长城数字化修复的基本问题与研究方向

长城数字化修复的基本问题与研究方向 Basic issues and research directions of the digital restoration of the Great Wall 1 4 first-author 李宗飞，1990年生，男，博士研究生，研究方向为文化遗产数字化保护研究。E-mail： 1049183645@qq.com 李宗飞，1990年生，男，博士研究生，研究方向为文化遗产数字化保护研究。E-mail： 1049183645@qq.com 1049183645@qq.com 2 4 corresp 董友强，1988年生，男，讲师，研究方向为遗产保护、摄影测量与遥感。E-mail： dongyouqiang.@bucea.edu.cn 董友强，1988年生，男，讲师，研究方向为遗产保护、摄影测量与遥感。E-mail： dongyouqiang.@bucea.edu.cn dongyouqiang.@bucea.edu.cn 2 4 2 3 4 5 北京建筑大学 建筑与城市规划学院, 北京 100044 北京建筑大学 建筑与城市规划学院, 北京 100044 School of Architecture and Urban Planning, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China School of Architecture and Urban Planning, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 100044 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 100044 School of Geomatics and Urban Spatial Informatics, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China School of Geomatics and Urban Spatial Informatics, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China 北京建筑大学 科学技术发展研究院, 北京 100044 北京建筑大学 科学技术发展研究院, 北京 100044 Institute of Science and Technology Development, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China Institute of Science and Technology Development, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China 北京市建筑遗产精细重构与健康监测重点实验室, 北京 100044 北京市建筑遗产精细重构与健康监测重点实验室, 北京 100044 Key Laboratory for Architectural Heritage Fine Reconstruction & Health Monitoring, Beijing 100044, China Key Laboratory for Architectural Heritage Fine Reconstruction & Health Monitoring, Beijing 100044, China 北京帝测科技股份有限公司, 北京 100012 北京帝测科技股份有限公司, 北京 100012 Beijing Digsur Science and Technology Co., Ltd, Beijing 100012, China Beijing Digsur Science and Technology Co., Ltd, Beijing 100012, China 数字化方式是传播遗产价值的重要手段之一，长城作为世界上最大的线型文化遗产具有独特的历史、艺术和科学价值。在文化遗产数字化保护的长期发展中，以往人们较多关注考古器物、字画、文稿等可移动文物和大型佛龛、壁画等不可移动文物领域的数字化修复，但是对长城遗址的数字化修复研究极少。本文立足于数字化修复中多源证据的重要性，结合长城的原貌价值及真实性保护理念，总结了长城数字化修复的基本概念；提出了从领域知识构建、证据转化、证据融合、语义建模到知识服务整个过程的长城数字化修复总体思路，并分析了面临的3个基本问题，包含长城认知、数据采集及证据转化、复原理念及实现问题；继而从长城领域知识构建、数字化修复关键技术和面向需求的知识服务3方面阐述了长城数字化修复的研究方向与重点；最后以九眼楼为例，介绍了数字化修复框架下的修复成果。 