天津大學團隊走了4000多公里建明長城數據庫，每塊磚的細節都能看清

“天津大學”微信公眾號2月17日發文：在線上會議的屏幕上，崇山峻嶺，漫漫荒漠，俯瞰之下，長城蜿蜒起伏，連綿不斷，沿線的敵樓、敵台，關隘的內城、外城、甕城，皆歷歷在目。趨近細看，城牆上的堞垛、吐水，乃至每塊磚的細節也一清二楚。

這是2020年10月5日，英國哈德良長城和中國萬里長城“雙牆對話”學術會議上，天津大學建築學院教授張玉坤展示的，其團隊為嘉峪關、八達嶺等地製作的數字視頻片段，也是他們“明長城全線圖像與三維數據庫”建設的部分成果。

運用自主研發的無人機低空信息採集技術，張玉坤帶領團隊首次對明長城全線無盲區記錄和展示工作已經進行了三年，完成了4000多公里長城圖像與三維數據的覆蓋。

張玉坤説，按計劃，全線需要拍攝近200萬張分辨率接近釐米級的高清圖片，總飛行里程多達兩萬千米，預計再有一年多時間，將完成明長城全線所有數據的採集和分析。這些數據的獲取，將為長城全線的“數字再現”和監測預警提供有力的技術支撐。

然而，張玉坤團隊的工作並非僅此而已，他們對長城的認識亦非僅此而已。

野外工作照 張玉坤老師

巨系統，秩序帶

從低處仰望長城，一道道城牆沿着山巒起伏綿延不絕，雄偉、巍峨，令人心生敬仰之情。它是一道隔絕長城內外、抵禦外部侵擾的“牆”，這是很多人對長城的第一印象。

“長城不止是一道牆或一條線，它是個龐大、複雜的巨系統，是一條集軍事防禦和民族交融於一體的秩序帶。”在接受《中國科學報》採訪時，張玉坤發出這樣的感慨。

2003年初，張玉坤的團隊啓動了國家自然科學基金項目，開始對中國北方堡寨聚落進行調查研究。在一次田野調查時，他們意外地發現了一些荒廢的古村古堡竟然是明長城的防禦單位之一。“很少會有人將長城地帶散落的村落、堡寨與長城聯繫在一起，但事實上，它們的存在與長城密不可分。”張玉坤回憶起往事依然激動不已。

接下來的調研過程中，張玉坤十分留意各個堡寨、村落、軍屯等與長城的關係，竟然發現在長城沿線都有這樣的遺存。這引起了他濃厚的興趣，甚至直接打報告申請將研究工作重心從北方堡寨聚落轉移到長城地帶相關軍事聚落的研究。2006年，他又申請到國家自然科學基金，正式開始明長城軍事聚落與防禦體系的基礎性研究。

通過多年探索，張玉坤團隊基本摸清了明長城從遼東到甘肅分佈的九個軍鎮——“九邊重鎮”防禦體系。每個軍鎮都自成一體，涵蓋鎮、路、衞、所、堡等諸多層次體系，在長城地帶形成幅員遼闊、縱橫如織的恢弘鉅製。“我們從長城沿線的軍事聚落入手，讓研究生將明長城九邊重鎮逐個徹底搞清楚。其中，明代都司衞所或總兵鎮守制度下的防禦體系是個總綱，與軍事聚落層次體系和分佈格局密切相關。抓住這個總綱，可以將九邊重鎮一一破解。”張玉坤説。

“九邊重鎮”防禦體系

之所以説長城是個複雜巨系統，張玉坤補充道：“除了軍事聚落的屯兵系統，還有烽傳信息系統、驛傳交通系統、軍需屯田系統、互市貿易系統等諸多子系統，它們共同構成了一個巨系統和秩序帶。”

巨系統和秩序帶

他們所建立的“明長城全域空間數據庫”和“明長城全線圖像與三維數據庫”則是巨系統和秩序帶的集中體現。

“秩序帶的概念涉及方方面面，軍事、政治、經濟、貿易、民族和文化都包含在其中。”張玉坤解釋道，長城無疑具有重要的防禦功能，但除了軍事、政治的因素，由於長城內外農、牧生業不同，生產生活所需各異，自古以來就在長城沿線開設大量的關隘、市口，以及輔助交通的“暗門”，通過朝貢、邊貿互通有無，各得其所。歷史上，漢唐之際，絲路商旅穿梭往來，明代以來，長城內外互市貿易不絕，不同民族的文化交流也未因長城阻隔而中止。

為證實明蒙互市貿易的存在，張玉坤團隊對其做了專題研究。“長城內外的互市貿易在文獻中多有記述，明永樂至萬曆年間，遼東鎮開設8處馬市和木市；隆慶和萬曆年間，宣大山西三鎮開設了12處馬市或市場。通過現場調研，我們還找到了一些市口的遺蹟。這些市口定期開放，讓長城內外民族互通有無。”張玉坤説。

