大型综合性博物馆数字孪生多元化数据构建与应用

中兵勘察设计研究院有限公司 刘欢 刘卫华 胡庭玉 周梦迪

本文从数字孪生技术在文化遗产领域的应用现状入手，通过对数字孪生多元化数据构建研究，关键技术突破和数据应用前景等可行性的挖掘，探索数字孪生多元化数据构建对于大型综合性博物馆的发展方向。

数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理的动态虚拟模型，来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。简单来说就是在虚拟空间中构建一个物理实体的数字化镜像[1]。数字孪生能够描述物理对象的多维属性、实际行为和状态，分析未来发展趋势，从而实现对物理对象监控、仿真、预测、优化等实际服务和应用需求[2]。近年，数字孪生功能主要有现实世界可视性、基于感知器的连接性、智能分析性、高精度还原性等方面。数字孪生模型则是基于真实世界大规模、累积、实时数据的组合，是实现数字孪生功能的重要前提。

数据孪生技术目前在智能制造、智慧城市、船舶、电力等众多领域都有广泛应用，且前景广阔，但在文博领域也越来越多。在文化遗产方面，敦煌研究院的数字敦煌、中国文化遗产研究院的布达拉宫数字孪生数据库和可视化管理系统、故宫博物院的数字多宝阁等，通过高精度测绘、GIS、计算机科学与网络等技术实现了数字化建模与全新方式的文化展示，针对以时间轴为纽带、以文物价值为基础、对未来做预测的数字孪生正处于初步探索阶段[3]。但对于集博物馆和古建筑群于一体的大型综合性博物馆文化遗产全生命周期数字孪生，鲜见涵盖孪生数据建设、虚拟复原、价值挖掘呈现等方面的系统研究。

大型综合性博物馆包含古建筑群、展品、藏品等众多类型文化遗产，具有丰富的文化内涵和多重文物价值。以数字化、智能化技术创新与应用，将其保护好、利用好，促进文化服务与文化传承，推动文化产业数字化转型升级，意义重大。本文将初步研究大型综合性博物馆数字孪生数据的构成和构建方法，并对相关应用进行探索和展望，希望为大型综合性博物馆的数字孪生技术提供部分参考。

1 数字孪生多元化数据构成

数字孪生数据主要包括来自博物馆相关文献资料、勘察、测绘与监测等的信息，具有多源异构、多维度、动态等特点。综合性博物馆的数字孪生数据对象包含建筑、附属文物、藏品、空间环境、运维设施等全要素，数字孪生数据内容包含建筑、附属文物、藏品、空间环境等的空间、纹理等几何信息以及其属性、方法、行为等非几何信息，孪生状态包括博物馆的过去、现在和将来。基于以上内容，设计适应综合性博物馆的全生命周期孪生数据的数据结构，采集加工孪生基础数据，发掘物理实体的状态特征和数据关联关系，进行虚拟复原数据建设、多元多层级信息映射模型和文物的价值挖掘和呈现，构成完整的数字孪生多元化数据。

2 数字孪生多元化数据构建

2.1 文物数字孪生数据建设

孪生数据的建设是多元化数据构建的基础，在数据采集方面，采用三维激光扫描、近景摄影测量、影像拍摄、虚拟建模等多种方法，采集博物馆各对象的空间、纹理等几何数据，采用资料、信息收集、现状勘测等方法，采集对象的属性等非几何信息；在数据加工管理方面，从时域、频域及时频域等方面进行不同时间和空间维度的特征提取，发掘物理实体的状态特征和数据关联关系，从模型组装、模型融合、模型验证、模型更新各方面，建立动态映射模型[4]。

