长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架构建

长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架构建 Information technology methodology of the protection and utilization of the Great Wall Cultural Heritage System 1 first-author 张智，1989 年生，男，博士研究生， 研究方向为城乡规划技术科学。E-mail： zhang.zhi8899@qq.com 张智，1989 年生，男，博士研究生， 研究方向为城乡规划技术科学。E-mail： zhang.zhi8899@qq.com zhang.zhi8899@qq.com 1 corresp 党安荣，1964 年生，男，教授，研究方向为城乡规划技术科学。E-mail：danrong@mail.tsinghua.edu.cn 党安荣，1964 年生，男，教授，研究方向为城乡规划技术科学。E-mail：danrong@mail.tsinghua.edu.cn danrong@mail.tsinghua.edu.cn 2 1 3 4 5 清华大学 建筑学院 国家文物局重点科研基地(清华大学), 北京 100084 清华大学 建筑学院 国家文物局重点科研基地(清华大学), 北京 100084 School of Architecture and Key Scientific Research Base of National Cultural Heritage Administration, Tsinghua University, Beijing 100084, China School of Architecture and Key Scientific Research Base of National Cultural Heritage Administration, Tsinghua University, Beijing 100084, China 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 102616 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 102616 School of Geomatics and Urban Spatial Informatics, Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616, China School of Geomatics and Urban Spatial Informatics, Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 102616, China 内蒙古工业大学 建筑学院, 呼和浩特 010051 内蒙古工业大学 建筑学院, 呼和浩特 010051 School of Architecture, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China School of Architecture, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China 山西师范大学 地理科学学院, 太原 030031 山西师范大学 地理科学学院, 太原 030031 School of Geography Science, Shanxi Normal University, Taiyuan 030031, China School of Geography Science, Shanxi Normal University, Taiyuan 030031, 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 Ltd., Co, Beijing 100012, China Beijing Digsur Science and Technology Ltd., Co, Beijing 100012, China 基于长城文化遗产保护与利用的内在需求和长城学理论，首先明确信息技术作用于长城文化遗产保护与利用的内涵。然后运用数字孪生理论与方法，结合新型信息技术发展趋势，探索长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架。