要文化遺產進行數據重建的積極響應。

基于當前全線實景三維數據引入圖像類人工智能、機器學習技術，對海量圖像進行快速半自動篩選、分類、檢索，不僅可以實現長城設施的全線跨地域比較、家族化梳理，也可以輔助發現未知防御設施，從而構建長城“建筑知識庫”，填補重要知識缺環。目前運用此功能已在長城全線挖掘出多種“長城之最”，發現130道暗門、162處附燧遺址。

（1）長城之最

課題組利用“全線圖像與三維數據庫”最新統計成果，分析總結長城在尺度、形制、構造、數量、現存狀態等多方面的極值，構建長城知識庫，可準確、直觀回答公眾感興趣的建筑話題，使公眾對長城的認知從概貌到詳實、從區段個例到全線視野，為已知長城家底建立明細。例如：最陡峭長城（圖5）、最平直/曲折墻體、最厚/薄墻體、最特殊障墻、最長/短馬面、最菱樓、最高大實心敵臺、最密敵樓、最多箭窗敵樓、最多磚券敵樓、最寬箭窗、海拔最高敵樓、最隱蔽暗門、最開放暗門、保存最好的鋪房、保存最好的烽火臺等。

（2）暗門家族

暗門即在長城、堡寨等各類防御性墻體上設置的用于溝通兩側的小型通道，與“關”“口”共同構成3層級隘口，是長城不可或缺的一部分，但至今學術領域研究深度、社會公眾認知廣泛度均嚴重不足[5]。課題組利用圖像庫甄別出130處長城暗門實物遺存（圖6），首次構建了暗門“家族圖譜”（圖7），結合實地勘察總結其構造、功能、選址等規律，證明了長城是在秩序之下“開放”的。

三維點云模型獲取暗門外部尺度數據、正射影像；地面勘察確定暗門內部形制構造、尺寸，兩者結合得到完整暗門資料。在此過程中，還首次發現了突門⑤實物（圖8），為相關研究提供了有力證明，也反映了古人卓越的軍事智慧。

（3）附燧家族

“夫調度兵馬，隨警策應，全仗墩臺烽火”[6]，烽火傳信是明代主要的預警方式，附燧是重要的燃烽設施，以三、五或十余個為一組在烽火臺附近成行排列，遇有敵情則根據敵軍規模點燃相應數量的附燧預警[7]。現存附燧由于分布廣闊且地理環境復雜，處于調查研究的盲區，因而相關研究較少。

課題組在資源調查登記的12785座烽火臺/敵臺中，基于圖像庫篩查出300余處疑似附燧，并通過實地勘察，在甘肅、青海、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河北、遼寧8省（區）內確認162處附燧遺存，662個設施單體（圖9），證實了附燧在明長城全線廣域的歷史應用。同時結合文獻史料記載，復原了明代附燧形制（圖10），復現了“臺下點煙，多煙傳烽”的模式（圖11、12）。

三、長城數字化應用實踐

長城雙數據庫建設為長城全線“數字再現”奠定基礎，將已取得的數字文化資源面向專業和社會領域不同程度、不同渠道開放，為長城病害及風險監測、線上云平臺開發、線下博物館建設提供有力支持。

（一）專業領域應用

長城受不可控自然因素影響，存在表面風化、片狀剝離、坍塌、酥堿、裂隙發育、基礎掏蝕凹進、沖溝發育等病害，定期進行病害及風險監測成為長城預防性保護工作的重點，通過對監測數據進行分析可總結長城不同部位病害發育的特征，從而更好地開展日常保養維護，確保長城真實性和完整性得到有效延續。

在雙數據庫基礎上，定期利用無人機巡檢并進行圖像比對，開展長城監測預警工作，可準確地掌握損壞位置，并及時進行修繕保護。例如，將薊鎮東部某座敵樓、某段墻體兩年前后的圖像進行比較發現，敵樓受臺風、雨水自然侵蝕發生顯著變化，除少量磚石砌塊掉落，嚴重的細微水土流失導致大塊磚石失去填充支撐而迅速瓦解（圖13a、b）；墻體包磚在兩年內發生可見損失（圖13c、d）。此外，基于數據庫高重疊度圖像生成的三維點云數據，可統計長城兩側地形坡度、測量墻體歪閃、估算坍塌程度以及維修所需土石方量、歸納長城選址原則、輔助計算匯水面積和排水坡度等。以空心敵樓墻體病變可視化為例，以三維數據中某一立面為基準面，對表面凹凸量以偽彩表達（圖14a），可直觀顯現看似平整表面的細微變形。圖14b顯示另一敵樓的凹凸量化數據，與其表面裂縫走向（紅色虛線所示）、內部土石堆積等綜合分析，可知頂部坍塌造成內部土石堆積、橫側推力增大是墻體拉裂、鼓脹變形的重要原因。