Digitization is one of the most important means of spreading heritage values. Nowadays, as one of the symbols of ancient civilization, the Great Wall of China has a great and irreplaceable historical research value, especially in military architecture, technology, and art. In the long-term development of the digital protection of cultural heritage, people have been paying more attention to the digital restoration of movable cultural relics, such as artifacts, calligraphy, painting, manuscripts, and immovable cultural relics, including large Buddhist shrines and murals. However, studies on the digital restoration of the Great Wall ruins remain scant. On the basis of the value demand of the Great Wall protection and the research foundation of digital restoration, this study argues that authentic evidence is the key factor affecting scientific restoration and puts forward the criterion that the digital restoration of the Great Wall should be consistent with the “original appearance” and “authenticity” of the Great Wall. This paper summarizes the basic concepts of the digital restoration of the Great Wall and puts forward the general ideas of the Great Wall digital restoration in terms of domain knowledge, evidence transformation, evidence fusion, semantic modeling to knowledge service. This paper also discusses the three basic problems of the digital restoration of the Great Wall, namely, the cognition of the Great Wall, data collection, evidence conversion, and the concept and implementation of restoration. Aiming at these basic problems, three research directions are proposed, that is, knowledge construction in the field of Great Wall digital restoration, key technologies of digital restoration, and knowledge service. The construction of the knowledge of the Great Wall deepens the cognitive category of the Great Wall. The key technologies are the implementation of spatial geographic information 3S technology, deep learning, and semantic modeling. The knowledge service of the digital restoration of the Great Wall can provide services for the sustainable preventive protection of the Great Wall, experts, and the public. Finally, taking Nine Eyes Watchtower an example, the restoration results under the framework of digital restoration are introduced. The results of the digital restoration of the Great Wall are not absolute. Its greatest advantage is that it can accept the public's judgment and the emergence of new evidence at any time, rendering the digital restoration of the Great Wall as a dynamic and open research process. The significance