该方法框架以“循证分析”与“科学推演”两部分为关键内容，涵盖长城文化遗产数据采集技术方法、模型构建技术方法、定量分析技术方法、虚拟修复技术方法、展示传承技术方法等5个方面。基于该方法框架进一步构建面向长城文化遗产保护与利用研究的技术方案，并以山西省老牛湾堡为例说明该技术方案的具体应用路径。方法框架和技术方案的提出不仅立足于解决长城文化遗产数字化表观与外形的问题，更要揭示长城文化遗产的内涵与实质，有助于从根本上实现长城文化遗产体系的有效保护与永续利用。 This paper sorts out a set of information technology framework suitable for protecting and utilizing cultural heritage, especially the Great Wall Cultural Heritage, under the background of the great development of information technology. By combing the previous literature, this paper summarizes the relevant research progress and shortcomings at home and abroad and then proposes a comprehensive and systematic method framework and technical plan. First, the Great Wall cultural heritage is selected as the research object, because it is a complex object involving multiple types and scales of cultural heritage. Moreover, on the basis of the inherent needs of the protection and utilization of the Great Wall cultural heritage and the theory of Great Wall studies, it can be clarified that the role of information technology in protecting and utilizing the Great Wall cultural heritage is to promote the dynamic balance of the protection and utilization of the Great Wall cultural heritage through the application of information technology. Then, using the digital twin theory and methods, combined with the development trend of new information technology, this paper deeply explores the information technology method framework for the protection and utilization of the Great Wall cultural heritage. The reason why the concept and technology of the digital twin are introduced is that it can make the protection and utilization of the Great Wall Cultural Heritage no longer a passive record, but can actively simulate, deduce, predict, and feedback the physical space. Finally, guided by the method framework, the Great Wall Cultural Heritage of typical sample area is selected as the research object, guided by the actual protection and utilization needs of sample areas, the application logic of technology integration in the method