1、明长城测量综述明长城测量综述陈 军 金舒平 廖安平 赵有松 许礼林 荣大为 杨招君 摘 要：由于 历史的原因和技 术条件所限，我国一直未能实施长城资源的综合科学调查，缺乏关于其空间分布、保存状况、实际长度等方面的科学数据资料。为了摸清明长城“家底”，国家测绘 局和国家文物局 发挥各自优势，联合开展了 长城资源调查与测量工作。按照“文物部门定性、 测绘部门定量 ”的基本策略，提出了 “影像为基、立体量测、 带状建库”的总体研究思路；研究制定了明长城资源田野调查、明 长城长度量 测和明长城资源地理信息系统建设的技术路线；开展了技术试点、 标准制定、人 员培训、质量控制等方面的工作。经过来自明长城沿
2、线 10 个省（市、自治区）的上百名文物专家和 700 多名 测绘专业技术人员三年多的不懈努力，该项目在世界上首次完成了 长达 8800 余公里的超大型 线型文化遗产的资源综合调查与测量，第一次全面获得了关于明 长城资源分布与坡面 长度等一系列丰硕成果，成功地拓展了地理信息在文物领域的应用，在国内外 产生了重要影响。 关键词：明长城 文化遗产 超大型 田野调查 长度测量 一 概述长城是中华文明的象征和中华民族的名片，1987 年被联合国教科文组织列入世界遗产名录 ，在全人类历史文化遗产中有着重要的地位。为切实做好长城保护工作，国务院2005 年批准了长城保护工程（2005-2014 年）总体工
3、作方案 ，要求用较短的时间摸清长城家底，建立相关法规制度，依法加强监管，从根本上遏制对长城的破坏，为长城保护管陈军，教授，国家基础地理信息中心总工程师，中国 GIS 协会会长。金舒平，国家基础地理信息中心副主任。廖安平，赵有松，许礼林，国家基础地理信息中心。荣大 为， 杨招君，中国文化遗产研究院。理工作的良性发展打下坚实基础。由于历史原因和技术条件所限，人们一直未能对长城这一超大线型文化遗产进行全面、科学的综合调查，尚未掌握其空间分布、保存状况、实际长度等方面的准确数据 。根据1国务院关于长城保护的有关要求，国家测绘局和国家文物局于 2006 年 10 月 26 日联合签署合作协议，决定发挥各
4、自资源和技术优势，联合开展长城资源调查与测量，国家文物局负责长城考证，国家测绘局负责测量，并共同做好明长城重要地理信息发布审核工作。考虑到明长城主体的分布格局与地理位置定义较为明确，基本体现了万里长城主体格局、主线分布和走向，加上历史上科学家对明长城研究积累较多，有较丰富的综合考察资料，两局商定首先开展明长城资源调查与测量，并指派国家基础地理信息中心为测绘系统的牵头单位、中国文化遗产研究院为文物系统的牵头单位，具体地设计和组织实施明长城测量项目。本文主要介绍了明长城测量的技术研究与工程实践情况。第二节介绍了“影像为基、立体量测、带状建库”的总体研究思路，第三节讨论了资源田野调查、长度量测和明长
