全文刊登于《中国文化遗产》2024年 第2期 P64-72

长城是世界上规模最大的巨型遗产，全长21196.18千米，跨地域分布，复杂的人文、自然环境使得其保护和管理难度极大。由于缺乏全线数据支撑，建筑遗存的研究不够细化，导致长城形象扁平化、单调化，且难以全面展示地域特色。此外，由于传播共享不足，导致公众对长城的整体性认知存在偏差，并在长城遗产保护过程中缺位。

在此背景下，科技和传播成为赋能长城保护的重要力量，加强长城数字化建设成为关键一环：1）可实现长城资源开放共享，便于公众传播；2）数字资源容量巨大、可无限扩展；3）便于开展长城监测、病害分析；4）有利于基础研究开展，保障专业性及科学性。

2016年国家文物局等五部门编制的《“互联网+中华文明”三年行动计划》发布，提出利用现代信息技术系统完整保存文物及相关信息，多渠道推广和传播文物资源。2018年国家文物局办公室印发《关于加强可移动文物预防性保护和数字化保护利用工作的通知》，明确了可移动文物的数字化管理、保护、传播、教育、服务工作。2019年“建设国家文化公园”重大文化工程实施。2022年中办、国办印发《关于推进实施国家文化数字化战略的意见》。2023年中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》，建设数字中国成为国家重大战略部署。长城保护与管理工作随之进入“数字化时代”。

天津大学建筑学院作为“建筑文化遗产传承信息技术”文化和旅游部重点实验室，20年来致力于长城遗产的图像采集和基础研究，在防御体系研究、数据库建设、数字云平台搭建、博物馆展示等方面均取得进展。

长城是中国古代重要的军事防御设施，是具有整体性、层次性、系统性且在秩序下有序开放的巨系统，但长期以来公众对长城的认知仅局限于线性墙体，把长城看作是封闭的边界。课题组自2003年起对长城防御体系开展系统性研究。

长城军事防御体系由边墙、屯兵城、预警、烽传、驿传、屯田、边贸7个子系统共同构成。长城墙体尺度巨大使得驻防兵力分散，本身并不能单独起到防御作用，故沿长城线密置军堡，集中驻扎大量兵力，且耕且守。预警系统获取边外情报传递至长城沿线，烽传、驿传负责边墙/军堡间的信息传递，保障地方相互策应与支援。市口广泛分布于长城沿线，通过边境贸易规范了长城内外两侧的经济秩序。各子系统间协调配合，共同维持边疆安定。

（1）边墙系统：由长城墙体及其上的关城、敌台、暗门等防御工事共同构成[1]，除承担日常瞭望、信息传递、抵御进攻的功能外，也通过暗门等“孔窍”沟通内外。

（2）屯兵城系统：由长城沿线储备兵力的军事城堡共同构成，是长城的核心防御力量。各城堡按照“镇—路—卫—所—堡”的层级呈放射状分布，一遇有警，下情上知、上命下达、相互应援。各城堡均匀分管临近边墙，是长城分段防守策略的体现。

（3）预警系统：于边境外搜集敌情、监控敌人动态，向境内决策层发出预警信号并提前采取应对措施的系统，包括情报系统与烽传系统两部分。哨探刺探境外军事情报，向长城线临近墩台（敌台或烽火台）传报，该墩举烽，逐台向腹里传递至决策军堡，预留备战时间。整个过程由北向南的空间序列为：明哨—暗哨—架炮—墩堠—军堡。

（4）烽传系统：烽火台上的士兵（即墩军）依照规定的烽火信号，沿约定好的烽传线路，通过燃烟、鸣炮或举旗等向临近军堡反应敌人的进攻方向、地点和数量等信息。

（5）驿传系统：负责信息传递及物资转运，由驿站、递运所、急递铺及其间的驿路、铺路构成，串联起军事聚落与长城墙体，重要的驿站同时兼具屯兵、屯粮的功能[2]。驿路、铺路覆盖全国，是长城防御指挥、军需供给的生命线。

（6）屯田系统：明朝在军队编制上采取“军户制”，与之配套形成了寓兵于农、屯戍结合的“屯田系统”，分为军屯、民屯、商屯等，保障军队的衣食、兵备等供养。屯田常与军事城堡结合设置，士兵平时耕作训练、遇警守城或出征。军屯最早起源于汉代，自辽金以后逐渐强化，元明两代发展到顶峰，明代宣德年间开始衰落[3]。

（7）边贸系统：为解决地区经济和社会发展而开展的边境互市贸易，按照交易物品的种类分为马市、茶市、木市三种，由于官方交易往往以马匹为大宗，明蒙互市贸易通常被称为“马市”。交易物品涉及衣、食、住、行各方面，明朝主要输出农业、手工业产品，蒙古地区多以牲畜及相关畜产品进行交换[4]。