framework has been combed, and then the scientific research results of evidence-based analysis and scientific deduction are generated. The method framework takes evidence-based analysis and scientific deduction as the key contents, covering five aspects: data collection technology method of Great Wall Cultural Heritage, model construction technology method, quantitative analysis technology method, virtual restoration technology method, and display inheritance technology method. Meanwhile, through the analysis and deduction of the method framework, it can be concluded that future research will focus on model construction and quantitative analysis in the part of evidence-based analysis. In the part of evidence-based analysis, future research will focus on model construction and quantitative analysis. The difficulty is to break through the correlation technology between entity model and semantic information. In the part of scientific deduction, virtual restoration will be the focus of future research, and the difficulty is the processing and organization of multi-source evidence level. Furthermore, taking Laoniuwan Fort in Shanxi Province as an example, on the basis of the method framework, a technical plan for the protection and utilization of the Great Wall cultural heritage is further constructed, and the specific application path of the technical plan is explained. The proposed method framework and technical solutions are not only based on solving the digital appearance of the Great Wall cultural heritage, but also revealing the connotation and essence of the Great Wall cultural heritage, which will help fundamentally realize the effective protection of the Great Wall cultural heritage system and sustainable use. 遥感 长城文化遗产 保护与利用 信息技术 循证分析 科学推演 remote sensing the Great Wall Cultural Heritage conservation and utilization information technology evidence-based analysis scientific deduction 1　引言 1 长城，一座承载了无数荣誉与记忆的丰碑，当前对它的有效保护和永续利用都面临着严峻挑战。这些挑战不仅来源于自然雨雪风霜持续地消磨侵蚀，也来源于人们有意或无意地践踏破坏。