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設備與工具天津大學建筑學院六合工作室自2003年啟動明長城軍事防御體系研究，2004年開始嘗試引入無人機技術在長城沿線多省份開展拍攝或測繪，以應對長城所在高山峽谷崎嶇地形、彌補地面人工調查的不足，但從未實施全線圖像連續(xù)覆蓋。
自2019年2月始，六合工作室?guī)熒谜n余時間克服遠途勞頓與地形艱險，自主實施明長城全線無盲區(qū)低空拍攝與三維數(shù)據(jù)獲取，這一科研活動也是工作室所屬文化和旅游部“建筑文化遺產傳承信息技術”重點實驗室2019年啟動的重點工作之一。
一、外業(yè)拍攝
主要外業(yè)方法是人員攜帶微型無人機沿長城線逐段超低空慢速飛行（約15-25公里/小時），在20-50米相對高度從長城頂部、內側、外側三個方向拍攝（圖1），獲得同一航線內相鄰圖像重疊率不低于70%的三航線連續(xù)高清圖像集（實際照片空間位置、分布、密度如圖2示意），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(xiàn)墻體本身與內、外側微地形的三維測量；在此基礎上，引入圖像類機器學習技術實現(xiàn)對海量圖像的半自動篩選、分類、檢索，主要用于分析長城構造、開展病害監(jiān)測、支撐長城國家文化公園建設等目的。
圖1 三視角/航線長城拍攝示意圖
圖2 照片沿長城走向分布截圖
目前該數(shù)據(jù)庫建設近半，已覆蓋從山海關至嘉峪關范圍內約2500公里的部分明代大邊長城（圖3），獲得約50萬張照片，圖像數(shù)據(jù)量約6TB，預計還需拍攝約2500公里以覆蓋全部明長城實體線路，2020年將建成世界首個明長城全線高清圖像庫。
圖3 明長城走向（紅色）及高清圖像已覆蓋區(qū)域（綠色）
該項外業(yè)的實施難度主要在于：以往衛(wèi)星、載人機、無人機航測大多是在恒定高度、快速略過飛行拍攝，特點是速度快、單次飛行覆蓋范圍很大、實施相對容易；本項目外業(yè)核心原則是跟隨長城蜿蜒，采取變高度、變航向曲線飛行，力求保持在“樹梢高度”與長城的相對距離穩(wěn)定不變，如此則不論處于山巔還是峽谷的長城均有相對恒定的圖像分辨率。因此本項目外業(yè)成果相對細致但實施難度高，在東部地區(qū)實際一個三人小組每天最多覆蓋15公里長城區(qū)段。
在建筑細節(jié)遺存相對較多或者極端地形的長城區(qū)段，拍攝高度相對更低、可將航線數(shù)量從三條增加到五條（圖4）以保證航測三維數(shù)據(jù)的基本質量；對于保存完好或構造特殊的空心敵樓等重點目標，還部分實施環(huán)繞拍攝以獲得各個立面皆完整的三維點云（圖5），且拍攝距離進一步縮小至10-20米，如此則圖像分辨率趨近于毫米級，墻體上的彈孔、刻劃等保存現(xiàn)狀細節(jié)清晰呈現(xiàn)（圖6）。
圖4 五航線獲得更高精度數(shù)據(jù) 圖5 最高密度敵樓環(huán)繞拍攝.
圖6 敵樓墻體上遺留的彈孔和游客刻劃
空心敵樓室內空間是無人機圖像采集的“盲區(qū)”，是低空設備無法替代地面人工視覺檢查的重要原因之一，然而敵樓多矗立于山峰峭壁之上，人工攀爬調查又極為費時費力。針對這一難題，實驗室設想了多種解決方案并初步實地嘗試，目前已經能夠從箭窗探查敵樓室內，從上、中、下等不同的視角采集室內圖像，若從多個箭窗向一敵樓內多視角探查，可在避免人員攀爬的前提下，快速認知敵樓內部空間、結構、保存狀態(tài)等（圖7）。
圖7 無人機敵樓室內探查試驗場景與獲得的室內多角度探查圖像
在可見光拍攝手段之外，紅外成像儀也被安裝于無人機平臺上，與可見光相機同步拍攝，用于輔助拍攝隱蔽的長城防御設施。
圖8 從可見光圖像中不可見品窖（陷馬坑）遺存
圖9 紅外圖像中清晰可見樹冠下隱藏的品窖個體與范圍
例如明代在長城之外易受攻擊的谷地多設有品窖（品字形緊密排列的坑群，即陷馬坑，品字形排列使得馬匹或步兵難以利用筆直坑壁快速通過），以阻擋敵方高速集群沖鋒。品窖極易被落葉、泥土等覆蓋，尤其空中拍攝還會受到樹冠層的進一步遮擋，即使在冬季拍攝，可見光圖像中仍難于發(fā)現(xiàn)遺址結構形態(tài)（圖8），但不同類型地表物質或淺層結構的紅外輻射率存在差異，因此在紅外圖像中更容易發(fā)現(xiàn)已被遮蓋的品窖個體及其群體范圍。圖9中的多個陷馬坑結構清晰，果然是蜂窩狀品字形密集排列，坑群也呈現(xiàn)清晰的總體長方形外輪廓。
圖10 明長城暗門示例（暗門形制多種多樣不限于示例）
