大型綜合性博物館數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建與應用

中兵勘察設(shè)計研究院有限公司 劉歡 劉衛(wèi)華 胡庭玉 周夢迪

本文從數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀入手，通過對數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建研究，關(guān)鍵技術(shù)突破和數(shù)據(jù)應用前景等可行性的挖掘，探索數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建對于大型綜合性博物館的發(fā)展方向。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理的動態(tài)虛擬模型，來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。簡單來說就是在虛擬空間中構(gòu)建一個物理實體的數(shù)字化鏡像[1]。數(shù)字孿生能夠描述物理對象的多維屬性、實際行為和狀態(tài)，分析未來發(fā)展趨勢，從而實現(xiàn)對物理對象監(jiān)控、仿真、預測、優(yōu)化等實際服務和應用需求[2]。近年，數(shù)字孿生功能主要有現(xiàn)實世界可視性、基于感知器的連接性、智能分析性、高精度還原性等方面。數(shù)字孿生模型則是基于真實世界大規(guī)模、累積、實時數(shù)據(jù)的組合，是實現(xiàn)數(shù)字孿生功能的重要前提。

數(shù)據(jù)孿生技術(shù)目前在智能制造、智慧城市、船舶、電力等眾多領(lǐng)域都有廣泛應用，且前景廣闊，但在文博領(lǐng)域也越來越多。在文化遺產(chǎn)方面，敦煌研究院的數(shù)字敦煌、中國文化遺產(chǎn)研究院的布達拉宮數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫和可視化管理系統(tǒng)、故宮博物院的數(shù)字多寶閣等，通過高精度測繪、GIS、計算機科學與網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字化建模與全新方式的文化展示，針對以時間軸為紐帶、以文物價值為基礎(chǔ)、對未來做預測的數(shù)字孿生正處于初步探索階段[3]。但對于集博物館和古建筑群于一體的大型綜合性博物館文化遺產(chǎn)全生命周期數(shù)字孿生，鮮見涵蓋孿生數(shù)據(jù)建設(shè)、虛擬復原、價值挖掘呈現(xiàn)等方面的系統(tǒng)研究。

大型綜合性博物館包含古建筑群、展品、藏品等眾多類型文化遺產(chǎn)，具有豐富的文化內(nèi)涵和多重文物價值。以數(shù)字化、智能化技術(shù)創(chuàng)新與應用，將其保護好、利用好，促進文化服務與文化傳承，推動文化產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，意義重大。本文將初步研究大型綜合性博物館數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的構(gòu)成和構(gòu)建方法，并對相關(guān)應用進行探索和展望，希望為大型綜合性博物館的數(shù)字孿生技術(shù)提供部分參考。

1 數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)成

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)主要包括來自博物館相關(guān)文獻資料、勘察、測繪與監(jiān)測等的信息，具有多源異構(gòu)、多維度、動態(tài)等特點。綜合性博物館的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)對象包含建筑、附屬文物、藏品、空間環(huán)境、運維設(shè)施等全要素，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)內(nèi)容包含建筑、附屬文物、藏品、空間環(huán)境等的空間、紋理等幾何信息以及其屬性、方法、行為等非幾何信息，孿生狀態(tài)包括博物館的過去、現(xiàn)在和將來。基于以上內(nèi)容，設(shè)計適應綜合性博物館的全生命周期孿生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采集加工孿生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)掘物理實體的狀態(tài)特征和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，進行虛擬復原數(shù)據(jù)建設(shè)、多元多層級信息映射模型和文物的價值挖掘和呈現(xiàn)，構(gòu)成完整的數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)。

2 數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建

2.1 文物數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建設(shè)

孿生數(shù)據(jù)的建設(shè)是多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集方面，采用三維激光掃描、近景攝影測量、影像拍攝、虛擬建模等多種方法，采集博物館各對象的空間、紋理等幾何數(shù)據(jù)，采用資料、信息收集、現(xiàn)狀勘測等方法，采集對象的屬性等非幾何信息；在數(shù)據(jù)加工管理方面，從時域、頻域及時頻域等方面進行不同時間和空間維度的特征提取，發(fā)掘物理實體的狀態(tài)特征和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，從模型組裝、模型融合、模型驗證、模型更新各方面，建立動態(tài)映射模型[4]。

2.2 文物虛擬復原數(shù)據(jù)建設(shè)

文物的歷史、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)復原是多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建的一部分，通過考古、文獻分析、計算機輔助等技術(shù)對文物的形制、材料、顏色等進行虛擬復原，以深度學習為代表的計算機輔助技術(shù)為虛擬復原帶來了革命性改變。在虛擬復原數(shù)據(jù)構(gòu)建中，可基于三維掃描、攝影測量等方法獲得的數(shù)據(jù)，進行測量復原；可通過與相同、相似的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件相比較，進行類比復原；可通過文獻資料、考古數(shù)據(jù)等，采用現(xiàn)狀趨勢法和歷史信息法，推測復原。將人工數(shù)據(jù)構(gòu)建復原與AI 智能數(shù)據(jù)構(gòu)建復原相結(jié)合，進行文物現(xiàn)狀與歷史狀態(tài)復原。對于色彩復原，是對彩色照片灰度處理，將彩色和灰度照片進行深度學習網(wǎng)絡(luò)訓練；對于缺損復原，將原圖像和加掩膜圖像進行編碼、特征提取、映射關(guān)系尋找的深度學習。