lies in the integration of multi-disciplinary advantages, showing the restoration process of the Great Wall to different groups, such as departments, experts and scholars, and the public; Furthermore, from the perspective of the protection of the Great Wall, digital restoration is a supplement to the strategy of “original site protection and original state protection,” respecting physical protection and giving full play to the advantages of digital means. The digital restoration framework can not only provide a scientific, humanistic, and feasible scheme for the digital restoration of the Great Wall, but also provide a new reference for the restoration of other ancient sites. 长城 遥感 多源数据 证据 语义 数字化修复框架 九眼楼 the Great Wall remote sensing multi-source data evidence semantic digital restoration framework the Nine Eyes Watchtower 1　引言 1 长城作为中国现存体量最大、分布最广的线型文化遗址于1987年被列入世界文化遗产名录之中，而且是传播中华文化的重要窗口（ Tao和Zan，2011 Tao和Zan，2011 ； 刘素杰，2020 刘素杰，2020 ）。长久以来，对长城历史、艺术、科学价值的挖掘是推动长城研究从认识层面（ 罗哲文和董耀会，1990 罗哲文和董耀会，1990 ）到“长城学”理论层面转化（ 田澍和马维仁，2019 田澍和马维仁，2019 ）的重要动力。例如，国内学者已在长城空间规划、军事防御体系、寨堡聚落形态演化、本体调查和病害监测等诸多领域展开了广泛研究，并取得了大量成果（ 税嘉陵 等，2019 税嘉陵 等，2019 ； 张保卿 等，2021 张保卿 等，2021 ； 赵海英 等，2007 赵海英 等，2007 ）。相较之下，针对长城原貌的潜在性研究却不多，事实上长城从原貌到遗址的变化是历经时空及自然因素的共同作用结果（ 杨申茂 等，2012 杨申茂 等，2012 ），其本体演变中内含的重要历史、艺术、科学、材料、结构和工艺等原真性价值信息也在不同程度上遭到了损失（ 裴诗雅和王艳，2020 裴诗雅和王艳，2020 ），这也致使了只有长城脚下少数长者才对其原貌和史实价值略知一二，但是这却是长城保护如今面临的现实困境（ 王珏 等，2015 王珏 等，2015 ）。 伴随空间信息技术和计算机技术的发展，将数字化修复技术引入到遗产保护领域已成为各国学者的共识，尤其在考古器物、字画、文稿等可移动文物和大型佛龛、壁画等不可移动文物领域（ Arbace等，2013 Arbace等，2013 ； Gomes等，2014 Gomes等，2014 ； Lanitis等，2012 Lanitis等，2012 ）。大量文献表明，修复证据是关乎科学修复的关键因素，根据修复证据的不同，可以划分为两类修复依据：（1）即根据文物状态、色彩、纹样等表观信息特征进行数字化复原，研究对象多以可移动的轴对称罐状文物和结构对称的青铜类文物为主，如陶罐缺损部位的数字化复原和兵马俑数字化碎片拼接等研究（ 李春龙 等，2006 李春龙 等，2006 ； 卢浩然 等，2015 卢浩然 等，2015 ； 税午阳 等，2015 税午阳 等，2015 ； 杨必胜 等，2016 杨必胜 等，2016 ）；（2）即突破了以文物外观特征为依据的修复思路，开始融入以历史记载、材料、结构和修复时间节点等内在信息为依据的判定标准（ Fukuda等，2015 Fukuda等，2015 ； Chen等，2018 Chen等，2018 ；Di等，2019），如清华大学 贾珺和贺艳（2016） 贾珺和贺艳（2016） 根据圆明园遗址状态，联合测绘数据、文献记录和老照片，将其复原到初建时的辉煌状态； Chen等（2016） Chen等（2016） 结合蜀道遗址的三维数据、材料的结构和力学特性，完成了褒斜古栈道的数字化复原；国外Soto-Martina等（2020）根据历史建筑的手绘草图、古照片、艺术史和现代摄影测量数据等多维证据，复原了圣奥古斯丁教堂的三维重建任务等。事实上，数字化修复是一项基于多学科交叉融合的应用性研究，针对长城数字化修复研究，除了有必要借鉴文物数字化修复的一般思路外，还应充分认识到诸如历史记载、修复时间节点、建构材料、结构、技艺等证据的重要支撑。 