5、城资源地理信息系统建设的技术路线，第四节从技术试点、标准制定、人员培训、质量控制等方面介绍了项目组织实施情况，第五节给出了明长城测量取得的主要成果。二 总体研究思路明长城分布地域广（10 省市） 、时间跨度长（800 多年） 、格局较为复杂（含内边、外边、支线） 。其资源调查内容较为丰富，主要包括：（1）长城墙体；（2）敌台、马面、关、堡、烽燧等长城附属设施；（3)采石场、碑刻、驿站等相关遗存。为此需要在沿长城两侧各 1 公里范围内开展田野调查和专业考证，采集相应文物标本，进行专业著录、拍照、录象、量测、绘图等。针对这些特点，本项目按照“文物部门定性、测绘部门定量”的基本策略，提出了“影像为基
6、、立体量测、带状建库”的总体研究思路，如图 1 所示。图 1 明长城测量的总体研究思路1、影像为基。长城本体、附属设施及相关遗存在高分辨率遥感影像上有着清晰的特征。文物专家借助其进行调查路线规划、要素影像预判和标定，能够减轻田野调查劳动强度，提高信息采集和标注的效率及准确性。此外，明代在山区修建长城时,尽量建在山脊外侧陡峭边缘上, 且将山险、水险等天然险用作组成部分, 使得长城墙体及各种附属设施所处的地形极为复杂, 须在三维立体模型上量测其实际长度。因此，首先要利用较高分辨率航空摄影资料，构建 1：10000 比例尺的明长城带状区域的立体影像模型，并制作相应的正射影像，用作田野调查、立体量测和
7、资源空间化整合的基础 。本项目所采用的影像资料航摄3比例尺大于 1:35000 的达 95%，2000-2008 年获取的影像资料占 70%。2、立体量测。参照大范围的田野调查资料，在带状高精度立体影像模型上，测定明长城人工墙体和天然险、壕堑以及各种附属设施的空间分布,并分类计算其长度。例如，依据田野调查确定的各种墙体类型(人工、天然险、壕堑等)、保存程度(较好、一般、差、消失等)和材质(石墙、砖墙、土墙等)等, 在立体影像模型上沿墙体表面中心线量测三维拐点，进行分段和属性赋值处理等, 然后进行长度分类统计汇总, 求出明长城坡面总长度及其空间分布 。对于影像上难以辨认的长城，由文物部门负责考证
8、和确认。明长城沿线 10 个4省（市、区）测绘部门负责完成各自区域的量测工作，省文物部门配合定性确认。国家基础地理信息中心根据各省上交验收合格长度量测数据，进行明长城总长度及分类长度的统计与精度评价。3、带状建库。以明长城沿线带状范围为对象，生产包括数字高程模型数据（DEM） 、数字正射影像数据（DOM） ，数字线化图数据（DLG） 、长城专题影像图数据（TMAP）等在内的基础地理信息数据，实现专题数据、各种属性数据、历史文献记录、音频视频资料等资源调查成果的空间化整合，形成长城的数字档案。三 主要技术路线按照项目总体研究思路，通过技术试点和生产试验及专家把关等，进一步研究和分别确定了明长城资
9、源田野调查、长度量测和资源地理信息系统建设的技术路线。（一）明长城资源田野调查根据超大线型文化遗产田野调查的特殊需求，将田野调查技术、基于影像的调绘技术和数据库技术进行了有机的集合，在试验的基础上提出了长城资源调查的技术流程，主要包括前期准备、现场调查确认、数据采集、数据校核、调查记录等 5 个重要的野外工作阶段，如图 2 所示。1 . 1 : 5 万地形图标绘长城2 . 1 : 1 万地形图设计长城调查调查路线3 . 基于影像预判长城调查要素 、 划分调查区域1 . 文献资料核对2 . 相关遗存核对3 . 基于特征影像判识与标绘4 . 最终确认与定性1 . 调绘影像上长城段起始点刺点2 .