再如暗門本是明長城三層級隘口中一個不可或缺的層級（關、口、暗門三層級），與長城的軍事防御策略、戰(zhàn)役戰(zhàn)事、民眾生活、兩側經濟交流關系等研究都十分密切，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，目前明長城暗門的數(shù)量、分布、形制、功能類別仍不甚清晰。實驗室利用全線拍攝已獲得的可見光圖像已經發(fā)現(xiàn)、定位、踏勘近60處外露暗門（圖10），并首次發(fā)現(xiàn)與《武經總要》等軍事史書中對隱蔽暗門構造描述相符的寶貴個例遺存。
圖11 受植被密集遮擋從可見光圖像中不可見暗門
圖12 紅外圖像中清晰可見樹冠下隱藏的暗門
在此基礎上，開始利用紅外圖像發(fā)現(xiàn)被茂盛植被遮蓋而遺漏的暗門遺存，以嘗試填補長城關隘研究缺環(huán)、進一步釋放長城的遺產魅力。圖11是針對某已知暗門的拍攝實驗，證明即使在落葉季從樹梢高度抵近拍攝，可見光圖像中仍不可能辨識隱藏的暗門；而在紅外圖像中（圖12），頂部發(fā)券結構暗門的拱形輪廓清晰可辨。
預計后續(xù)開展明長城全線紅外補充拍攝將能夠獲得更多尚不為人所知的明長城細節(jié)。
二、內業(yè)處理與數(shù)據(jù)利用
占用硬盤中數(shù)十TB數(shù)據(jù)存儲體量、幾十萬甚至總計數(shù)百萬張圖像的整理是個難題，實驗室利用WEBGIS等軟件工具，自主編程建立圖像庫系統(tǒng)，將已有的50萬張圖像按照坐標位置顯示在地圖界面中（圖13，另可參見圖2）。使用者可根據(jù)需要篩選、瀏覽特定區(qū)段的圖像，可以標記圖像、添加特定屬性。
利用圖像類人工智能、機器學習技術，還可快速、自動化篩選某類別的長城對象（圖14）。例如目前已經成功篩選薊鎮(zhèn)轄區(qū)的已有空心敵樓圖像，并據(jù)此調取其位置坐標、圖像，以今后結合攝影測量技術生成三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)敵樓尺度的半自動計算和跨地域比較，獲知整個防線的空心敵樓平均尺度、最大或最小尺度、遺存殘高等多項全線統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
圖13 自主編寫的明長城全線圖像庫界面
圖14 篩選出來的特定對象地理位置
同一長城地段不同時間拍攝的圖像還可以前后比較，以監(jiān)測殘損變化、掌控長城保存動態(tài)。例如圖15反映出該薊鎮(zhèn)東部轄敵樓在兩年中所受臺風、雨水自然侵蝕造成的顯著變化。除了發(fā)現(xiàn)少量磚石砌塊掉落，細微土石顆粒流失是更為嚴重的問題，細顆粒物的流失直接導致大塊磚石失去填充支撐而迅速瓦解。
圖15 明長城某敵樓殘體2016.12（左）與2018.7（右）圖像差別
圖16 墻體2016（上）- 2018（下）包磚剝落
圖16亦反映出墻體包磚在兩年周期中的可見損失。（課題組2018年以前采集的圖像資料參與到此比對試驗中，并非僅基于2019年全線連續(xù)拍攝成果。）
高重疊度圖像經過攝影測量軟件處理，得到長城墻體三維點云（圖17），再生成表面模型。三維數(shù)據(jù)不僅用于全線分析、比較敵樓等長城構筑物的尺度，還可統(tǒng)計長城兩側地形坡度，可測量墻體歪閃、估算塌損程度以及維修所需土石方量，還可歸納長城選址原則、輔助計算匯水面積、排水坡度等，用途十分廣泛。
圖17 低空攝影測量生成的明長城某峭壁旁敵樓三維點云
以空心敵樓墻體變形病害可視化為例，以三維數(shù)據(jù)中某一立面為基準面，對表面凹凸量以偽彩表達（例如圖18中所示，紅色為向外突出，藍色為向內凹進），可直觀顯現(xiàn)看似平整表面的細微變形。圖19顯示另一敵樓的凹凸量化數(shù)據(jù)，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，可知頂部塌損造成內部土石堆積、橫側推力增大是墻體拉裂、鼓脹變形的重要原因。
圖18 某敵樓立面凹凸偽彩表達示意圖
圖19 某敵樓凹凸量精確直觀顯示
總體來看，明長城全線圖像與三維數(shù)據(jù)庫的功能還有待于進一步挖掘，簡訊只是對已有資料初步應用的粗淺介紹。今后數(shù)個月中，不僅要完成全線野外拍攝任務、完善數(shù)據(jù)庫架構和優(yōu)化在線展示界面，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)上線共享也是必要一環(huán)。
全線圖像與三維數(shù)據(jù)對于長城文化遺產公眾傳播、文物建筑保護、古代軍事工程領域研究、線路遺產監(jiān)測、沿線環(huán)境資源量化評估、長城國家公園體系建設都具有不可或缺的基礎資料價值，跨學科合作是今后提升成果水平、挖掘數(shù)據(jù)潛力的必由之路。
全線數(shù)據(jù)采集任重而道遠，我們需再接再厲。
2025-09-17 10:55
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