虽然通过立法和对重点段落的抢救修复及时有效地减缓了长城文化遗产消逝的速度，但面向长城文化遗产全面地有效保护和永续利用仍面临着巨大压力：一方面在实际工作中难以为长城文化遗产的修复、保护、管理提供系统的科学支撑；另一方面也因不同长城文化遗产段落属地管理的人才、资金、技术、设备等条件参差不齐，使得对长城文化遗产自然和人为损毁的干预不够全面系统。 信息技术的高速发展为突破这一瓶颈带来了新的契机（ 王心源和骆磊， 2020 王心源和骆磊， 2020 ）。以遥感、物联网、大数据与云计算、虚拟现实等为代表的新型信息技术被广泛运用于文化遗产保护的实践中（ 党安荣 等， 2021 党安荣 等， 2021 ）。信息技术带来的改变不仅是操作层面的，更是认识层面的。研究将信息技术作用于长城文化遗产的保护与利用，既为中国“创新驱动”的国家政策所倡导，亦是长城文化遗产保护与利用的内在需求。 长城文化遗产保护从调查研究和保护利用的角度看具有“地广、量大、技难”的特点。“地广”指的是长城作为世界上巨大文化遗产之一，仅中国境内就分布在16个省（市、自治区）内，不同段落所在地的自然、文化、社会、经济等背景都相差悬殊。“量大”源于长城文化遗产不仅分布广泛，而且连绵不绝，以国家文物局和国家测绘局对长城的首次普查为例，单图片数据就高达近十万张，形成的调查数据库总资源约5 TB（ 于冰 等，2015 于冰 等，2015 ），若加上后续定期更新的数据，调查统计样本之量大可见一斑。“技难”涉及长城文化遗产时空两个维度：首先长城文化遗产多地处野外，对实地调查研究造成了一定的难度和障碍；另外中国历史上各朝代对长城的建造活动跨越两千多年，很多长城段落都是在旧址上新建或修建并反复叠压，这对使用科学合理的方式修复和展现不同段落的长城是一个巨大的考验。若在足够的人力物力支撑下，“地广、量大、技难”的问题似乎可以迎刃而解，但对长城文化遗产保护和利用涉及到中国“属地管理”的文化遗产保护制度（ 于冰，2018 于冰，2018 ），更是一个长期动态的过程，这就需要全方位、多角度、因地制宜地平衡保护与利用之间的动态关系。 另外，从长城学的理论研究角度看，提高长城文化遗产研究的科学性以及多学科交叉的综合性是长城学理论发展的关键（ 罗哲文和董耀会，1990 罗哲文和董耀会，1990 ）。信息技术的引入，一方面从时空的维度延展了研究者对于长城本体的认识；另一方面对于信息技术的使用本身就是一个跨学科合作的过程，而基于信息技术搭建的合作平台，更可为多类型的学科交叉提供基础和支撑。当今信息社会，各类信息技术蓬勃发展，为长城文化遗产本体的保护和利用带来了新的技术手段，进而更好地解决以超大尺度线性空间为特征的长城文化遗产保护与利用的相关问题。更为重要的是信息技术的使用不能被单纯看作是传统研究方法的技术支持，它带来更多的是对本体认识、研究方法乃至管理制度的本质创新（ 王列生，2011 王列生，2011 ）。 因此可以将信息技术方法作用于长城文化遗产保护与利用的内涵归纳为：通过信息技术的应用来促进长城文化遗产保护与利用的动态平衡。而促进这一动态平衡的关键在于通过系统地循证分析来支撑长城文化遗产的有效保护，面向未来的科学推演来实现长城文化遗产的永续利用。 2　相关信息技术发展及应用进展 1 近年来，随着遥感、大数据、物联网、虚拟/增强/混合现实（3R）等信息技术的飞速发展（ 党安荣 等，2019 党安荣 等，2019 ），掀起了以三维虚拟重建（ 李旭健 等，2020 李旭健 等，2020 ）、遗产（或遗迹、遗址）虚拟修复展示（ 潘志庚 等，2020 潘志庚 等，2020 ）为核心的文化遗产保护与利用的新技术革命浪潮（ Di Giulio等，2021 Di Giulio等，2021 ； Pollmer，2020 Pollmer，2020 ； Dang和Wang，2021 Dang和Wang，2021 ）。 信息技术在长城文化遗产保护“循证分析”方面的发展现状是基础数据采集已具备一定基础，但对数据的挖掘还十分欠缺。在基础数据采集方面应用最多的是多源遥感技术（郭华东，1997； 尹宁 等，2005 尹宁 等，2005 ； 聂跃平和杨林，2009 聂跃平和杨林，2009 ； 陈军 等，2010 陈军 等，2010 ； 邓飚 等，2010 邓飚 等，2010 ； 陈军 等，2011 陈军 等，2011 ； 李哲 等，2018 李哲 等，2018 ），该技术还被拓展运用至长城文化遗产的日常监测管理当中（ 王刚 等，2018 王刚 等，2018 ）。