长城文化遗产数字孪生体建设内涵与路径研究*

桑 懿 ，赵 琳 ，张俊谈 ，王 希 ，孟宪源

（1.燕山大学 艺术与设计学院，河北 秦皇岛 066000；2.河北环境工程学院 生态学系，河北 秦皇岛 066102；3.CITI University，Mongolia Ulaanbaatar 999097-15141）

1 国内外数字孪生研究与长城文化遗产数字化建设现状

1.1 国外研究与建设现状

在数字孪生理论与技术研究方面，其概念模型最早出现于2003 年，由Grieves M.W. 教授在产品全生命周期管理课程上提出，被称作“镜像空间模型”；NASA在2012 年发布的技术路线图中使用了“数字孪生”的表述[1]；全球最具权威的IT 研究与顾问咨询公司Gart ner 连续两年（2017、2018 年）将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一，使这一概念受到广泛关注[2]。

在长城文化遗产数字化建设方面，英国国家测绘局基于1920 年建立的航拍照片档案，在1964 年绘制了哈德良长城专业地图[3]；Small 阐述了2002 年英国NMP 通过分析27000 余张航拍照片进行数字测绘和档案记录的方法与过程[4]；Tony Wilmott 在“双墙对话”中介绍了纽卡斯尔大学团队运用机载激光扫描技术对博得瓦德要塞进行考古论证的研究成果，并阐述了准确生成3D 数据的运动恢复结构技术[5]。

1.2 国内研究与建设现状

在数字孪生理论与技术研究方面，国内对数字孪生的研究在近四年关注度极高。庄存波等总结了产品数字孪生体的内涵[6]，阐述了其基本结构和发展趋势；陶飞等提出数字孪生五维模型、标准体系及十大应用领域，其中涉及卫星通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市，得到了学术界的广泛关注[7]；秦晓珠等从技术构架层面阐述了数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用[8]。中国《数字孪生应用白皮书2020 版》的发布，标志着我国进入数字孪生技术的应用研究行列。

在长城文化遗产数字化建设方面，周晓陆在中国青山关长城学术研讨会中提出长城数字化建设[9]；赵广亮运用3S 技术与ARCGIS 平台建立了八达岭长城风景林数字化管理平台[10]；张鸥等提出一种基于DEM 的长城遥感信息提取方法，并针对八达岭长城进行测绘[11]；张玉坤团队于2009 年使用无人机对明长城进行测绘，历经多年形成了4000km 的明长城全线图像，并于2019 年基于GIS 建立了明长城防御体系基础信息数据库，该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力[12]。在国家级信息平台建设方面，长城资源保护管理信息系统于2016 年12 月上线，长城国家文化公园官方网站于2020 年 12 月 30 日上线。

1.3 国内外研究评述

针对“数字孪生理论与技术”和“长城文化遗产数字化建设”两方面，综合现有研究的优势与劣势，分析如下：

第一，针对研究领域。现有国内外数字孪生研究在航空航天、机械制造等领域较多，在文化遗产等人文社科领域研究较少；同时，长城文化遗产数字建设也缺乏对数字孪生领域的研究与应用。第二，针对研究层次。国内外长城数字化建设在三维模型、平台研发、AR/VR多端展示等单一层面研究较多，对集成“轻量建模、物联通信、数据处理、应用服务”的闭环式综合研究较少。第三，针对研究内容。国内外现有长城文化遗产数字化研究在“影像记录、部分还原、考古论证”方面有了较大突破，但缺少针对历史过程演变、未来建设模拟等“全生命周期”内容研究。

2 数字孪生对于长城国家文化公园建设的意义

2.1 理论意义——补足我国长城文化遗产数字化建设理论体系

长城的意义主要表现为促进了中华民族的发展，长城的历史文化价值主要体现在对人类文明的贡献[13]，因此长城丰富的文化遗存具有极高的文化价值、历史价值。但随着自然风蚀、数次战乱和近年来我国城市化的快速发展及对长城文化遗产认知的严重不足，导致长城防御体系受到了严重威胁。根据2009 国家文物局长城资源调查和认定成果显示，仅有8.2%的明长城人工墙体保存较好，近四分之三的墙体保存状况较差，甚至遗迹不存[14]。