2.2 文物虚拟复原数据建设

文物的历史、现状数据复原是多元化数据构建的一部分，通过考古、文献分析、计算机辅助等技术对文物的形制、材料、颜色等进行虚拟复原，以深度学习为代表的计算机辅助技术为虚拟复原带来了革命性改变。在虚拟复原数据构建中，可基于三维扫描、摄影测量等方法获得的数据，进行测量复原；可通过与相同、相似的结构、构件相比较，进行类比复原；可通过文献资料、考古数据等，采用现状趋势法和历史信息法，推测复原。将人工数据构建复原与AI 智能数据构建复原相结合，进行文物现状与历史状态复原。对于色彩复原，是对彩色照片灰度处理，将彩色和灰度照片进行深度学习网络训练；对于缺损复原，将原图像和加掩膜图像进行编码、特征提取、映射关系寻找的深度学习。

2.3 多维、多层级信息映射模型建设

孪生模型的信息维度、层级需求包括孪生模型构建的深度学习需求和基于文物价值链的博物馆管理、教育、研究和旅游等场景应用需求，数字孪生模型维度包括几何—非几何—行为—规则，数字孪生模型层级包括整体—区域—院落—单体建筑—部件—构件，附属文物的组—件—部件—构件，位置、姿态及与本体相关系，环境与设施的空间环境、基础设施、服务设施、管理与研究设施等。多维、多层级模型建设从几何—非几何—行为—规则等方面建立数字孪生模型构建维度，从大型综合性博物馆建筑整体—区域—院落—单体建筑—部件—构件、附属文物的组—件—部件—构件、环境与设施的物理系统实际特点出发，建立面向不同应用方向的存档级、研究级、应用级、展示级等多层级模型[5]。

2.4 文物价值挖掘呈现

数字孪生数据最终将服务于博物馆的保护、管理、展示等各方面，挖掘文物价值，将文物各方面价值呈现，是多元化数据建设的重要一环。文物包含历史、文化、艺术、科学等各方面价值，历史价值主要包括政治、军事、经济等社会活动，宗教信仰、风情习俗、家庭等生活活动的时代特点与风貌等；艺术价值主要包括有审美、欣赏、娱乐、借鉴以及美术史料等方面；科学价值主要包括科学、技术、知识等方面。通过对文物历史与现状信息的全面搜集与整理、分析与识别、关联与提取等方式，挖掘文物的历史、艺术、科学价值，并将获得的文物价值信息在孪生数据构建中的加工、组织、存储中进行融合展现，赋予文物时代生命力，延续其做为文化经典的示范意义[6]。

2.5 多元化数据融合

在数据构建中，对齐时间、对齐空间、对齐尺度。对于空间信息，采用GIS 技术，在统一的平面、高程坐标系下，将所有数据进行归一化，建立统一基准；对于时间信息，针对工作对象，厘清对象的时序，建立起时间轴，将所有时间基准信息串联于时间线；对于数据信息，对多源异构、多模多态、多维多层级数据，通过汇聚、转换、关联重组、统一存储、应用控制，从而使信息构成关联多态体；最终实现全面的数字孪生博物馆时空信息融合。

3 数字孪生多元化数据应用

数字孪生多元化数据是实现数字孪生功能的重要前提，在大型综合性博物馆中的应用前景广阔，从建筑、展厅、藏品及设备设施的保护、管理、维护、修缮、展陈展示到科教等方面都起到积极地作用。

3.1 存档保护中的应用

多元化数据的构建，将博物馆的现状、历史各个阶段的数据存储和记录下来，对博物馆的各类数据进行了存档。同时，数字孪生是预防性保护和全面监测信息的承载、呈现的宿主与载体，预防性体系的价值认知、风险识别、风险评估、风险应对，每个过程都对应信息和数据，基于空间信息，以孪生信息为载体，将预防性保护的所有要素与数字孪生融为一体，统领预防性保护全过程，进行不断迭代的信息积累与分析、风险识别与评估、风险预警预测与应对工作。