本文借鉴数字化修复思路与长城保护理念，充分认知《长城保护条例》、《长城保护总体规划》等保护文件关于“不改变文物原状”原则的指导意见，其中“原状”不仅指外观形貌的“原貌”，还指长城所内涵的一切历史、艺术、科学、材料和工艺技术等无形的原状信息（ 李骥和翟斌庆，2016 李骥和翟斌庆，2016 ）；同时尊重学界对长城“修旧如旧”的普遍共识（ 吴铮争和赵荣，2014 吴铮争和赵荣，2014 ），深化对“旧”所含意义的理解，忠实体现长城遗址的岁月痕迹，最大限度保存其肌理的真实性；另外，借鉴《奈良真实性文件》关于真实性的阐释，即既要保持形式与设计、材料与物质、用途与功能、传统与技术的真实性，也要传承精神与感情等内在的真实性（ 徐桐，2014 徐桐，2014 ）。 本文基于以上研究思路，提出了长城数字化修复的基本概念和总体思路，分析了面临的基本问题；提出了今后的研究方向；构建了长城数字化修复框架；继而以九眼楼长城为例介绍了数字化修复成果。 2　基本问题 1 长城数字化是指对长城的数字化表达，包含了长城几何信息、组成结构、材料、工艺及长城所处地表、地形、长城构筑物位置及环境关系、数据记录和时空转换所得的结果；现实修复是“一种高度专业化的操作”，是在尊重考古和历史研究基础上不抹去历史的痕迹，尽可能展现出原形制、原结构、原材料、原工艺和最佳环境的整治效果（ 常青，2009 常青，2009 ； Carbonara，2012 Carbonara，2012 ）。结合《塞维利亚宪章》可知，长城数字化修复概念则是根据长城现有物理证据（历史、形制、结构、材料、工艺和环境等信息）的比较分析，以及考古和其他研究所形成的对其历史沿革、空间格局、构成要素、建构法则和修复方法的系统性认识；并试图借助数字化手段将其恢复到过去某个历史时间节点以展示长城原貌潜在的最大价值（ Lopez-Menchero和Grande，2011 Lopez-Menchero和Grande，2011 ）。 图1 图1 给出了长城数字化修复的总体思路。首先，综合相关领域知识，主要包含长城本体知识、历史沿革信息、时空地理知识、领域文献知识、专业和非专业知识等，明晰与长城数字化修复相关的材料结构、空间环境、建造工艺、历史演变和重要历史节点等相关信息，并对获得的各种知识进行凝练与表达，以便完善长城的认知范畴；其次，对获得的各种知识进行多源数据采集和证据提取，采用证据层级进行归纳和总结，完善从数据获取到证据转换及评估的完整机制，为长城数字化修复奠定基础；然后，把获取的各类证据进行多源融合表达，推演出长城数字化修复前的复原方案；继而，利用修复技术重建缺损或损坏的部位；最后，面向长城数字化修复应用需求提供多样化的知识服务。在整个修复思路中，长城数字化修复至少会面临3方面的基本问题。 （1）长城认知问题。过去对长城的认知和表达，长期关注在长城资源调查、现状分析和保护利用等宏观范畴（ 赵有松，2011 赵有松，2011 ； 蒲天彪，2011 蒲天彪，2011 ），而缺乏历史沿革、时空演变、时空地理、人文历史和建构科学等方面的层次化认知，这直接影响到长城文化遗产的原真性和完整性表达。早在20世纪90年，罗哲文即提出“长城学”概念（ 罗哲文和董耀会，1990 罗哲文和董耀会，1990 ），旨在重视文献史料、考古材料和遗址考察，强化对长城历史的综合性认知能力。因此，从长城空间人文角度能够极大地提高对空间地理信息、历史信息与现状信息的认知范畴（ 张玉坤，2019 张玉坤，2019 ）。长城历史演变是各种领域知识共同作用的结果，主要涉及历史沿革、时空地理变化、人文社会变迁、遗址本体、使用状况等多方因素，只有在完整语义下才能真实刻画长城的系统演化过程，最大限度地还原历史的真实性（ 曹迎春，2015 曹迎春，2015 ）。 此外，长城复原历史节点的确认与其演变密切相关。 姜亮夫（1987） 姜亮夫（1987） 在《敦煌学规划私议》中提出“定时”的说法，肯定了历史年代在研究中的重要价值；长城是随着朝代更迭和军事驻防不断变革的军事产物，其演变过程出现的残缺和价值是历史结果的原真性体现；布兰迪也曾提出重建文化遗产潜在价值一体性的修复论断（ 杜骞和曹永康，2019 杜骞和曹永康，2019 ），事实上，不同的价值对应不同的历史阶段，历史塑造了价值的时间属性（ 图2 图2 ）。关于长城数字化修复时间与价值关系的论断正是基于对“定时”的认知判断，是在某段更具历史意义时间节点上对长城潜在一体性的修复，体现的是长城原貌在特定时间节点的价值再现。因此，基于时空语境，结合历史地理学、长城建筑学、军事史、文化社会、地理信息与计算及分析技术，才能获取全面真实的遗产信息，构建多层次长城领域知识。 （2）数据收集与证据转换问题。人们对过去的理解基本上是基于想象，这导致对历史的认识总是不能确定，而证据是历史的痕迹也是文化遗产过去最可能样子的载体（ Gentry和Smith，2019 Gentry和Smith，2019 ）。科学修复中重要的问题就是证据问题，自20世纪80年代以来，空间信息技术已初步应用在长城资源调查领域（ 于冰 等，2015 于冰 等，2015 ），如，卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）等3S技术能够增强在宏观、中观、微观不同尺度，二维、三维、四维不同维度的数据获取能力；在获取数据类型方面， 吴冲龙等（2020） 吴冲龙等（2020） 将地物化遥感探测所获得的数据定性为结构化数据，将语言描述、素描、草稿等口头或纸质载体的部分定性为非结构化数据（ 吴冲龙 等，2020 吴冲龙 等，2020 ）；在数据处理方面，已经能够初步凭借计算机视觉、深度学习实现对证据的识别和提取能力（ 王立鹏 等，2020 王立鹏 等，2020 ）；在证据组织方面，Byzantine1200项目利用多颜色层次以达到区分不同证据源的目的，如考古、历史文献、数字影像、传说等（ Ortiz-Cordero等，2018 Ortiz-Cordero等，2018 ）；综合以上3S技术、数据处理、证据组织，能够将诸如遥感、无人机影像、三维激光点云等结构化数据转换为具有多重尺度、多重维度，且涵盖空间定位、几何形态和属性的定量类证据；将技艺传承、文本记录、历史典籍、口头描述等非结构化知识转换为定性类证据。 （3）复原理念和方法的实现问题。数字化修复既要充分顾及现实修复的理念，也要发挥数字化的语义优势。复旦大学联合日本京都大学在世界文化遗产奈良大极殿的复原研究中总结了4个方面的修复理念，即：考古发掘、精细多样化调查、注重传统工序做法、现代科技和适当材料的补充等（ 石鼎 等，2017 石鼎 等，2017 ）；在数字化优势方面， Liu和Wu（2016） Liu和Wu（2016） 提出的规则驱动古建筑建模方法，能够实现模数制和古建筑树形拓扑结构向规则建模的转换，比如，形式化定义构件的尺度、方向、位置属性和驱动方法，该方法的优势是能够精准表达营建的规则且自动化程度较高。针对长城数字化修复最重要的是既要精准把握长城遗址复原的理念，也要发掘能够支撑几何生成的语义建模方法。 3　研究方向 1 长城数字化的目标不仅仅是创建数字化展示成果，而是在遵循长城保护原则的前提下，挖掘长城所包含历史、艺术、科学、材料和建造技术等无形信息（ 陆寿麟，2012 陆寿麟，2012 ）的过程。在此过程中，长城数字化修复面临着诸多新问题、新挑战，今后应从长城领域知识构建、数字化修复关键技术、面向应用需求的知识服务3个方面加强研究。 3.1　长城领域知识构建 2 长城知识是用来描述时空地理、建构法则、历史演变和社会人文的多层次内容。根据复原需求从长城历史沿革、建造时序角度对演变过程进行多方因素的挖掘、提取，并且结构化、关联化有用信息形成长城领域知识的构建，如 图3 图3 所示。 由 表1 表1 可知，长城领域知识共涵盖5种不同层面的知识类别，其中现状地理知识是指长城遗址及周边各要素的地理位置、边界、数量、走向等分布特征，是现存长城遗址地理空间信息的最近状态；而历史地理知识表征的是长城在不同朝代的地理分布、走向，以及不同点段所属军镇，这与长城的历史规模和等级密切相关；二者知识的融合能够描述长城遗址在时空地理、空间区划的演变轨迹。领域文献知识是根据史书或考古实物能够说明不同历史节点的长城修建史，涉及始建、续建或者修复等；专家知识和民间隐含知识是专业与非专业的互为补充信息体，也是修复论证的补充和参考；建造时序是对历史沿革的总结也是领域知识构建的结果之一，其中数字化复原时间的确认是建造时序的重要价值节点。 领域知识 来源 内涵 表达方式 现状地理知识 地理信息公共服务平台、地理信息知识服务系统、专题网站等 长城遗址及周边各要素的地理位置、边界、数量、走向等分布特征，主要是体现现存长城遗址的地理空间信息状态 用以表明长城遗址要素空间位置与地理背景的DOM、DEM数据记录、文字描述 历史地理知识 学术专著、历史地图集、历史地理信息数据库及网站等 长城在不同朝代的地理分布、走向，以及不同点段所属的军镇，这与长城的规模和等级密切相关 古代长城分布版图、古代区划地理图、古代军事地图、古代城址规划图等栅格图 领域文献知识 学术专著、学术网站、专题博物馆、文物部门专题资料库等 长城的修筑经历了始建、续建、修复不同的历史阶段，根据史书或者考古实物能够说明长城在不同历史节点的修建史 建造时序表、文字描述 专家知识 学术专著、学术网站、学术论文、基金项目、学术组织等 融合长城遗产、建筑遗产保护领域由专家、学者等参与的学术项目或成果产出的多种知识体 文字描述、栅格图片、公开数据等 民间隐含知识 民间故事、长城修筑传说、史话、长城记忆等 作为专家知识的重要补充，搜集长城遗址周边聚落中有关建造年代、典型历史故事等方面的非常规知识 口述、传说 3.2　数字化修复关键技术 2 长城数字化修复过程复杂，技术因素众多，前期涉及多源数据获取，后期面临证据识别提取和自动化语义建模的问题。针对长城数据获取，通常具有高效的影像采集手段和数字化处理的软件载体，因而这些数据具有易用、可处理的特性；而诸如实地采访、历史文献、图本典籍则是不宜直接处理的文本类介质资源。 本文基于多源异构的数据特征，提出结构化和非结构化的时空数据矩阵概念。首先，利用3S技术从多空间维度获取长城构成要素的结构化数据；其次，从时间维度结合实地采访、考古、历史文献等方式从文本资源中抽取非结构化信息。面对结构化与非结构化的数据采集任务和证据转化问题，综合引入“人工+数字化”的数据采集策略和基于深度学习的证据提取方法。 （1）“人工+数字化”的数据采集策略。数字化复原过程涉及古代建造理论、工艺和计算机数字化等手段，因此，针对语义繁复的古代纸质文献有必要采用“人工”综述的方式提取史料中的有用信息，如前述中关于领域知识的构建，而不适宜采取像网络文本一样的机器自然语言处理方法。对于长城地理空间信息则可以采用“数字化”方式从不同空间尺度进行数据的获取，如 图4 图4 所示。首先，凭借遥感、无人机、三维激光扫描仪的数据采集方法，获取在宏观、中观、微观不同尺度和二维、三维、四维不同维度的墙体、敌楼、烽燧、营堡等不同构成要素的证据信息。这种采集方法能够为数字化修复提供建筑材料、结构、构造和建筑技艺的相关证据细节，是构建长城二维平面、三维模型及四维时空动态模型的数据基础。 （2）基于深度学习的证据提取。