2.3 多維、多層級信息映射模型建設(shè)

孿生模型的信息維度、層級需求包括孿生模型構(gòu)建的深度學習需求和基于文物價值鏈的博物館管理、教育、研究和旅游等場景應用需求，數(shù)字孿生模型維度包括幾何—非幾何—行為—規(guī)則，數(shù)字孿生模型層級包括整體—區(qū)域—院落—單體建筑—部件—構(gòu)件，附屬文物的組—件—部件—構(gòu)件，位置、姿態(tài)及與本體相關(guān)系，環(huán)境與設(shè)施的空間環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、服務設(shè)施、管理與研究設(shè)施等。多維、多層級模型建設(shè)從幾何—非幾何—行為—規(guī)則等方面建立數(shù)字孿生模型構(gòu)建維度，從大型綜合性博物館建筑整體—區(qū)域—院落—單體建筑—部件—構(gòu)件、附屬文物的組—件—部件—構(gòu)件、環(huán)境與設(shè)施的物理系統(tǒng)實際特點出發(fā)，建立面向不同應用方向的存檔級、研究級、應用級、展示級等多層級模型[5]。

2.4 文物價值挖掘呈現(xiàn)

數(shù)字孿生數(shù)據(jù)最終將服務于博物館的保護、管理、展示等各方面，挖掘文物價值，將文物各方面價值呈現(xiàn)，是多元化數(shù)據(jù)建設(shè)的重要一環(huán)。文物包含歷史、文化、藝術(shù)、科學等各方面價值，歷史價值主要包括政治、軍事、經(jīng)濟等社會活動，宗教信仰、風情習俗、家庭等生活活動的時代特點與風貌等；藝術(shù)價值主要包括有審美、欣賞、娛樂、借鑒以及美術(shù)史料等方面；科學價值主要包括科學、技術(shù)、知識等方面。通過對文物歷史與現(xiàn)狀信息的全面搜集與整理、分析與識別、關(guān)聯(lián)與提取等方式，挖掘文物的歷史、藝術(shù)、科學價值，并將獲得的文物價值信息在孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建中的加工、組織、存儲中進行融合展現(xiàn)，賦予文物時代生命力，延續(xù)其做為文化經(jīng)典的示范意義[6]。

2.5 多元化數(shù)據(jù)融合

在數(shù)據(jù)構(gòu)建中，對齊時間、對齊空間、對齊尺度。對于空間信息，采用GIS 技術(shù)，在統(tǒng)一的平面、高程坐標系下，將所有數(shù)據(jù)進行歸一化，建立統(tǒng)一基準；對于時間信息，針對工作對象，厘清對象的時序，建立起時間軸，將所有時間基準信息串聯(lián)于時間線；對于數(shù)據(jù)信息，對多源異構(gòu)、多模多態(tài)、多維多層級數(shù)據(jù)，通過匯聚、轉(zhuǎn)換、關(guān)聯(lián)重組、統(tǒng)一存儲、應用控制，從而使信息構(gòu)成關(guān)聯(lián)多態(tài)體；最終實現(xiàn)全面的數(shù)字孿生博物館時空信息融合。

3 數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)應用

數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)字孿生功能的重要前提，在大型綜合性博物館中的應用前景廣闊，從建筑、展廳、藏品及設(shè)備設(shè)施的保護、管理、維護、修繕、展陳展示到科教等方面都起到積極地作用。

3.1 存檔保護中的應用

多元化數(shù)據(jù)的構(gòu)建，將博物館的現(xiàn)狀、歷史各個階段的數(shù)據(jù)存儲和記錄下來，對博物館的各類數(shù)據(jù)進行了存檔。同時，數(shù)字孿生是預防性保護和全面監(jiān)測信息的承載、呈現(xiàn)的宿主與載體，預防性體系的價值認知、風險識別、風險評估、風險應對，每個過程都對應信息和數(shù)據(jù)，基于空間信息，以孿生信息為載體，將預防性保護的所有要素與數(shù)字孿生融為一體，統(tǒng)領(lǐng)預防性保護全過程，進行不斷迭代的信息積累與分析、風險識別與評估、風險預警預測與應對工作。