明代馬市市場空間分佈示意圖（範熙晅博士畢業論文《明長城軍事防禦體系規劃佈局機制研究》，張玉坤指導）

研究人員發現，至少從秦漢開始，在長城地帶耕戍結合的屯田實邊移民既已出現，一直延續到明清。朝廷徵發戍卒、田卒至長城地帶屯耕，且耕且戍，以耕養戰。明代長城地帶從洪武初年開始在漠南屯田牧馬，隨後九邊各鎮相繼設置軍屯屯耕戍守，終明一代沿襲不斷。

從春秋戰國到明朝兩千餘年，長城歷盡戰火，嚮往和平，像一部戰爭與和平、對抗與交融的史詩，傳誦着長城調控內外紛爭、規範邊塞秩序、祈望民族和諧的豐功偉績。歷朝歷代，漢長城、金界壕、明長城，莫不如是。張玉坤將其歸納為“拒止衝突、互通有無、各得其所、綱維秩序”：一條集軍事防禦和民族交融於一體的“秩序帶”；一個反映我國歷朝歷代政治、軍事、經貿、民族、文化、環境的多層次、立體化、系統性的“巨系統”。

利其器，善其事

面對長城的恢弘鉅製及其所處的極端複雜的環境條件，憑小團隊一己之力，常規的人工測繪技術手段很難奏效。

工欲善其事，必先利其器。同樣是在2003年，當時就讀碩士的李哲，突發奇想，想使用無人機。但當時尚無無人機生產廠商，於是他們開始摸索“無人機”的建造過程。

2009年，在學校的鼎力支持下，一架40公斤級的渦輪軸螺旋翼無人機在天津大學建築學院誕生，機身長3米，翼展2.8米，經學校內燃機國家重點實驗室的振動測試，穩定性超乎想象。有了這款神器，帶上三維激光掃描裝置，在崎嶇山路上腳踏單兵坦克，與輕便小巧的大疆無人機協同作戰，才有了一開始提到的三維數據視頻，才有了覆蓋4000千米的明長城全線圖像與三維數據庫。

不僅如此，研究人員運用數據庫的人工智能識別，在明長城牆上隱藏幾百年的120餘道暗門被發現，無人機所經之處的敵樓、敵台，包括敵樓上的箭窗、吐水等構造細節和尺寸，悉數盡收眼前。長城全線坡度70度的最陡峭的“倒掛長城”，最大的敵樓，最獨特的菱形敵樓，以及無人能及、無人能曉、毀壞最嚴重的牆體……也都顯露無遺。

“無人機只要繞着一段長城兩側和正上方飛三遍，就能拿到城牆的完整圖像，就能記錄這段城牆的三維數據，然後通過人工智能識別，我們就能發現其中的敵樓、敵台、暗門所在。”張玉坤自豪地説。

有了先進信息技術及其科研平台的支撐，使長城巨系統的格局更加清晰地展現在眾人眼前，牆體、烽燧、敵樓、驛站、聚落……張玉坤一一將其勾勒清楚——“眾星拱衞”的放射結構，“橫向分段、縱向分層”的線性結構，“秩序疊加”的網絡結構。

充分了解，全面保護

隨着研究不斷深入，張玉坤也將目光從基礎研究拓展到保護傳承。“如果對長城的認知不全面、不準確，只將長城當作一道牆，那麼對長城的保護傳承工作也會有侷限性和片面性，直接影響到長城價值及其文化影響力的發揮。”張玉坤説，“所以，我希望更多人意識到長城是個巨系統、秩序帶，並將其完整地數字化呈現，才能更好地保護它、傳承它，更好的服務於文化強國建設。”

有關數據顯示，在明長城全長6259.6千米的人工牆體中，只有8.2%保存狀況尚好，74.1%保存較差或僅餘基底部分，保存狀況令人堪憂。“沒有及時監測手段，長城塌了、被毀壞了也無人知曉。”張玉坤説。

而在已有的明長城全域空間數據庫和全線圖像三維數據庫基礎上，能夠定期進行圖像比對，開展長城監測預警工作。“每隔一段時間，我們會例行巡檢，如果有坍塌或裂口放大等情況發生，我們便能及時發現，如果有單位與我們合作，就可以準確掌握其毀壞的位置，並及時進行修繕保護。”張玉坤錶示。

作為階段性成果，張玉坤主編出版了第一部大型史志體專著《中國長城志：邊鎮堡寨關隘》卷，全面介紹歷代長城軍事聚落；主編出版《六合文稿》長城聚落叢書13分冊，分朝代、分地區、分專題深入解析長城聚落體系。

2020年7月，張玉坤主持的“明長城整體性理論研究與信息技術應用創新”項目鑑定，項目鑑定意見：項目填補了明長城整體性理論研究與信息技術應用的空白，產生了重要學術影響，取得了明顯社會效益，並廣泛應用於京津冀長城保護規劃、維修展示和長城國家文化公園建設，以及其他地區的文化遺產保護實踐。該項研究成果總體達到了國際領先水平。

現在，張玉坤的研究還在繼續，他的同事和學生將會繼續跟進，他更希望可以將手頭關於長城的大數據與相關部門共享，“如果能夠將這些成果和數據付諸長城保護實踐，是我最希望看到的。”張玉坤説。