图像和点云的深度学习技术已成为多源数据高效识别与分类、提取与融合的有效手段（ 阚希 等，2016 阚希 等，2016 ； 张佳颖 等，2020 张佳颖 等，2020 ）。对于融合了无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描仪的完整点云数据，点云切片功能可以获取长城墙体或敌楼内部的结构类型、构造层次等隐含的证据信息。在图像方面，主要体现为不同空间尺度下长城的识别和提取，其一，从大尺度遥感数据中识别敌楼及边墙的分布；其二、从中观尺度数据中提取敌楼或边墙的形制、结构、几何特征和正射影像等数字信息；其三、从微观尺度数据中识别材料类型，并提取分层的构造信息。以长城墙体构造为例（ 图5 图5 ），利用DeepLab 语义分割法，能够分割出长城夯土墙裸露的构造层信息，几何特征信息。 （3）证据驱动的自动化语义修复。传统修复虽然是经验性的实践行为，但是在修复理念中注重“一致性”的表达，在方式上注重技法、材料等信息的“返原”追求（ 张鹏宇，2019 张鹏宇，2019 ； 侯妍妍，2016 侯妍妍，2016 ）。因此，在长城数字化修复前有必要设计科学的证据评估方法，以满足对证据原真性表达。如 图6 图6 所示，证据评估框架包含了证据分类、佐证的内容以及证据检核等步骤。另外，以数据驱动的数字化修复方法具有时耗低、无接触、数字化肌理与本体相一致的自然优势，还具有形状描述、部件关系分析和自动化程度高的典型特征。因此，构建以证据驱动的自动化语义修复，则要更加强调传统修复与数据驱动修复在原真性、肌理一致性以及自动化程度高等方面的融合优势。在此基础上，构建出以长城形制表达、材料肌理、结构构成、工艺流程等证据驱动的数字化语义信息（ 图7 图7 ），然后创建计算机可识别的脚本语言对其进行规则表达，整个流程是长城数字化修复其时空地理、历史演化和原真性价值表达的重要基础。 3.3　面向应用需求的知识服务 2 知识服务是指从数据资源中按照不同层面的需要提供有意义的信息传播与服务（ 李敏 等，2021 李敏 等，2021 ）。以往人们较为关注受自然和人为因素影响的长城遗址手动加固的保护方式，虽然提高了长城本体的现状可靠性，但是面对不可抗拒的致灾因子，抢救性等保护措施并不能完全有效挽回损失，随着大数据时代来临以及数字人文观念的深化，遗产修复已经逐步从传统修复向涵盖遗产本体、自然、人文艺术、社会经济；向体现历史世界、融媒体信息世界和现实地理世界的人机物三元世界发展。基于保护需求及内涵的转变，可研究面向实际应用需求的多样化知识服务，即长城遗产安全风险监测与评估（ 刘文艳，2018 刘文艳，2018 ）、专家领域知识服务（周新跃，2015）和面向公众价值传播的知识服务等（ 李一苇和赵红蕊，2018 李一苇和赵红蕊，2018 ）。 面对长城破坏、损毁等不确定性风险因素及动态管理中力量薄弱的诸多难题。构建以长城数字模型为载体的实时动态风险监测与评估平台，其作用在于实时监测长城遗产地风险因子的动态变化情况，并及时判断发展趋势，为实施预防性保护提供预判依据。 面对专家知识所具有的专业性、目的性和连续性等特征。以数字化手段面向长城考古数据记录、建构知识挖掘、遗产保护专题知识交流和长城文化遗址研究等诸多方面，提供全方位知识服务。 面对长城保护工作中价值传播及数字文化产品的应用瓶颈问题。研究面向公众的虚拟复原及古代建构技术动态展示，构建支撑长城保护、数字博物馆展示、影视题材制作和出版等业务。 3.4　长城数字化修复框架 2 基于以上研究方向的论述， 图8 图8 给出了长城数字化修复研究框架。根据复原逻辑，框架共包含7个组成部分，分别是长城认知、基于时空维的数据获取、证据层级、证据评估、基于多源证据融合的修复方案推演、证据驱动的自动化语义建模和面向应用需求的知识服务。首先，长城认知是数字化修复的前提，也是领域知识的认知基础。在此基础上，明确结构化和非结构化数据源，针对多源数据特征识别提取不同的证据类型。根据证据强弱关系，将不同属性证据向证据层级转化，建立3级证据层级，并完善去伪留真的证据评估机制（ 刘小玲 等，2020 刘小玲 等，2020 ）。然后提出证据融合的推理思路，推理出融合建筑学、建造工艺、古代工程技艺、材料、结构、图本记载的长城复原方案。根据复原方案，构建长城数字化修复语义插件，在计算机中实现自动化语义的虚拟修复。最后，结合长城保护不同层面的保护需要，面向长城遗产安全风险监测与评估、专家领域知识服务和公众传播提供多样的知识服务。 4　实例研究 1 九眼楼位于北京市延庆区四海镇，坐落在海拔1255 m的火焰山上，它始建于明初，距今已有600多年历史。因为敌楼的四面墙体各有9个箭窗，所以又被称为九/眼楼（ 华夏子，1988 华夏子，1988 ）。在自然和历史因素的长期作用下，自此演变为仅存基座和一层的残损状态，由此定格了九眼楼延续至今的形貌（图9（a））。 根据复原需求，此处九眼楼领域知识构建的主要目标是确定复原到哪个历史节点，因此会较多地涉及到建造时序、文献记录和碑帖撰文等方面的历史沿革知识。例如，根据石刻记载（ 王岩， 2018 王岩， 2018 ），九眼楼在1466年之前还是实心墩台，因此也称火焰墩，到1544年（嘉靖）由实心改建为空心敌楼，其形制包含了基座、第一层和第二层，共3部分；这与《四镇三关志》（1576）、《明长城蓟镇图》（1583）和《练兵实纪》（1597）等史书所记述的空心敌楼的三段式形制和建造时序（16世纪）基本吻合；而且九眼楼作为北京地区（明朝的四镇、宣府地区）中形制最高的空心敌楼，在结构、材料、工艺等方面具有极高的历史及建构科学价值，因此本研究拟以1544年作为九眼楼复原的历史节点。