他们走了4000多公里建明长城数据库，每块砖的细节都能看清
天津大学团队走了4000多公里建明长城数据库，每块砖的细节都能看清
责任编辑：李天宇来源：观察者网 2021-02-17 18:01:49
“天津大学”微信公众号2月17日发文：在线上会议的屏幕上，崇山峻岭，漫漫荒漠，俯瞰之下，长城蜿蜒起伏，连绵不断，沿线的敌楼、敌台，关隘的内城、外城、瓮城，皆历历在目。趋近细看，城墙上的堞垛、吐水，乃至每块砖的细节也一清二楚。
这是2020年10月5日，英国哈德良长城和中国万里长城“双墙对话”学术会议上，天津大学建筑学院教授张玉坤展示的，其团队为嘉峪关、八达岭等地制作的数字视频片段，也是他们“明长城全线图像与三维数据库”建设的部分成果。
运用自主研发的无人机低空信息采集技术，张玉坤带领团队首次对明长城全线无盲区记录和展示工作已经进行了三年，完成了4000多公里长城图像与三维数据的覆盖。
张玉坤说，按计划，全线需要拍摄近200万张分辨率接近厘米级的高清图片，总飞行里程多达两万千米，预计再有一年多时间，将完成明长城全线所有数据的采集和分析。这些数据的获取，将为长城全线的“数字再现”和监测预警提供有力的技术支撑。
然而，张玉坤团队的工作并非仅此而已，他们对长城的认识亦非仅此而已。
野外工作照 张玉坤老师
巨系统，秩序带
从低处仰望长城，一道道城墙沿着山峦起伏绵延不绝，雄伟、巍峨，令人心生敬仰之情。它是一道隔绝长城内外、抵御外部侵扰的“墙”，这是很多人对长城的第一印象。
“长城不止是一道墙或一条线，它是个庞大、复杂的巨系统，是一条集军事防御和民族交融于一体的秩序带。”在接受《中国科学报》采访时，张玉坤发出这样的感慨。
2003年初，张玉坤的团队启动了国家自然科学基金项目，开始对中国北方堡寨聚落进行调查研究。在一次田野调查时，他们意外地发现了一些荒废的古村古堡竟然是明长城的防御单位之一。“很少会有人将长城地带散落的村落、堡寨与长城联系在一起，但事实上，它们的存在与长城密不可分。”张玉坤回忆起往事依然激动不已。
接下来的调研过程中，张玉坤十分留意各个堡寨、村落、军屯等与长城的关系，竟然发现在长城沿线都有这样的遗存。这引起了他浓厚的兴趣，甚至直接打报告申请将研究工作重心从北方堡寨聚落转移到长城地带相关军事聚落的研究。2006年，他又申请到国家自然科学基金，正式开始明长城军事聚落与防御体系的基础性研究。
通过多年探索，张玉坤团队基本摸清了明长城从辽东到甘肃分布的九个军镇——“九边重镇”防御体系。每个军镇都自成一体，涵盖镇、路、卫、所、堡等诸多层次体系，在长城地带形成幅员辽阔、纵横如织的恢弘巨制。“我们从长城沿线的军事聚落入手，让研究生将明长城九边重镇逐个彻底搞清楚。其中，明代都司卫所或总兵镇守制度下的防御体系是个总纲，与军事聚落层次体系和分布格局密切相关。抓住这个总纲，可以将九边重镇一一破解。”张玉坤说。
“九边重镇”防御体系
之所以说长城是个复杂巨系统，张玉坤补充道：“除了军事聚落的屯兵系统，还有烽传信息系统、驿传交通系统、军需屯田系统、互市贸易系统等诸多子系统，它们共同构成了一个巨系统和秩序带。”
巨系统和秩序带
他们所建立的“明长城全域空间数据库”和“明长城全线图像与三维数据库”则是巨系统和秩序带的集中体现。
“秩序带的概念涉及方方面面，军事、政治、经济、贸易、民族和文化都包含在其中。”张玉坤解释道，长城无疑具有重要的防御功能，但除了军事、政治的因素，由于长城内外农、牧生业不同，生产生活所需各异，自古以来就在长城沿线开设大量的关隘、市口，以及辅助交通的“暗门”，通过朝贡、边贸互通有无，各得其所。历史上，汉唐之际，丝路商旅穿梭往来，明代以来，长城内外互市贸易不绝，不同民族的文化交流也未因长城阻隔而中止。
为证实明蒙互市贸易的存在，张玉坤团队对其做了专题研究。“长城内外的互市贸易在文献中多有记述，明永乐至万历年间，辽东镇开设8处马市和木市；隆庆和万历年间，宣大山西三镇开设了12处马市或市场。通过现场调研，我们还找到了一些市口的遗迹。这些市口定期开放，让长城内外民族互通有无。”张玉坤说。
明代马市市场空间分布示意图（范熙晅博士毕业论文《明长城军事防御体系规划布局机制研究》，张玉坤指导）