长城数字孪生体可对其历史建造过程、重要历史时空、实时现状进行数字化分级复原，为长城的保护、修复、展示等层面提供可靠的数字资源和有力的数据支撑；同时，通过海量数据对长城及周边环境进行AI计算，为长城未来建设提供可视化智能模拟。因此，长城文化遗产数字孪生体建设既是对数字孪生技术在文化遗产领域的新探索，也是对现有长城文化遗产数字化建设理论体系的创新性补充。

2.2 现实意义——全面助力长城国家文化公园多类型数字化建设

2019 年7 月24 日，中央全面深化改革委员会第九次会议审议通过了《长城、大运河、长征国家文化公园建设方案》；2020 年12 月20 日，长城国家文化公园建设推进会在秦皇岛召开，会上中宣部副部长，文化和旅游部党组书记、部长胡和平指出，要扎实推进保护传承、研究发掘、环境配套、文旅融合、数字再现等五大工程[15]；作为长城国家文化公园建设数字再现工程的一项重要内容，长城国家文化公园官方网站（changcheng.ctnews.com.cn）于2020 年12 月30 日正式上线。目前，线上网站中共有“新闻动态”“长城保护”“精彩影像”等11 个板块，但遗憾的是对于长城防御体系和当下环境的记录与展示方式仍未突破传统“图片+文字”的形式。因此，研发可接入现有网站的数字孪生平台，将多类型长城数字化模型进行统一管理、多端展示，对长城国家文化公园线上网站、线下展厅建设均有着重要的现实意义。

3 长城数字孪生体全生命周期内涵研究

3.1 虚拟仿真与数字孪生的关系

虚拟仿真是以将实物模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种模拟技术，通过三维高仿真度建模反映物理世界的特性和参数。数字孪生是在虚拟仿真的基础上，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，并通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策[16]。可以说，虚拟仿真是实现数字孪生的诸多关键技术中的一部分，除此之外，数字孪生体的形成还需要传感器、数据传输、数据分析、驱动器与云平台等多种物联网、互联网技术。

近年来，在国家大力推进科技创新产业发展和提倡文化遗产保护的背景下，我国物质遗产、非物质遗产的数字化研究与实践有了长足发展。虚拟仿真作为第一代以高还原度三维模型为核心技术特征的数字化模拟技术，从运用3D Max、Unity 等软件的人工建模，到运用扫描点云数据生成模型的智能建模；从运用3D打印成型技术的实物展示，到运用VR／AR／XR 技术的虚拟展示，不同的理念、技术造就了不同的应用场景与交互方式。

随着信息技术的发展和万物互联时代的到来，数字孪生作为以全生命周期为核心特征的第二代数字化模拟技术，高度融合虚拟仿真与物联网、互联网、区块链、人工智能等新一代电子信息技术，其应用领域逐渐由航空航天、军事等领域向建模加工、设计制造、智慧城市管理等领域转移。数字孪生将以前瞻性的理念和技术优势，为文化遗产在数字化保护、监测、模拟开发及展示等多类型应用场景中提供新方法和新工具。

3.2 长城数字孪生体全生命周期内涵

就全生命周期而言，航空航天、机械生产、智慧城市管理等领域中的数字孪生体是在物理实体模拟过程中进行迭代更新，其生命周期的起点是物理实体的现状。物质文化遗产则有别于前者。长城作为中国重要的物质文化遗产，是由不同历史时期修建的规模浩大的军事防御工程[13]，故长城数字孪生体在孪生结构上应由历史、现状与未来三部分构成（见图1）。

图1 长城数字孪生体全生命周期孪生结构

第一部分是对长城防御体系的回溯孪生。通过大量文献的查阅、论证，结合虚拟仿真技术与人工智能算法模拟技术，真实还原长城防御体系的建造过程和在不同历史时期的变化过程，其目的是将长城防御体系的建造史、战争史进行梳理和数字化保存。第二部分是对长城及周边环境现状的孪生管理。在BIM、GIS 等模型数据的基础上，通过多类型分布式传感设备的应用和安全、高速的网络传输，其目的是将长城的现状的1：1 还原，不仅是视觉上的1：1 还原，而且是对真实世界诸如气候、人流量、地质变化等变化情况的1：1 还原，做到表里如一、全息镜像。第三部分是长城的未来发展孪生。包含了AI 计算预测和人工设计变更，AI 计算预测是计算机通过对真实物理世界的数据采集与运算来模拟的长城环境变化，人工设计变更可以通过人为数字模型再设计将长城及周边环境作出改变并呈现，其目的是通过数字环境的模拟“试错”，对长城环境保护性建设提供更加合理的对策。