（二）社會領域應用

目前長城“數字化”展示局限在圖片、全景和三維模型的簡單采集層面，無法提供便捷、低門檻、有吸引力的數字體驗。課題組與互聯網企業、博物館單位合作，實現專業信息資源線上、線下開放共享，提高公眾對長城的認知，傳播長城文化和精神，引導公眾積極參與長城保護。

1.線上云平臺開發

互聯網為廣泛傳播數字資源和信息提供了快捷途徑，課題組提出建設全線遺存數字化管理系統（云平臺），針對研究機構、管理機構、公眾群體分別搭建3個層次內容：1）長城基礎資料數據層；2）長城文化知識應用層；3）公眾展示游覽服務層[8]。由課題組提供基礎資源，與互聯網企業聯合搭建的“云游長城”平臺和微信小程序于2022年6月11日正式上線，用戶通過移動端即可一覽明長城防御體系全貌（圖15）。

“云游長城”的后臺“長城文化資源庫” （圖16）分為4個模塊——明長城防御體系、知識專題、研究文獻、高清實拍，涵蓋內容包括明長城連續墻體分布、墻體現狀圖片、墻體三維影像和全景漫游、長城防御體系構成、九邊重鎮分布、長城知識、各級城池建筑特征、長城防御體系名詞解釋、長城建筑類型介紹、長城專欄等，公眾在移動端可以隨時進行趣味性學習、互動式答題、沉浸式體驗。

2.線下博物館建設

博物館建設是長城國家文化公園建設的重要內容，有助于推動長城文化的展示與傳播，但傳統展陳內容認知難度高、內容深奧，會影響公眾的接受程度。課題組基于大量基礎研究及數字化成果助力長城博物館展陳大綱編制和內容設計工作，將VR/AR虛擬技術、全息投影、3D打印等現代信息技術應用到博物館展陳工作中，增加與觀眾間的互動并提升游客體驗度，打造全線全域數據詳實、宏觀體系揭示透徹、展示直觀沉浸感強、充分復原遺產活態原貌、與全線全域物聯程度高的長城整體數字再現場所。

“虛實之間·發現長城——天津大學長城研究和數字成果展”，于2023年1月19日在天津博物館展出，首次將課題組成果面向公眾展示。展示內容包括：長城分布、暗門家族、長城材料、彩色長城、烽煙燃起、長城之最、天津長城全貌、長城病害、長城動植物等，不僅首次揭示了多項長城“秘密”，而且向公眾直觀呈現了天津長城墻體現狀全貌。

展陳主要采取了以下三種多媒體手段實景化、沉浸式、數字化解說長城：

（1）五面屏大型沉浸式裝置：以課題組拍攝天津長城全段（西起天津與北京平谷、河北興隆交界的長城“三界碑”，東至天津與河北遵化馬蘭峪及清東陵景區的長城交界點）影像為素材，觀眾可以在半包圍空間中以“座艙視角”19分鐘內“飛越”天津總長約40千米的長城全段，遍覽天津長城各處資源、特色遺存及沿線風光。

（2）手機隨身增強現實（AR）：現存最大敵臺、最陡墻體等虛擬場景浮空呈現；與展板圖片結合顯示圖片內容所對應的視頻；虛擬特效與現場真實模型相結合，使長城烽燧模型可以在展柜中“冒煙”，“敵軍”從展柜后側出現。

（3）3D打印實體模型：基于課題組實測長城數據制作軍堡、最陡峭墻體、最菱樓、最扁樓、最多箭窗敵樓、最大實心敵臺、最精美哨房、突門、暗門家族、天津黃崖水關攻防場景、鳳凰樓等重要建筑模型，將遺存現狀及歷史場景真實、嚴謹地呈現給公眾。

四、結語

長城遺存現狀不容樂觀，但當前保護及管理工作難度大且公眾認知不足，不利于開展長城遺產保護傳承和多重價值挖掘工作。長城國家文化公園建設工程實施以來，長城及其數字化建設引發社會關注。

課題組基于大量基礎研究與實地勘察，建立了雙數據庫，為“數字長城”奠基。在此基礎上，引入圖像類人工智能識別技術，發掘出多項“長城之最”，并發現130道暗門、162處附燧遺址，學術層面上深化了長城研究。應用層面上，在專業領域為長城病害及風險監測提供支持；在社會領域面向公眾多渠道展示，線上合作搭建數字云平臺、線下推進博物館數字化展示及其物聯建設。長城的數字化呈現，將推動長城精神和文化的有效傳播，更好地服務文化強國建設。

[本文受國家社科基金重點項目“長城國家文化公園價值研究與數字再現”（21AZD055）資助]

參考文獻：

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書影印明崇禎刻本）[M]. 臺北：臺灣學生書局，1986．

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識[J]. 航天返回與遙感，2023，44（1）：1―12.

[8] 李嚴，張玉坤，李哲．長城的整體性研究與數字化實踐[J]．世界

建筑，2022（8）：16―21.

（責任編輯：張雙敏）