3.2 展览展陈中的应用

由于文物的不可再生性，为了延长文物寿命，大量馆藏文物无法长期处于展览状态，甚至鲜少与观众见面，造成文物资源的极大浪费。

古建筑、展厅、藏品等各种类的数字孪生数据的构建：首先，给予这类文物一个展示的新渠道，使其重新出现在大众的视野；其次，数字展览减少了时间、空间对文物展览的限制，观众能够通过移动端等设备随时随地享受各地丰富的展览资源，并且也极大地解决了原有的展览方式，能够全方位的对文物进行展示，弥补了现有实体展览中遮挡、光线、人流等造成的参观效果不理想等问题。对于展陈策划人员来说，线上的数据统计结合线下的人流监控等措施也可以对展览效果进行总结，对文物的受欢迎度，不同受众的游览偏好也能得到有效统计，更好的服务于实体展陈。

3.3 修复修缮中的应用

文物现状和历史数据的智能虚拟复原，为文物的修复和古建筑的修缮提供了新的思路。现阶段，通过馆藏文物的数字孪生多元化数据，可以完成对馆藏文物的现状记录、材质分析、受损情况分析、碎片辨识、虚拟拼接等，也可对受损部位进行3D 打印复制，通过对文物的虚拟修复模拟实际修复中会出现的情况和问题，为多重修复思路进行数据模拟，尽可能减少出现失误的可能性，也减少对文物的二次损伤，提高修复效率。在古建筑修缮中，通过数字孪生数据，模拟建筑彩画、油饰的修缮效果，将修缮方案以直观的形式展现出来，并分析修缮成本，选用最优的方式进行实体修缮，提高文物古建筑的修缮效率。

3.4 管理运营中的应用

数字孪生多元化数据和技术，可在管理运营中大规模运用。在展厅中，可通过预设的各种设备搜集场馆运行情况，游客和工作人员的行为数据，经过数据分析对博物馆的人员分布、展览受众、实时安保等情况进行全方位的统一管理，通过异常数据预先排除工作隐患，真正做到预防为主。在藏品方面，可根据藏品的多元化数据，构建文物数字化管理平台，对于馆藏文物的资料更加全面、系统的管理，为馆藏管理工作提供高效准确的查询、统计等服务，对于文物的储藏环境采取更加智能的监控，调价设施，减少人工所造成的延迟误差等造成的损伤。数字化的管理对于文物的出入库管理也有更加安全的措施，出入库的时间、去向、交接等在数字平台统一管理。同时，能够提供各种有预见性的管控措施，节假日的人流变化、疫情防控期间导致的场馆开闭、车辆停放的调动、客流拥堵情况的疏导等。人工算法的出现为管理提供了“会思考”的趋势判断，结合大量的数据分析，使博物馆运营更有的放矢，防患于未然。

3.5 宣传教育中的应用

基于价值挖掘加工的博物馆多元化的数字孪生数据，结合VR、AR 等数字化展示手段，可以使宣教打破现有的媒体宣传方式，加大传播效能，使群众有更大的自主权。例如故宫博物院的V 故宫、数字多宝阁等运用，利用古建筑、藏品的数字孪生数据，结合文物的价值进行展示，让越来越多的人看到传统的文化和故事，走进故宫。同时，博物馆通过对文物数据的分析运用，不仅能够对单个文物进行展示还能够深入挖掘文物背后的历史文化价值，将对文物的低效运用转化为文物IP 的发展，真正使数字孪生数据摆脱对文物进行单纯复制，保存的质疑，真正做到利用孪生技术进行文化遗产的传承。

4 结语

总之，博物馆数字孪生多元化数据构建绝不是仅仅对数据的采集复制，在适用于综合性博物馆的数字孪生技术基础上，突破数字孪生的多元数据构建技术，数据构建中的文物智能虚拟复原、虚实展示、信息映射模型及文物价值挖掘呈现技术，将高质量、高效率、工程化地实现数字孪生博物馆保护、传承、利用。大型综合性博物馆的运作是综合性的，就更加要求数字孪生多元化数据构建出体系完全、应用全面、智能的系统为文化传承助力。可以预见，数字孪生多元化数据与大型综合性博物馆的结合会极大地提高博物馆的工作效率，更好地为游客提供有价值得文化输出，但如何使两者的价值发挥到更大，还需要我们更加积极的探索。