图9（b）则表征了九眼楼已消失的楼面结构和铺舍部分，研究拟通过数字化修复方法对其进行历史原貌的恢复。 4.1　研究策略 2 本研究根据长城数字化修复框架提出了基于九眼楼数字化修复的具体流程。如 图10 图10 所示，其包括3部分：（1）证据获取及证据内容的确认，包含获取的现存证据、直接证据和间接证据；（2）多源证据融合的虚拟修复方案推演；（3）九眼楼三维语义模型的生成。 4.2　证据获取 2 为了构建一个广泛的证据获取方法，本研究引入多尺度证据概念，该概念最初是由Portus Theodosiacus提出并用于Byzantine 1200修复项目（ Ortiz-Cordero 等，2018 Ortiz-Cordero 等，2018 ）。虽然概念的初衷是用10类不同的颜色区分证据源，但这种高饱和度的非渐变色的分类方法在视觉上并不能直观反映证据有效性的梯度变化而且证据分类繁多。为了克服这一问题，本研究适应性地将10类证据层级色彩统一为同色系的渐变模式，并把证据规模概括为现存遗迹证据、直接证据和间接证据，共3个层级规模（ 图11 图11 ）。 （b） 已坍塌部分 （a） 九眼楼区位（40°28′N，116°30′E） （b） The collapsed part （a） The location of the Nine Eyes Watchtower 40°28′N， 116°30′E 图9　九眼楼区位和已坍塌部分 Fig. 9　The location of the Nine Eyes Watchtower （40°28′N，116°30′E） and the collapsed part （1）现存证据。现存证据是指通过数字化手段提取现存遗址当前状态的证据信息，是对现存遗址真实状态的映射，反映了其客观的真实性。在研究中使用机载相机成像系统收集敌楼外部及环境的影像数据（幻影4 RTK）。该系统可提供五向飞行的摄影测量功能，相机的地面采样距离（GSD）可控制在2.5 cm范围内，对重叠率低于80%的相邻连续拍摄照片进行相应剔除，最终保留515张可用照片，以满足拍摄照片能够符合三维重建的需求。地面激光扫描仪负责采集敌楼内部的点云数据，结合纹理相机采集敌楼肌理的纹理数据，过程如 图12 图12 所示。利用Agisoft PhotoScan软件，将原始图像、定位系统（POS）数据和摄像机标定参数添加到其中，对点特征进行检测和匹配，并对每幅航拍图像的相机位置进行精确估计，建立密集点云，生成的三角网模型和三维状态模型（ 图13 图13 ）。 1,2;3,4; 基于深度学习，从3D点云图像中利用DeepLab3+网络分割出墙体中的砖块（ 图14 图14 ），利用SCENE 3D点云处理软件手动获取砖块的几何信息（ 图15 图15 ）。 1,2; （2）直接证据。直接证据是直接针对目标对象的描述或记录性证据，通常包括记载、老照片或影印材料等。针对九眼楼的直接证据是两张老照片（ 图16 图16 ），照片中的木柱孔有规律地分布在外墙的顶部，可以推测九眼楼有可能是在明代由木柱支撑的梁板结构，而不是敌楼中常见的筒拱结构。此外，九眼楼残存的吐水嘴暗示了台顶的雨水能排到一层，因此原始的水口位置一定不会与屋面板相冲突。 （3）间接证据。间接证据是对以上两类证据的补充，大多源于间接文献或相似证据。基于时空维矩阵，从时间维度获取具有时间属性的非结构化知识（ 图17 图17 ），如历史文献和图式中已表明敌楼由3部分构成，即底层、第一层和第二层（铺舍层），而且铺舍层是具有中国古典建筑风格的歇山式大屋顶建筑；另从空间维度寻找相似的间接证据，发现九眼楼沿线同时空其他敌楼的铺舍都为硬山式屋顶类型，而且之上装饰性构件更为齐全，有望兽、跑兽分别置于正脊和垂脊之上，铺舍空间大都由砖砌筒拱构建而成（ 图18 图18 ）。 （4）证据内容的明确。证据检核的目的之一就是明确多源证据的不同内容及指向。目前已获知的有拱券型、筒拱型和木柱支撑的梁板结构，共3种可能的结构类型。结合现存证据和间接证据能够明确不同的结构有不同的应用特征：1）拱券型结构主要被用来构成敌楼窗洞；2）筒拱型结构主要被用来创造室内空间，同时承托上层屋面重力；3）木柱支撑的梁板结构，用来搭建下部的走廊空间，同时承托上层屋面的活荷载（如驻守的士兵）。此外，铺舍屋顶有2种可能的类型，（1）出自古代历史文献的歇山式屋顶类型；（2）基于同时空地域中的硬山式屋顶类型。 4.3　多源证据融合的九眼楼修复方案推演 2 根据史料依据，九眼楼待修复部分包括第二层的楼面结构和铺舍形制。因此，接下来的任务是通过3类证据中关于建筑形式、结构、材料、工艺等方面的证据推演已经消失的楼面结构和铺舍形制。 关于楼面结构的推演。根据直接证据和残留的木柱洞痕迹，表明第二层楼面应该是木柱支撑的梁板结构类型。原因是现存遗址中已残留的木柱孔洞是解释木结构的决定性因素。根据建筑学的建构原则，楼面层及屋面排水的推演构造如 图19 图19 所示。 1,2; 关于铺舍形制的推演。在两类证据中，歇山式屋顶证据来自文献和图式，而硬山式屋顶证据则来自客观现实世界。如明代四镇、宣府地区极少留下完整歇山式屋顶遗迹的历史遗存，而且原始敌楼残迹几乎保持着硬山的建筑特征和上中下三段式的形制。因此，可以推断出九眼楼为传统硬山式建筑屋顶类型的可能性较为合理。通过Autodesk CAD对九眼楼的几何信息进行描述，结合建筑学领域建构知识，推演出九眼楼的复原方案，如 图20 图20 所示。 