图1 “长城防御体系时空数据库”界面（绘制：李严）

数据库界面以九镇为纲，以不同颜色和符号分级分类别显示长城资源的空间分布和地理、历史、形制、街巷等属性信息。内容涵盖长城本体（长城墙体、界壕壕堑、墙上单体、墙外单体、其他设施子目录5类）、1000余座城池（镇、路、卫、所、堡5类）、1000余座关隘（水关、关城、关口3类）、2000余座驿传建筑（驿、递、铺、军站、站城、塘站6类）、2000余座烽燧等。除“显性”的防御设施外，还存在“隐性”的信息建设，即烽传线路（烽火传递线路）、驿传线路（驿、递、铺传递线路），数据库依照颜色区分不同线路，可视化古代信息传递的路径。至此数据库将长城巨系统“众星拱卫”的放射结构、“横向分段、纵向分层”的线性结构、“秩序叠加”的网络结构直观、清晰地呈现出来。

数据库支持在线浏览、查询等功能，使用者可对长城整体性、层次性、系统性特征有直观感受，可依据兴趣点查询获取相关详细信息，也可启用“时间轴”对长城时空性有更清晰的认知。

图2 “长城全线实景三维数据库”界面（绘制：张梦迪）

1.外业拍摄

无人机沿长城线逐段超低空慢速飞行（约15～25km/h），在20~50米相对高度从长城顶部、内侧、外侧三个方向拍摄（图3），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集，再利用无人机图像本身带有的GPS坐标信息及摄影测量手段，实现墙体本身与内、外侧微地形的三维测量。

图3 三视角航拍长城示意图（绘制：闫宇）

2.内业处理与数据利用

外业拍摄获取图像数据量巨大，如何存储与整理成为难题。课题组利用WEBGIS等软件工具，自主编程建立图像库系统，将拍摄图像按照坐标位置显示在地图界面中，使用者可根据需要筛选、浏览特定区段的图像，也可以标记图像、添加特定属性。此外，还可利用图像库中的图像生成部分长城及其两侧地形的现状三维模型（图4），并针对残损的遗址实施数字重建，生成完整的建筑原貌。密集二维图像转化为三维模型，不仅便于测量遗产尺度，也为公众呈现直观可视化图像，更是对重要文化遗产进行数据重建的积极响应。

图4 嘉峪关关城现状三维模型（绘制：张寒）

图5 长城之最之“最陡长城”（绘制：黄斯）

图6 甄别暗门分布图（绘制：拓晓龙）

图7 暗门“家族图谱”（绘制：拓晓龙）

“夫调度兵马，随警策应，全仗墩台烽火”[6]，烽火传信是明代主要的预警方式，附燧是重要的燃烽设施，以三、五或十余个为一组在烽火台附近成行排列，遇有敌情则根据敌军规模点燃相应数量的附燧预警[7]。现存附燧由于分布广阔且地理环境复杂，处于调查研究的盲区，因而相关研究较少。

课题组在资源调查登记的12785座烽火台/敌台中，基于图像库筛查出300余处疑似附燧，并通过实地勘察，在甘肃、青海、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河北、辽宁8省（区）内确认162处附燧遗存，662个设施单体（图9），证实了附燧在明长城全线广域的历史应用。同时结合文献史料记载，复原了明代附燧形制（图10），复现了“台下点烟，多烟传烽”的模式（图11、12）。

图9 附燧遗址分布图（绘制：李明帅）

图10 附燧建筑形制复原图（绘制：李明帅）

图11 传烽模式复原图（绘制：李明帅）

图12 传烽概念图（绘制：李严）

长城受不可控自然因素影响，存在表面风化、片状剥离、坍塌、酥碱、裂隙发育、基础掏蚀凹进、冲沟发育等病害，定期进行病害及风险监测成为长城预防性保护工作的重点，通过对监测数据进行分析可总结长城不同部位病害发育的特征，从而更好地开展日常保养维护，确保长城真实性和完整性得到有效延续。

在双数据库基础上，定期利用无人机巡检并进行图像比对，开展长城监测预警工作，可准确地掌握损坏位置，并及时进行修缮保护。例如，将蓟镇东部某座敌楼、某段墙体两年前后的图像进行比较发现，敌楼受台风、雨水自然侵蚀发生显著变化，除少量砖石砌块掉落，严重的细微水土流失导致大块砖石失去填充支撑而迅速瓦解（图13a、b）；墙体包砖在两年内发生可见损失（图13c、d）。此外，基于数据库高重叠度图像生成的三维点云数据，可统计长城两侧地形坡度、测量墙体歪闪、估算坍塌程度以及维修所需土石方量、归纳长城选址原则、辅助计算汇水面积和排水坡度等。以空心敌楼墙体病变可视化为例，以三维数据中某一立面为基准面，对表面凹凸量以伪彩表达（图14a），可直观显现看似平整表面的细微变形。图14b显示另一敌楼的凹凸量化数据，与其表面裂缝走向（红色虚线所示）、内部土石堆积等综合分析，可知顶部坍塌造成内部土石堆积、横侧推力增大是墙体拉裂、鼓胀变形的重要原因。