10、手持 G P S 对长城特征定位点采集3 . 长城特征定位点的影像标绘4 . 长度 、 高度等相关数据测量5 . 采 （ 征 ） 集标本6 . 长城周边自然与人文环境调查7 . 照相 、 录像等多媒体数据生成前 期 准 备现 场 确 认 数 据 采 集1 . 填写调查日志2 . 对调查对象进行整理与文字记录3 . 填写长城墙体 、 关堡 、 单体 、 录像 、 G P S 特征定位点等调查登记表4 . 使用数据采集系统规范化各种采集的数据调 查 记 录1 . G P S 长城定位点数据校核2 . 长度 、 高度等数据校核3 . 多媒体数据的校核4 . 调查登记表相关属性数据校核数 据 校 核图
11、 2 考古调查与地理信息遥感相结合的田野调查技术前期准备调查阶段主要是根据有关历史文献和多源基础地理信息数据等，在 1:5 万地形图上，勾画出长城空间基本分布情况，利用 1:1 万地形图及长城专题要素数据影像预判结果等进行调查区域划分和调查路线规划；现场确认阶段则主要借助于影像资料和多源参考资料，由文物专家在现场对明长城沿线两侧各 1km 带状范围内的墙体、天险及各种附属设施进行辨识与确认；在数据采集阶段，文物专家主要采集长城墙体的名称、位置、文物编码、墙体材质和现存状况等属性信息，同时，测绘专家在现场采用手持 GPS 对长城走向的折点、拐点、断点、不同材质变化点、保存状况变化点以及长城本体的
12、主要设施、附属设施及相关遗存的平面几何中心点等进行测量，并沿长城本体中心线按统一的符号在调绘片上标注长城专题要素的位置和属性信息；数据校核阶段主要是对采集到的田野调查空间与属性信息进行校核；调查记录阶段则主要采用田野调查数据采集系统，记录上述的各种有关长城的定位与定性信息并对上述信息进行校核与整合。通过整合文物与测绘的各自技术优势，确定和规范了长城专题要素数据的田野调查范围、内容、指标及著录等各主要环节的技术方法与衔接关系，确保了长城属性与空间信息的有机结合，为文物田野调查成果的整理集成和明长城长度立体量测奠定了科学的基础。（二）明长城长度量测明长城东西跨度高达 5000 多公里，测量范围为其
13、两侧各 1 公里的狭长带状区域。对其进行立体量测，给像控和加密方案布设、空三加密、立体量测等带来了很大困难。为提高带状立体模型的精度和稳定性, 采取了合理设置适合带状作业区的加密分区方案、增加像控点布点个数、加大平高点布设密度等，共布设了 15031 个空三加密像控点, 定向中误差精度指标明显优于规范要求的平面不超过 4m, 高程不超过 1.5m 的山地和高山地指标精度要求 。4为了确保量测质量，作业过程中采用了独立复测方式、对量测点重新空三平差、“11”配备作业人员分段文物赋值等方式，以提高量测精度，保证量测准确性。其中“1+1”作业方式是指一位文物专家与一位测绘技术人员共同采集明长城本体地
14、理定位特征点三维空间坐标，确定其相应分段三维立体长度。独立复测方是指往返测的长度差值小于千分之一时方可作为合格的长度量测值。明长城长度数据是利用观测点坐标计算得出的，不是直接观测值。考虑到空三加密点和立体量测点之间基本上相互独立, 不存在点位系统误差, 且点位误差在整个加密分区范围内总体上相等, 在三维方向上相互独立，对三维空间的长度计算公式求导可知, 其精度主要与“点观测精度”以及“相邻点间斜率”有关。因此，在 235 个加密区布设了 2020 个检查点, 计算检查点的立体模型观测值与野外实测值之差的中误差, 从而计算不同线段的量测精度，对明长城长度量测结果进行精度评价。田野调查实地确定长城
15、位置以及相关属性定性 ：文物部门为主测绘部门配合调绘片G P S轨迹点墙体登记表外业控制获取控制点已有基础测绘资料（ 航片 、 正射影像 、 基础数据 、 其他成果 ）空三加密量测每段长城拐点恢复立体模型确定每段长城起始点位置属性赋值汇总统计长度结果定量 ：测绘部门为主文物部门配合分段整理图 3 明长城长度测量的技术路线（三）明长城资源地理信息系统建设根据长城数据管理与应用的需求，采用 GIS、数据库、web service 等方面的先进技术，设计与构建了明长城资源地理信息系统。首先是按照对象化数据建模的思路，在明长城沿线带状区域的 1:1 万基础地理信息和专题地理信息的基础上，将长城专题要素