1,2,3;4,5,6; 4.4　数字化修复 2 根据九眼楼复原方案运用3DMAX软件对倒塌后的敌楼进行虚拟修复。如 图21 图21 所示，点云融合后的状态模型基本保留了敌楼的形态、材料、结构和尺寸等原真性特征信息，将提取的敌楼形制、结构、材料和工艺等特征信息定性为不同的语义信息，然后将语义信息转化为XML文档，再采用XBML解析器将XML代码转化为3DMAX可内置的脚本语言，形成具有不同修复要素的预制组件。主要的修复过程分4步：（1）重建已坍塌的楼面结构。基于木柱支撑的梁板结构，在3DMAX中运用设定好的木组件修复第二层的楼面结构，并预留士兵上下的梯井洞口，在楼面层修复完整后，依次修复与垛墙相关的砖檐、吐水嘴、礌石孔、射口等构造部位。（2）在3DMAX中依据复原方案以“一顺一丁”的错缝搭接方法重建铺舍墙体部分，利用筒形拱构筑铺舍的内部空间。（3）在3DMAX中重建硬山屋顶和装饰性构件，将屋顶板瓦、筒瓦，以及装饰性望兽、垂兽和跑兽等插件，通过虚拟的建造工序将其逐步赋予到屋顶部位。（4）复原敌楼周围的环境要素，如：山体、树木等，并对敌楼本体及其环境进行渲染， 图22 图22 展现了九眼楼在1544年倒塌前的原貌。 该项目是北京市延庆区政府启动长城数字保护的行动之一，其中知识服务的一个目标便是利用无人机倾斜摄影、激光点云等技术，获取长城基础地理空间信息，进行数据采集和三维建模，形成精准、系统的长城数据；更重要的是，通过数据采集和虚拟复原，打破了时间与空间的界限，让人们看到历史遗迹的本来样貌，让曾经遥远的历史文化变得更平易近人，为虚拟修缮和将来的长城保护提供科学的数据支撑和专业意见；也拟为后期三维空间信息数据库建设、常态化巡查、长城遗产保护应用研究奠定基础。 5　结语 1 数字化修复是文化遗产保护当中集修复理念、价值挖掘和技术复现于一体的研究过程。虽然数字化已在众多文物保护领域有了一定程度的研究基础，但是，面对中国大部分已断壁残垣的长城遗址，长城数字化修复仍然是一个较新的研究方向。 本研究从长城保护的价值需求出发，结合文物数字化修复的研究基础，探讨了原真性证据是影响科学修复的关键因素，提出了长城数字化修复应与长城“原貌”和“真实性”保持相一致的准则。并探讨了长城数字化修复至少会面临3方面的基本问题，即，长城认知、数据收集与证据转换和复原理念与方法的实现等问题。针对基本问题，研究提出了面向长城数字化修复的领域知识构建、数字化修复关键技术、知识服务的3个研究方向。其中，长城领域知识的构建深化了长城认知的范畴，同时也是数字化修复的认知前提；修复关键技术是关于空间地理信息3S技术、深度学习和语义建模等方面的技术实现，并且创建了长城数字化修复框架，明确了数字化修复的整体组织逻辑；最后通过九眼楼数字化修复实例探讨了敌楼在长城数字化修复中的组织思路，为长城的可持续性预防性保护、专家和公众提供服务。 事实上，长城数字化修复结果并不是绝对的一成不变。它的最大优势是能够接受来自公众的评判与新证据的出现，因此长城数字化复原是一个动态开放的研究过程。它的重要意义在于能够发挥多学科交叉的融合优势，面向不同的群体，如部门、专家学者和公众展示长城的复原过程，包括长城材料、结构构造、修建技艺的表达等；另外从长城保护的角度出发，数字化修复是对“原址保护、原状保护”策略的补充，既尊重了实体保护的在地性，也发挥数字化在探索长城原貌方面的虚拟优势。数字化修复框架不仅能为长城数字化复原提供科学的、人文的和可行性的方案，也为其他古遗址修复提供了新的可借鉴思路。 参考文献（References） Arbace L , Sonnino E , Callieri M , Dellepiane M , Fabbri M , Idelson A I and Scopigno R . 2013 . 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Research on Library Science, (8): 51-56 (周新跃 致谢:北京市建筑遗产精细重构与健康监测重点实验室的支持，还有延庆区文物管理所和北京帝测科技股份有限公司的帮助， 在此表示衷心的感谢！ 10.11834/jrs.20211183 1007-4619（2021）12-2365-16 李宗飞，董友强，侯妙乐，王坚，信泰琦.2021.长城数字化修复的基本问题与研究方向.遥感学报，25（12）： 2365-2380 李宗飞，董友强，侯妙乐，王坚，信泰琦.2021.长城数字化修复的基本问题与研究方向.遥感学报，25（12）： 2365-2380 Li Z F，Dong Y Q，Hou M L，Wang J and Xin T Q. 2021. Basic issues and research directions of the digital restoration of the Great Wall. National Remote Sensing Bulletin， 25（12）：2365-2380 Li Z F，Dong Y Q，Hou M L，Wang J and Xin T Q. 2021. Basic issues and research directions of the digital restoration of the Great Wall. 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