基于不同国家工程、重大课题还形成了长城文化遗产数据库，例如：2007年—2012年，国家文物局和国家测绘局以“文物定性，测绘定量”的合作方式对中国境内的长城进行了全盘摸底，并形成了长城资源信息系统以及面向公众开放的中国长城遗产网（ http：//www.greatwallheritage.cn http://www.greatwallheritage.cn ［2021-04-29］）（国家文物局，2016）；天津大学 张玉坤等（2019） 张玉坤等（2019） 以明长城为研究对象，以GIS技术为基础技术支撑，构建了明长城防御体系基础信息数据库，并为其团队的其他研究提供信息支撑（ 曹迎春 等，2014 曹迎春 等，2014 ； 张昊雁和张玉坤，2015 张昊雁和张玉坤，2015 ）。在面向单一段落的长城文化遗产精密数据采集方面，研究人员综合利用三维激光扫描（ 王兵 等，2017 王兵 等，2017 ； 霍芃芃 等，2020 霍芃芃 等，2020 ）、红外摄影测量（ 杨璐 等，2021 杨璐 等，2021 ）等技术建立长城文化遗产室内外整体精细化模型。研究者也将信息技术与传统的田野调查、问卷调查等方法结合，拓展循证分析的研究路径（ 解丹 等，2020 解丹 等，2020 ）。将实体模型与语义信息结合的研究在长城文化遗产研究领域尚刚刚起步，通过将实体模型与语义信息模型相关联是几何数据走向“知识表达”（ 潘翔 等，2009 潘翔 等，2009 ）与“知识共享”（ 吴永兴和党安荣，2016 吴永兴和党安荣，2016 ）的重要途径，也是长城文化遗产信息化建模的技术挑战。 在循证分析方面存在3方面明显的不足：首先，长城文化遗产的种类是多样的，目前对明长城的研究相对深入，但明长城不能代表所有类型长城文化遗产的特点，其他年代的长城数据采集、更新与挖掘工作仍亟需进一步展开；其次，长城文化遗产受自然环境和人为作用的影响较大，因此长城文化遗产保护是一个动态的过程，无论是对文化遗产状态的更新还是对本体的再认识都需要不断地获取新数据；最后，需要对已积累的海量基础数据进行二次开发和再挖掘，并通过实体模型和语义信息的关联发现新知识，进而从本质上更深刻地认识长城文化遗产。 信息技术在长城文化遗产保护科学推演方面的发展现状是地区发展极度不平衡。面向研究者的维度，国内学者针对保存相对完好的明长城段落，基于无人机遥感获取大面积点云数据从而建立可视化三维模型（ http：//www.huaxia.com/zhwh/whbh/2019/11/6266756.html http://www.huaxia.com/zhwh/whbh/2019/11/6266756.html ［2021-04-29］），此类模型可达毫米级的精细程度，但缺乏产业化使用的二次开发，一次性投入成本过高；作为山西明长城防御体系重要组成部分的广武月亮门，在倒塌前已是该地区的著名景点，倒塌后学者通过多源数据的采集、分析、挖掘完成了对它的虚拟修复研究（ 王瑞玲 等，2020 王瑞玲 等，2020 ）。面向游客的维度，北京八达岭长城是最为经典的段落，虚拟修复和各方面展示技术都处于全面领先的状态。2017年在八达岭中国长城博物馆西侧的梦幻长城球幕影院对外开放，基于对八达岭长城虚拟修复的研究成果，结合3D球幕技术、增强现实技术（AR）、虚拟现实技术（VR）使参观者能够沉浸式地体验长城磅礴壮丽之美（ http：//www.szzs360.com/news/2017/4/2017_1_zs19295.htm http://www.szzs360.com/news/2017/4/2017_1_zs19295.htm ［2021-04-29］）。2021年腾讯联合清华大学文化创意研究院，对长城文化遗产最具代表的5处建筑遗产（山海关、嘉峪关、大境门、镇北台、居庸关）进行了精细的数据采集、分析、建模，推演出其鼎盛时期的建筑风貌，并通过艺术表达的前卫探索，展现出美轮美奂蔚为壮观的整体效果（ http：//www.szzs360.com/news/2021/3/2021_7_zs91315.htm http://www.szzs360.com/news/2021/3/2021_7_zs91315.htm ［2021-04-29］）。 在科学推演方面，对于知名度较高、保存较完好的长城文化遗产段落已经开展了较为科学且卓有成效的探索，但对长城文化遗产保护、展示和知识共享的薄弱环节往往在保存并不完好的段落，甚至是那些已经坍塌损毁的段落。同时从整体的角度来看，长城之所以成为长城是因为其广泛连绵的空间分布特性，若只剩下几个重点段落的片段，长城的完整性将大打折扣。由此可见，因地制宜地研究适合不同区位实际情况的科学推演技术方法是当下亟需解决的另一大难点。 综上所述，既有的研究往往是局部的、单项的、静态的试验性研究，面向不断受到自然及人为因素影响而动态变化的长城文化遗产保护与利用，如何面向不同地域、不同类型、不同状态的长城文化遗产，采用有效的信息技术，开展信息的动态获取、科学处理、定量分析、虚拟修复与传承的探索，以求达到长城文化遗产有效保护与永续利用之目的，这些都是迫切需要开展研究的重要问题。