16、分解为最小的资源部件，如墙体、关堡、单体建筑、界壕/壕堑、相关遗存等，以其为空间对象实现相关属性、多媒体信息的空间化挂接与关联。继而采用数据库全文检索技术，构建长城资源数据及其多媒体目录、概要说明、文本内容索引等；然后采用 Web2.0 技术等，发展了长城讯息传递、视频点播等功能。图 4 给出了明长城资源地理信息系统的构建思路。长 城 数 据 管理 与 应 用 的需 求 驱 动长 城 数 据建 模 与 表 达面 向 长 城 资 源 数据 的 集 成 管 理 与应 用 模 型 实 现长 城 协 同 管理 的 关 键 技 术长 城 资 源 信 息管 理 子 系 统长 城 资 源 信 息应 用 子
17、系 统长 城 资 源 信 息 公众 服 务 子 系 统长城多类型数据整合 长城资源调查数据 长城专题数据 基础地理数据长城资源数据应用模型实现 基于全文的长城资源数据综合查询 长城资源数据灵活统计定制基于地理数据的长城保护管理服务模式 专题图制作 基于地理数据的长城真三维模拟长城资源部件化 基于行政区域的部件管理单元划定 墙体 、 关堡 、 单体建筑等部件级联划定 基于长城资源部件 “ 联想式 ”查询检索长城多类型数据集成管理 基于地理数据的长城记录档案管理 带状基础地理数据集成管理基于地理数据的长城事件速报 基于地理数据的长城事件报告拟定 长城事件确定和信息反馈质 量 控 制图 4 明长城资
18、源地理信息系统建设的技术思路根据实际应用需求，分别研制开发了明长城资源信息管理、应用和公众服务三个子系统。其中，明长城资源信息管理子系统用于长城资源信息和基础地理信息集成管理、日常维护，实现长城资源调查数据自动装载入库，构建长城资源数据与地理数据关联关系等；明长城资源信息应用子系统主要面向长城“保利管研”应用需要，发展长城资源数据统计查询、长城数字记录档案查看、长城专题图制作等；明长城资源信息公众服务子系统利用WebGIS 技术，将长城资源信息发布于 Internet 上，通过该子系统可发布长城资源信息和长城保护有关法律法规，使社会公众可以足不出户查询浏览长城墙体、长城关堡和长城单体建筑等，也
19、可将长城讯息进行传递。四 工程组织实施明长城沿线 10 个省（市、区）的上百名文物专家和 700 多名测绘专业技术人员参加了这一为期三年多的重大地理信息工程。为了做好跨部门、跨地区的组织协调，在国家和省级层面均建立了专门的协调机制，包括成立了两局联合领导小组、全国长城资源调查项目工作组、各省长城资源调查联合机构等，在任务范围协调、任务分工与合作、问题沟通与处理、资料使用、协议签署、标准与方案制定、成果控制、进程监控等方面起到了关键性的作用。与此同时，本项目组织开展了技术试点、标准制定、人员培训、质量控制等方面的工作：1、技术试点。为探索超大型线型文化遗产调查与测量的经验，选择甘肃、河北两省开展
20、了试点工作，总结提炼出了相应的技术方法与合作模式，在其后沿线 10 省大范围长城资源调查与测量中推广使用，并改进完善。2、标准制定。组织研究制定了明长城长度测量、精度评价、专题影像图制图、长城专题要素图示与规范等一批标准与规范，同时协助文物部门在规范记录明长城专题要素数据等方面制定了相关的标准。3、人员培训。组织实施了国家和省局两级技术培训。国家级技术培训的对象为各省（自治区、直辖市）参加长城测量的相关管理人员和技术负责人,培训内容主要是相关的法律法规、标准及规范、工作流程、相关制度等。省级培训对象为本辖区全体作业人员，培训内容除了相关的法律法规、标准及规范、工作流程、相关制度、相关软件等，还