研究人员发现，至少从秦汉开始，在长城地带耕戍结合的屯田实边移民既已出现，一直延续到明清。朝廷征发戍卒、田卒至长城地带屯耕，且耕且戍，以耕养战。明代长城地带从洪武初年开始在漠南屯田牧马，随后九边各镇相继设置军屯屯耕戍守，终明一代沿袭不断。
从春秋战国到明朝两千余年，长城历尽战火，向往和平，像一部战争与和平、对抗与交融的史诗，传诵着长城调控内外纷争、规范边塞秩序、祈望民族和谐的丰功伟绩。历朝历代，汉长城、金界壕、明长城，莫不如是。张玉坤将其归纳为“拒止冲突、互通有无、各得其所、纲维秩序”：一条集军事防御和民族交融于一体的“秩序带”；一个反映我国历朝历代政治、军事、经贸、民族、文化、环境的多层次、立体化、系统性的“巨系统”。
利其器，善其事
面对长城的恢弘巨制及其所处的极端复杂的环境条件，凭小团队一己之力，常规的人工测绘技术手段很难奏效。
工欲善其事，必先利其器。同样是在2003年，当时就读硕士的李哲，突发奇想，想使用无人机。但当时尚无无人机生产厂商，于是他们开始摸索“无人机”的建造过程。
2009年，在学校的鼎力支持下，一架40公斤级的涡轮轴螺旋翼无人机在天津大学建筑学院诞生，机身长3米，翼展2.8米，经学校内燃机国家重点实验室的振动测试，稳定性超乎想象。有了这款神器，带上三维激光扫描装置，在崎岖山路上脚踏单兵坦克，与轻便小巧的大疆无人机协同作战，才有了一开始提到的三维数据视频，才有了覆盖4000千米的明长城全线图像与三维数据库。
不仅如此，研究人员运用数据库的人工智能识别，在明长城墙上隐藏几百年的120余道暗门被发现，无人机所经之处的敌楼、敌台，包括敌楼上的箭窗、吐水等构造细节和尺寸，悉数尽收眼前。长城全线坡度70度的最陡峭的“倒挂长城”，最大的敌楼，最独特的菱形敌楼，以及无人能及、无人能晓、毁坏最严重的墙体……也都显露无遗。
“无人机只要绕着一段长城两侧和正上方飞三遍，就能拿到城墙的完整图像，就能记录这段城墙的三维数据，然后通过人工智能识别，我们就能发现其中的敌楼、敌台、暗门所在。”张玉坤自豪地说。
有了先进信息技术及其科研平台的支撑，使长城巨系统的格局更加清晰地展现在众人眼前，墙体、烽燧、敌楼、驿站、聚落……张玉坤一一将其勾勒清楚——“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。
充分了解，全面保护
随着研究不断深入，张玉坤也将目光从基础研究拓展到保护传承。“如果对长城的认知不全面、不准确，只将长城当作一道墙，那么对长城的保护传承工作也会有局限性和片面性，直接影响到长城价值及其文化影响力的发挥。”张玉坤说，“所以，我希望更多人意识到长城是个巨系统、秩序带，并将其完整地数字化呈现，才能更好地保护它、传承它，更好的服务于文化强国建设。”
有关数据显示，在明长城全长6259.6千米的人工墙体中，只有8.2%保存状况尚好，74.1%保存较差或仅余基底部分，保存状况令人堪忧。“没有及时监测手段，长城塌了、被毁坏了也无人知晓。”张玉坤说。
而在已有的明长城全域空间数据库和全线图像三维数据库基础上，能够定期进行图像比对，开展长城监测预警工作。“每隔一段时间，我们会例行巡检，如果有坍塌或裂口放大等情况发生，我们便能及时发现，如果有单位与我们合作，就可以准确掌握其毁坏的位置，并及时进行修缮保护。”张玉坤表示。
作为阶段性成果，张玉坤主编出版了第一部大型史志体专著《中国长城志：边镇堡寨关隘》卷，全面介绍历代长城军事聚落；主编出版《六合文稿》长城聚落丛书13分册，分朝代、分地区、分专题深入解析长城聚落体系。
2020年7月，张玉坤主持的“明长城整体性理论研究与信息技术应用创新”项目鉴定，项目鉴定意见：项目填补了明长城整体性理论研究与信息技术应用的空白，产生了重要学术影响，取得了明显社会效益，并广泛应用于京津冀长城保护规划、维修展示和长城国家文化公园建设，以及其他地区的文化遗产保护实践。该项研究成果总体达到了国际领先水平。
现在，张玉坤的研究还在继续，他的同事和学生将会继续跟进，他更希望可以将手头关于长城的大数据与相关部门共享，“如果能够将这些成果和数据付诸长城保护实践，是我最希望看到的。”张玉坤说。