图13 长城某座敌楼（a、b）和某段墙体（c、d）2016、2018年的图像差别（摄影：李哲）

图14 某敌楼立面凹凸伪彩表达示意图（a）与某敌楼凹凸量精确直观显示（b）（绘制：李哲）

目前长城“数字化”展示局限在图片、全景和三维模型的简单采集层面，无法提供便捷、低门槛、有吸引力的数字体验。课题组与互联网企业、博物馆单位合作，实现专业信息资源线上、线下开放共享，提高公众对长城的认知，传播长城文化和精神，引导公众积极参与长城保护。

1.线上云平台开发

互联网为广泛传播数字资源和信息提供了快捷途径，课题组提出建设全线遗存数字化管理系统（云平台），针对研究机构、管理机构、公众群体分别搭建3个层次内容：1）长城基础资料数据层；2）长城文化知识应用层；3）公众展示游览服务层[8]。由课题组提供基础资源，与互联网企业联合搭建的“云游长城”平台和微信小程序于2022年6月11日正式上线，用户通过移动端即可一览明长城防御体系全貌（图15）。

图15 “云游长城”小程序界面（图片来源：腾讯用户研究与体验部门）

图16 长城文化资源库后台界面（图片来源：腾讯用户研究与体验部门）

2.线下博物馆建设

博物馆建设是长城国家文化公园建设的重要内容，有助于推动长城文化的展示与传播，但传统展陈内容认知难度高、内容深奥，会影响公众的接受程度。课题组基于大量基础研究及数字化成果助力长城博物馆展陈大纲编制和内容设计工作，将VR/AR虚拟技术、全息投影、3D打印等现代信息技术应用到博物馆展陈工作中，增加与观众间的互动并提升游客体验度，打造全线全域数据详实、宏观体系揭示透彻、展示直观沉浸感强、充分复原遗产活态原貌、与全线全域物联程度高的长城整体数字再现场所。

“虚实之间•发现长城——天津大学长城研究和数字成果展”，于2023年1月19日在天津博物馆展出，首次将课题组成果面向公众展示。展示内容包括：长城分布、暗门家族、长城材料、彩色长城、烽烟燃起、长城之最、天津长城全貌、长城病害、长城动植物等，不仅首次揭示了多项长城“秘密”，而且向公众直观呈现了天津长城墙体现状全貌。

展陈主要采取了以下三种多媒体手段实景化、沉浸式、数字化解说长城：

（1）五面屏大型沉浸式装置：以课题组拍摄天津长城全段（西起天津与北京平谷、河北兴隆交界的长城“三界碑”，东至天津与河北遵化马兰峪及清东陵景区的长城交界点）影像为素材，观众可以在半包围空间中以“座舱视角”19分钟内“飞越”天津总长约40千米的长城全段，遍览天津长城各处资源、特色遗存及沿线风光。

（2）手机随身增强现实（AR）：现存最大敌台、最陡墙体等虚拟场景浮空呈现；与展板图片结合显示图片内容所对应的视频；虚拟特效与现场真实模型相结合，使长城烽燧模型可以在展柜中“冒烟”，“敌军”从展柜后侧出现。

（3）3D打印实体模型：基于课题组实测长城数据制作军堡、最陡峭墙体、最菱楼、最扁楼、最多箭窗敌楼、最大实心敌台、最精美哨房、突门、暗门家族、天津黄崖水关攻防场景、凤凰楼等重要建筑模型，将遗存现状及历史场景真实、严谨地呈现给公众。

长城遗存现状不容乐观，但当前保护及管理工作难度大且公众认知不足，不利于开展长城遗产保护传承和多重价值挖掘工作。长城国家文化公园建设工程实施以来，长城及其数字化建设引发社会关注。

课题组基于大量基础研究与实地勘察，建立了双数据库，为“数字长城”奠基。在此基础上，引入图像类人工智能识别技术，发掘出多项“长城之最”，并发现130道暗门、162处附燧遗址，学术层面上深化了长城研究。应用层面上，在专业领域为长城病害及风险监测提供支持；在社会领域面向公众多渠道展示，线上合作搭建数字云平台、线下推进博物馆数字化展示及其物联建设。长城的数字化呈现，将推动长城精神和文化的有效传播，更好地服务文化强国建设。

[本文受国家社科基金重点项目“长城国家文化公园价值研究与数字再现”（21AZD055）资助]

（文章参考文献和注释略）

责任编辑：张双敏

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