3.2 展覽展陳中的應用

由于文物的不可再生性，為了延長文物壽命，大量館藏文物無法長期處于展覽狀態(tài)，甚至鮮少與觀眾見面，造成文物資源的極大浪費。

古建筑、展廳、藏品等各種類的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的構(gòu)建：首先，給予這類文物一個展示的新渠道，使其重新出現(xiàn)在大眾的視野；其次，數(shù)字展覽減少了時間、空間對文物展覽的限制，觀眾能夠通過移動端等設(shè)備隨時隨地享受各地豐富的展覽資源，并且也極大地解決了原有的展覽方式，能夠全方位的對文物進行展示，彌補了現(xiàn)有實體展覽中遮擋、光線、人流等造成的參觀效果不理想等問題。對于展陳策劃人員來說，線上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)合線下的人流監(jiān)控等措施也可以對展覽效果進行總結(jié)，對文物的受歡迎度，不同受眾的游覽偏好也能得到有效統(tǒng)計，更好的服務于實體展陳。

3.3 修復修繕中的應用

文物現(xiàn)狀和歷史數(shù)據(jù)的智能虛擬復原，為文物的修復和古建筑的修繕提供了新的思路。現(xiàn)階段，通過館藏文物的數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)，可以完成對館藏文物的現(xiàn)狀記錄、材質(zhì)分析、受損情況分析、碎片辨識、虛擬拼接等，也可對受損部位進行3D 打印復制，通過對文物的虛擬修復模擬實際修復中會出現(xiàn)的情況和問題，為多重修復思路進行數(shù)據(jù)模擬，盡可能減少出現(xiàn)失誤的可能性，也減少對文物的二次損傷，提高修復效率。在古建筑修繕中，通過數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，模擬建筑彩畫、油飾的修繕效果，將修繕方案以直觀的形式展現(xiàn)出來，并分析修繕成本，選用最優(yōu)的方式進行實體修繕，提高文物古建筑的修繕效率。

3.4 管理運營中的應用

數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)和技術(shù)，可在管理運營中大規(guī)模運用。在展廳中，可通過預設(shè)的各種設(shè)備搜集場館運行情況，游客和工作人員的行為數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對博物館的人員分布、展覽受眾、實時安保等情況進行全方位的統(tǒng)一管理，通過異常數(shù)據(jù)預先排除工作隱患，真正做到預防為主。在藏品方面，可根據(jù)藏品的多元化數(shù)據(jù)，構(gòu)建文物數(shù)字化管理平臺，對于館藏文物的資料更加全面、系統(tǒng)的管理，為館藏管理工作提供高效準確的查詢、統(tǒng)計等服務，對于文物的儲藏環(huán)境采取更加智能的監(jiān)控，調(diào)價設(shè)施，減少人工所造成的延遲誤差等造成的損傷。數(shù)字化的管理對于文物的出入庫管理也有更加安全的措施，出入庫的時間、去向、交接等在數(shù)字平臺統(tǒng)一管理。同時，能夠提供各種有預見性的管控措施，節(jié)假日的人流變化、疫情防控期間導致的場館開閉、車輛停放的調(diào)動、客流擁堵情況的疏導等。人工算法的出現(xiàn)為管理提供了“會思考”的趨勢判斷，結(jié)合大量的數(shù)據(jù)分析，使博物館運營更有的放矢，防患于未然。

3.5 宣傳教育中的應用

基于價值挖掘加工的博物館多元化的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，結(jié)合VR、AR 等數(shù)字化展示手段，可以使宣教打破現(xiàn)有的媒體宣傳方式，加大傳播效能，使群眾有更大的自主權(quán)。例如故宮博物院的V 故宮、數(shù)字多寶閣等運用，利用古建筑、藏品的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，結(jié)合文物的價值進行展示，讓越來越多的人看到傳統(tǒng)的文化和故事，走進故宮。同時，博物館通過對文物數(shù)據(jù)的分析運用，不僅能夠?qū)蝹€文物進行展示還能夠深入挖掘文物背后的歷史文化價值，將對文物的低效運用轉(zhuǎn)化為文物IP 的發(fā)展，真正使數(shù)字孿生數(shù)據(jù)擺脫對文物進行單純復制，保存的質(zhì)疑，真正做到利用孿生技術(shù)進行文化遺產(chǎn)的傳承。

4 結(jié)語

總之，博物館數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建絕不是僅僅對數(shù)據(jù)的采集復制，在適用于綜合性博物館的數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)上，突破數(shù)字孿生的多元數(shù)據(jù)構(gòu)建技術(shù)，數(shù)據(jù)構(gòu)建中的文物智能虛擬復原、虛實展示、信息映射模型及文物價值挖掘呈現(xiàn)技術(shù)，將高質(zhì)量、高效率、工程化地實現(xiàn)數(shù)字孿生博物館保護、傳承、利用。大型綜合性博物館的運作是綜合性的，就更加要求數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建出體系完全、應用全面、智能的系統(tǒng)為文化傳承助力。可以預見，數(shù)字孿生多元化數(shù)據(jù)與大型綜合性博物館的結(jié)合會極大地提高博物館的工作效率，更好地為游客提供有價值得文化輸出，但如何使兩者的價值發(fā)揮到更大，還需要我們更加積極的探索。