21、重点对具体操作、成果形式和质量控制等作业环节进行培训。共组织了 69 次的技术培训，共计培训 1870 人次，确保了参加明长城测量任务的人员熟悉作业流程、精度指标、把握任务作业的主要关键节点，并明确规定未经培训以及培训考核不合格的人员不得上岗参加明长城测量工作。4、质量控制。根据生产过程质量控制、作业单位局级验收、项目组分省检查与验收、两局验收等需要，设计了多个检查验收系统，开发了明长城长度计算、检查、汇总整理、基础地理信息数据检查、元数据生成等 10 个多个质量控制软件，从生产的各个流程上保证了明长城产品的质量。五 取得的主要成果明长城测量项目获得了一系列丰硕成果，包括明长城的长度以及可供发
22、布的明长城重要基础地理信息数据；明长城基础地理信息数据和专题要素数据；明长城分布图及专题影像图数据；相关的工作软件、质量检查软件；图示与符号等相关的标准等。1、长度测量成果。测量结果表明, 明长城东起辽宁丹东虎山 , 西至甘肃嘉峪关, 穿越辽宁、河北、天津、北京、山西、陕西、内蒙古、宁夏、甘肃、青海等 10 个省、市、自治区, 总坡面长度为 8851.8 km，包括人工墙体为 6259.6 km, 天然段 2232.5 km, 壕堑359.7 km。其中, 人工墙体又可进一步分为石墙 1828.8 km, 土墙 3411.3 km, 砖墙 249.6 km, 山险墙 197.5 km, 其他为
23、 572.4 km。就保存状况而言, 明长城人工墙体保存较好的仅为 513.56 km, 保存一般的为 1104.4 km, 保存较差和差的分别为 1494.7 和 1185.4 km, 消失的则达 1961.6 km。图 5 明长城分布图2、田野调查成果。此次调查首次全面掌握了明长城作为一个庞大的军事防御体系的空间分布与现存状况,包括其附属设施、自然与人文环境、保护和管理现状等。例如, 明长城经过我国十省、市、自治区的 155 个县；完成田野调查登记表填写 24467 份；完成长城本体、附属设施、相关遗存的多媒体数据 150TB；实地调查明长城现存敌台 7062 座, 马面3357 座, 烽
24、火台 5723 座, 关堡 1176 座, 相关遗存 1026 处；同时，新发现了多处长城的段落、遗址、城堡等，为明长城研究与保护提供了重要信息。3、数据库成果。本项目共形成 10043 幅 1:1 万分幅的明长城沿线 DEMDOMDLGTMAP数据，其中：形成 2521 幅 5 米格网数字高程模型数据（DEM） 、2521 幅 1 米分辨率数字正射影像数据（DOM） 、2521 专题矢量要素数据、2480 幅明长城专题影像图数据；具体图幅的分布范围如图 6 所示。此外，为反映明长城在省域及全国范围的分布情况，分别制作了 10幅明长城分省分布图、2 幅明长城全国分布图。图 6 明长城测量 1:
25、1 万成果范围图4、其他成果。该项目还形成了明长城测量技术文档成果、管理文档成果、软件成果和标准等一系列的主要成果。其中：技术文档成果主要包括明长城测量总体技术（修订）方案、明长城测量总体实施方案、明长城测量项目技术规定、明长城测量项目技术规定补充说明、明长城沿线 10 省测量专业技术设计等项目技术文档；管理文档成果主要是国家基础地理信息中心为组织实施项目形成的 65 份文件，其中：组织协调文件 32 份、技术管理类文件 28 份、系统建设类文档 5 份；软件成果主要指为确保项目的质量，在田野调查数据采集、长度测量数据整理与检查、明长城测量成果数据检查与生产等方面开发的 10 个生产软件；标准
26、成果主要指 “长城专题要素图式与符号成果” 标准等。目前明长城沿线 10 省测绘部门已经完成了所有的长城量测工作，并经过了各省局级验收、项目组组织的分省数据检查验收和两局组织的项目验收。明长城长度量测工作全部结束。六 结束语明长城测量是我国测绘部门与文物部门联合开展的第一个重大应用工程，在世界上首次完成了长达 8800 余公里的超大型线型文化遗产的资源综合调查与测量，形成了一整套的技术方法；第一次全面获得了关于明长城资源分布与坡面长度等一系列丰硕成果，摸清了明长城家底，为明长城保护、利用、管理、研究等提供了科学可靠的基础数据；探索形成了“文物部门定性、测绘部门定量”的优势互补的部门合作模式，成功地拓展了地理信息在文物领域的应用，在国内外产生了重要影响。