当前长城文化遗产的循证分析和科学推演在国家牵头的重点工程中虽取得了可观的进展，但缺乏适用于不同地区实情的全面系统的信息技术方法框架。 3　信息技术方法框架构建 1 根据上述长城文化遗产保护与利用的研究现状和需求分析，引入数字孪生理论来构建新的长城文化遗产保护与利用体系。数字孪生是指充分利用多种技术手段采集物理实体数据构建起信息模型，并集成多学科、多物理量、多尺度、多情景的三维仿真分析，实现在虚拟信息空间对物理实体进行镜像映射，反映物理实体状态及演变的全生命周期过程（ 陶飞 等，2018 陶飞 等，2018 ； 秦晓珠和张兴旺，2018 秦晓珠和张兴旺，2018 ）。数字孪生技术最早被美国国家航空航天局运用于远程飞行器的状态模拟和远程控制，并逐渐延伸至航天、军事和工业制造、建成环境和文化遗产保护等领域（ Lamb，2019 Lamb，2019 ）。文化遗产保护领域的数字孪生理论探索以新技术发展和应用为基础，分析和预测文化遗产在未来可能面临的问题与多种情景，进而辅助探索形成更好地保护、修复、利用文化遗产的策略与方法，支撑文化遗产的保护与利用（ Barni等，2000 Barni等，2000 ； Aliaga等，2008 Aliaga等，2008 ； 侯妙乐 等，2018 侯妙乐 等，2018 ）。在信息技术方法框架构建时运用数字孪生理论，使得面向长城文化遗产的保护和利用不再是被动的记录，而是能主动地对物理空间进行模拟、推演、预测并反馈。 3.1　总体框架 2 在长城学和数字孪生理论的指导下，依托5个典型的长城文化遗产样本，借助当前信息技术的前沿发展，构建长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架（ 图1 图1 ）。 首先，基于长城学和数字孪生理论，系统分析信息技术作用于长城文化遗产保护与利用的内涵与优势，重新思考长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架，其目的在于使长城文化遗产的科学保护和永续利用避免单向且被动地采集和累积数据，而是主动仿真模拟，即在虚拟环境中充分结合考古学、规划学、建筑学、风景园林学、遥感科学、计算机科学等相关领域的理论、技术、方法、成果等进行仿真模拟。 其次，该方法框架从整体的角度出发，面向不同区域、类型、建造时间的长城段落开展研究。选取甘肃战国秦长城典型段落、陕西明代土长城及附属营堡典型遗址、山西明代砖包土长城及附属营堡典型区域、北京明代砖石长城典型段落、内蒙古自治区典型的明长城及防御体系5个典型区域的长城文化遗产作为典型案例，涵盖中国境内现存长城文化遗产总量的62.08%（国家文物局，2016），涉及不同朝代、地区、建筑样式、材料、保存状况的长城文化遗产，基本展现了长城文化遗产保护与利用的多样性与丰富性（ 图2 图2 ）。 最后，完善以循证分析和科学推演为主体的信息技术方法框架。在长城文化遗产循证分析维度，将整体分析和局部分析相结合，实体模型与语义信息相关联，研究探索适合不同类型长城文化遗产的数据采集、数据挖掘（模型构建与分析）方法。多源证据层级的建立需要以既有文献资料的梳理为基础，进而运用多源遥感、物联网、地理信息系统、卫星定位导航、三维仿真模拟、虚拟现实等技术，构建以数据采集、模型构建、定量分析为主体的循证分析技术方法。在科学推演维度开展以虚拟修复、展示利用技术为主的长城文化遗产科学传承技术方法：一方面需要基于循证分析的研究成果，针对已损毁甚至坍塌的长城文化遗产进行虚拟修复研究；另一方面需要尊重中国文化遗产保护的“属地管理”制度，立足地区实情，为地方文物保护单位探索适合不同类型长城文化遗产的展示传承方法。 通过方法框架的构建，理清不同的信息技术在长城文化遗产保护与利用中的应用逻辑，以期促进长城文化遗产保护与利用的智慧化发展。 在方法框架中，其核心内容是循证分析和科学推演。当前的研究虽然已涉及数据采集、模型构建、定量分析、虚拟修复和展示传承5个方面但并不全面深入。未来的研究在循证分析部分，将以模型构建和定量分析为研究重点，难点是要突破实体模型与语义信息的关联技术；在科学推演部分，将以虚拟修复为未来的研究重点，难点是多源证据层级的处理与组织。 3.2　循证分析 2 循证分析不等同于简单的证据搜集：它一方面强调证据本身的科学性和高质量，另一方面也关注证据是否被充分有效利用（ 周志忍和李乐，2013 周志忍和李乐，2013 ）。需要从数据采集、模型构建和定量分析3方面进行探索，建立面向长城文化遗产保护和修复的“循证分析”方法，其目的是使对长城文化遗产的干预产生最佳效果，提高保护和修复实践的有效性和科学性，避免造成对文化遗产不可逆的损坏，使得保护和修复实践全面系统不盲目。 （1）长城文化遗产数据采集的技术方法研究。