因此，长城数字孪生体是在网络空间再造一个与之对应的“虚拟长城”，形成物理维度上的实体长城和信息维度（历史信息、现状信息）上的数字长城同生共存、虚实交融的格局，通过多类型传感器实时反馈到数字世界，实现智能化、一致化、完整化的可视化映射与模拟。

4 长城数字孪生体建设的研究路径与内容

长城数字孪生体的建设路径由三部分构成，分别为文献与数据研究、框架与关键技术研究、可视化终端与应用研究，其结构关系如图2 所示。

图2 长城数字孪生体建设研究路径

4.1 多类型长城文化遗产的文献与数据研究

通过对物质与非物质文化遗产进行文献整理、分析，可论证长城的建造过程、变化过程和重要历史时空数据，是长城文化遗产数字孪生体建设的技术数据研究。长城物质文化遗产数据研究包含对不同历史时期长城本体建筑、军事聚落、公共建筑、遗迹遗存等文献数据内容，长城非物质文化遗产数据研究包含不同历史时期长城防御编制、民俗文化、重大历史事件等文献数据内容。张玉坤等在对明长城文化遗产数据库建设中提到长城文化遗产中的有形遗产包含了长城本体建筑、军事聚落、公共建筑、相关遗迹遗存以及其中所蕴含的所有工具器物[12]。其中，本体建筑包含长城的墙体、敌台、墙台、烽火台、墩台与战台；军事聚落包括长城防御体系中的镇城、路城、卫城、所城、堡城、关城、驿站与哨所；公共建筑包含接署官邸、仓储草场、庙宇祠堂、学校书院、牌坊与楼台；遗迹遗存包含水窑、居住址、烟灶、火池及其他遗存。

4.2 长城数字孪生框架与关键技术研究

第一，长城数字孪生系统理论框架研究。研究数字孪生技术在物质与非物质文化遗产中的应用策略，提出对长城文化遗产数字孪生的理论概念、建设内涵与技术框架及各部分内容与功能。第二，长城轻量化虚拟实体库构建研究。研究不同精度级别的长城虚拟实体构建方法，并以此为基础实现长城虚拟实体库的构建。其中包含不同历史阶段建造复原、特殊历史节点情景再现、现状环境真实映射、未来发展模型底座。第三，多类型传感器在数据互动层中的应用研究。研究不同类型分布式传感器的网络架构与感知获取方式，研究基于Firefly 的数字域和物理域之间的近实时数据流动方法，并以此为基础对长城及周边环境实时数据获取方法与路径进行研究。第四，长城多类数据的传输、处理方法研究。对长城文化遗产、地理地质、生态环境、社会经济以及人文环境等类型数据的传输方法进行研究，其中包含了通信协议、数据融合、接口服务等研究内容。

4.3 长城文化遗产可视化与数字孪生多终端应用研究

长城文化遗产可视化由三维数字可视化、信息与数据可视化等内容构成。前者主要针对长城虚拟实体，后者主要针对系统关联、功能交互、界面体验、结构导航、媒介传播与技术美学等方面的信息与数据进行可视化设计。同时，在长城精神与文化符号研究基础上，针对长城文化遗产在国家文化公园线上平台、线下展厅、各管理平台等多终端场景的应用方式与内容进行研究，探索文化、艺术与科技的多维互动方法。

5 结束语

长城数字孪生体建设研究是前瞻数字技术在文化遗产保护与传承领域的创新性研究，对我国长城国家文化公园数字化建设具有重要意义。

针对整体系统结构，长城数字孪生体的建立包含了五大维度。分别是由长城物质、非物质文化遗产数据构成的长城物理实体维度；由多类型、多级别长城虚拟仿真模型构成的长城虚拟实体维度；由多终端应用服务场景构成的长城孪生体应用维度；由数据连接与处理构成的孪生体通信连接维度；由核心数据中心构成的孪生平台维度。

针对研究的创新之处，从研究视角而言，可为长城文化遗产数字化归档、应用与决策提供全生命周期可视化服务，为长城国家文化公园数字化建设提供新视野、新路径；从研究内容而言，针对国内外研究现状短板，结合数字孪生技术特点，创新性提出对长城物理实体、虚拟实体、孪生体应用场景三端的闭环应用进行综合研究，同时为艺术与科技的结合提供新的研究方向与落脚点。