目前国内已经形成了多类型的遗产数字化采集技术，包括航天与航空遥感、倾斜摄影测量、机载Lidar、三维激光扫描、无人机遥感、近景摄影测量等（ Mao等，2008 Mao等，2008 ； 陈振旺和樊锦诗，2016 陈振旺和樊锦诗，2016 ； 李哲 等，2018 李哲 等，2018 ），但是这些数据采集技术对于不同类型、不同材质、不同地理环境特征的长城文化遗产本体以及其体系内其他构成要素的适应性如何还有待进一步探索。讨论运用数字孪生理论，设计试验研究与对比分析环节，总结针对不同长城文化遗产数据采集的技术方法（诸如航天遥感、航空遥感、无人机遥感、地面遥感、物联网监测等），涵盖宏观、中观、微观不同尺度，二维、三维、四维不同维度，以及墙体、敌楼、敌台、烽燧、营堡等不同构成。这种数据采集技术方法研究，将是长城文化遗产保护智能化的基础技术支撑。 （2）长城文化遗产模型构建的技术方法研究。设计利用上述技术方法所采集的数据，构建长城文化遗产的二维平面模型、三维立体模型及四维时空模型，研究语义信息的储存、组织与表达，并将实体模型与语义信息相互关联，这将是开展长城文化遗产定量分析与研究的重要技术途径。已经开展的研究和探索的建模方法也有一定的积累，而本文提出的方法框架专注于多种建模技术方法的试验与比较研究，按照不同类型、不同年代、不同分辨率、不同精细度开展技术方法的对比分析与梳理总结，并着力于实体模型体系与语义信息体系的有机联动，这也是未来长城文化遗产模型构建的难点之所在。当然，模型构建的技术方法与数据采集的技术方法密切相关，所以内容（1）和内容（2）的研究是需要统筹进行的。在探索建模技术的同时，研发长城文化遗产保护信息平台原型以承载长城文化遗产模型，为随后的定量分析与虚拟修复奠定基础和提供保障。 （3）长城文化遗产定量分析的技术方法研究。基于长城学理论，从长城文化遗产保护与利用的需求出发开展定量分析研究，主要是从宏观、中观、微观不同尺度进行分析。宏观分析长城文化遗产的体系构成、空间布局、时空特征以及与环境的关系等；中观分析长城文化遗产构成类型的空间结构、要素关系、功能组织等；微观分析长城文化遗产的材料特点、建造工艺、病害分布、劣质化状态等。在此基础上，需要进一步分析动态变化及劣质化的动力机制，以便更好地开展保护与利用研究。同时，结合物联网、大数据等信息技术方法，分析保护与利用过程中的人为影响及动态变化，以便形成长城遗产定量分析的技术方法。 3.3　科学推演 2 科学推演包括虚拟修复和展示传承两方面。虚拟修复是指根据上述循证分析过程所构建的长城文化遗产数字孪生模型、系统、机理、证据等内容，开展在数字孪生平台中仿真模拟的科学研究，这也是信息技术方法框架未来的研究重点之所在。展示传承一方面是指面向长城文化遗产本体通过合理的展示展陈方式延缓其消逝的速度；另一方面是指面向长城文化遗产的数字化成果通过科学的方式储存、分析和展示分享，使之能被后世永续利用。 （1）长城文化遗产虚拟修复的技术方法研究。基于上述模型构建及病害与劣质化定量分析诊断，开展长城文化遗产虚拟修复。即利用图形图像、虚拟仿真等领域的信息技术方法，结合文物保护理念与修复证据，借助虚拟修复技术在长城文化遗产信息系统中将被损坏的长城古遗址恢复至特定年代的一种状态。在未来的研究中，需要将证据层级理论与某段长城生命周期演化进行有效的统一，在虚拟修复中分别获取长城遗址状态、倒塌前状态及建造之初状态，合理组织多层级的证据来源，建立虚拟修复框架，检核证据的可靠性，挖掘遗址的历史文脉、建造材料、结构工艺、建筑形制等建筑理论内涵，融合多源证据类型，推理出遗址复原的技术方案。而多源证据层级的处理与组织是未来开展长城文化遗产虚拟修复的亟需解决的难点。 （2）长城文化遗产展示传承的技术方法研究。在上述4项技术方法研究的基础上，可借助长城文化遗产信息平台原型对多维长城文化遗产模型的集成，探索综合应用多种信息技术，特别是结合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等技术，形成长城文化遗产数字化展示与利用的技术方法。旨在更好地通过多种方式展示和再现长城文化遗产的历史价值、科学价值、艺术价值、人文价值、建造技艺等，并进一步探索应用虚拟设计、三维打印等新兴技术手段辅助转换形成创意文化产品，以达到科学有效地展示传承长城文化遗产之目的，为建设国家长城文化公园与弘扬长城文化及长城精神服务。 3.4　技术方案 2 基于上述方法框架的方法体系，设计面向典型段落长城文化遗产保护与利用研究的技术方案（ 图3 图3 ）：以方法框架为引选择典型样本段落的长城文化遗产为研究对象，以保护和利用的需求为导向梳理方法框架中技术集成的应用逻辑，进而生成循证分析和科学推演的科研成果。 首先，通过多种方式采集不同类型的长城文化遗产数据并归档；然后，通过对多源数据的筛选、融合、建模和分析寻找修复证据并构建证据层级，需要强调的是本环节不只是要构建实体模型，更要从语义信息中挖掘修复证据；再次，基于证据系统中的实体模型和语义信息构建不同类型的应用信息模型，实现保护对象的数字集成化；最后，建立数字孪生体，在三维空间中对保护对象开展虚拟修复，并结合3R等技术探索适宜的展示方法。通过上述流程生成的循证分析和科学推演等成果可以被作用于长城文化遗产的监测管理、保护规划、修缮工程和展示分享等多个方面。 以山西省忻州市偏关县万家寨镇老牛湾堡为例（ 图4 图4 ），它是一处占地5800 m 2 整体保存一般的典型明长城堡寨（ 山西文物局，2019 山西文物局，2019 ）。面向它的保护和利用主要有3方面的挑战：大量堡墙、建筑、构筑物损毁严重亟需保护但修复证据不足；堡寨地处咽喉，需要从不同尺度系统地研究堡寨与周边长城遗产体系的关系、堡寨空间的布局组织、建筑及构筑物的建造工艺与虚拟修复等内容；堡寨已开放旅游但展示方法单一，需要新技术手段创新展示。 1,2;3; 从上述需求出发，参照技术方案可以制定老牛湾堡长城文化遗产保护和利用的方案如下：首先，通过查阅古籍、地方志及其他相关文献获取老牛湾堡的历史沿革、地质地貌情况、军事地理地位、建造工艺、植被种类和分布特征、所在地人口社会经济数据等基础信息；然后，通过不同高度的无人机遥感获取宏观、中观、微观尺度的多角度摄影数据，通过三维激光扫描仪获取堡墙、城门、瓮城、角台、照壁、旗杆基座、石碑等遗存的精细点云数据，其他设备补充完善建筑、设施和遗址病害等数据；其次，通过对上述数据的筛选、融合、建模和分析构建老牛湾堡的实体模型体系以及语义信息体系，并研究探索老牛湾堡不同历史时期的虚拟修复证据；再次，将实体模型和语义信息相链接整合至相关信息模型，如包含老牛湾堡地形、土壤、植被等信息的地学信息模型（GIM），包含堡墙、建筑与构筑物等信息的建筑信息模型（BIM）等；最后，在数字孪生平台开展科学推演研究，构建数字孪生体，模拟修复过程和修复成果，并结合前沿且适宜的展示技术，综合探索科学地修复与展示之路。 上述研究和分析的成果将成为老牛湾堡保护与利用实践的基础，也将与老牛湾堡未来的监管、修复、宣传等环节密切互动。 4　结语 1 基于长城文化遗产保护与利用的本质特征以及长城学理论，首先明确了信息技术作用于长城文化遗产保护与利用的内涵，然后通过梳理信息技术在长城文化遗产保护与利用的实践案例发现和总结既有问题，再在此基础上运用长城学和数字孪生理论构建长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架和技术方案。 （1）明确信息技术作用于长城文化遗产保护与利用的内涵。信息技术可以在理论、方法和制度上为长城文化遗产带来本质的创新，其内涵是通过信息技术方法的应用来促进长城文化遗产保护与利用的动态平衡。通过系统地“循证分析”来支撑长城文化遗产的有效保护，通过面向未来地科学推演来实现长城文化遗产的永续利用。 （2）运用数字孪生理论构建的信息技术方法框架与技术方案。基于长城学和数字孪生理论探索的信息技术方法框架，目的在于使长城文化遗产的科学保护和永续利用不再是单向且被动地采集和累积数据，而是主动仿真模拟，即在虚拟环境中充分结合考古学、规划学、建筑学、遥感学、计算机科学等相关领域的知识进行仿真模拟。该方法框架的建立为多元化的长城文化遗产保护和利用提供因地制宜的方法支撑。基于该方法框架进一步构建面向典型样本段落的长城文化遗产保护与利用的技术方案，以山西省老牛湾堡为例说明了该技术方案的具体应用路径。 本文构建的长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架和技术方案是在信息时代背景下的一种理论探讨，同时也有以下两个衍生的有待进一步研究的理论问题。 （1）长城文化遗产的数字孪生理论与方法。本研究涉及的数据采集、模型构建、定量分析、虚拟修复、展示传承等信息技术方法框架的研究，其背后的理论与方法是基于长城学及数字孪生理论的长城文化遗产数字孪生。这不仅仅是技术问题，更是理论和方法问题，需要有所探索和突破，从而进一步完善长城文化遗产保护与利用的信息技术方法框架。 （2）长城文化遗产的虚拟修复理论与方法。长城文化遗产已历经千百年的历史，在大量修复证据缺失的挑战下，如何通过多种途径搜集足够的修复证据，并基于虚拟修复框架恰当地组织修复证据进而对其进行虚拟修复，需要理论和方法支撑。涉及到基于多源数据的三维重建、融合多源证据类型的推理、证据层级理论的应用等方面都有待未来开展理论探索和实践验证。 参考文献（References） Aliaga D G , Law A J and Yeung Y H . 2008 . 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