我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的必要性和可行性

■王 佳／廣西師范學院旅游學院

數(shù)字孿生［1］（Digital Twin）的概念最早是在2003年Grieves教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出。后來，美國國家安全局（NASA）將數(shù)字孿生的概念引入到航天飛行器的訓練、健康維護等問題中。數(shù)字孿生的理念是把現(xiàn)實世界的人、物、事等要素進行數(shù)字化處理，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建出物理對象的數(shù)字仿真體，復現(xiàn)實體對象的數(shù)字化形態(tài)，兩種相互同步狀態(tài)，二者能夠及時地掌握彼此的動態(tài)變化并做出實時響應，因此通過數(shù)字孿生體可以模擬實體對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為發(fā)展趨勢。

最早將數(shù)字孿生技術(shù)應用于日常生產(chǎn)生活中的是工業(yè)領域［2］。隨著物聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生體的仿真過程的精確化，應用范圍逐漸擴大。著名美國電動車及能源公司特斯拉，就為所生產(chǎn)和銷售的每一輛電動汽車都建立數(shù)字孿生模型，并且在公司數(shù)據(jù)庫中儲存了相對應的模型數(shù)據(jù)，便于日后在測試中排查故障，為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務。

數(shù)字孿生是一項新興的數(shù)字化技術(shù)，但在文物遺產(chǎn)保護領域，鮮有與數(shù)字孿生系統(tǒng)的相關研究。本文從我國水下文物遺產(chǎn)保護所面臨的困境作為切入點，發(fā)現(xiàn)引入數(shù)字孿生可以有效改善我國水下文物遺產(chǎn)保護所面臨的瓶頸，進而從保護、展示我國水下文物遺產(chǎn)的需要以及我國歷史文化傳承的需要三方面分析了構(gòu)建水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的必要性，并從技術(shù)、政策和經(jīng)驗三方面闡述了構(gòu)建的可行性。

一、我國水下文物遺產(chǎn)保護面臨的困境

(一)海洋侵蝕嚴重

海洋環(huán)境十分復雜。海水是電解質(zhì)溶液即強腐蝕介質(zhì)，任何一種物質(zhì)長期浸泡在海水中，都會受到不同程度的腐蝕。而那些深藏于海水中近百年甚至千年的文物，其受損程度更是難以想象。除了海水，海洋生物對水下文物的影響也十分明顯。如藤壺、牡蠣、貽貝和盤管蟲等，這些水下生物一旦在文物表面固著，一生都不會再離開［3］。除了生物本身固著，它們分泌的酸性腐蝕物質(zhì)也會導致文物表面污損或本體受到侵害。除此之外，全球性氣候變暖引起的海平面上升、海底地震等海洋災害；以現(xiàn)代能源污染為主的海洋污染、海洋沉積都是水下文物的巨大威脅。正是由于水底環(huán)境的復雜性，水下文物的保護工作比陸地文物保護工作更加艱難。

(二)非法盜撈屢禁不止

水下文物同地面文物一樣，其本身極具文化、藝術(shù)價值，除此之外還會受國內(nèi)外文物收藏熱潮、投資熱潮的影響，引來一些被高額利潤驅(qū)使的不法分子、當?shù)貪O民的盜掘、盜撈、倒賣，在金錢和利益的誘惑下文物盜采的不法行為日益猖獗。2011年，在西沙群島水下文化遺產(chǎn)保護狀況巡查和文物執(zhí)法督查工作中，發(fā)現(xiàn)西沙48處水下文化遺存中，26處遺存的盜撈面積超過50%，有些沉船遺址中心區(qū)域甚至已被洗劫一空。這些盜撈水下文物的不法分子眼中只有利益，盜采過程粗暴、野蠻，除了大量寶貴文物被掠奪，水下文物遺存也遭受了不可逆的破壞。令人痛心的是，被考古工作者發(fā)現(xiàn)的水下文物，仍有被盜撈者盜竊的危險。如海南省文物局局長王亦平透露：“西沙群島北礁13號遺物點，在2010年調(diào)查時曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3塊碇石，當時由于原址保存的需要，考古隊僅采集了1塊，今年對其復查時發(fā)現(xiàn)其余兩塊碇石已經(jīng)不見。”水下文物遺產(chǎn)的流失現(xiàn)象嚴重，如何守住那些水下遺存也是當今政府和考古工作者亟待解決的問題。

(三)水下文化遺產(chǎn)保護工作難度大

我國歷史文化悠久，古代主要通過水路與世界各國進行社會經(jīng)濟交流，且十分頻繁，因此在我國水下留下了大量的水下文物遺產(chǎn)，蘊含了相當珍貴的歷史信息，然而水下文物遺產(chǎn)的傳承和保護工作卻難以展開。就保護工作方面而言，受到水下文物遺產(chǎn)存在位置以及一些不可抗拒的自然因素和人為因素的影響，水下文物遺產(chǎn)更易受到難以復原的破壞。此外考古工作者在對水下文物遺產(chǎn)進行就地保護或發(fā)掘性保護工作的過程中常受不可測因素的影響，保護工作難以進行，甚至在水下工作時會有遭遇生命危險可能。就傳承工作而言，這些深藏水底的文化瑰寶，對大眾而言遙遠而無法觸及，更不用說去深入了解這些文化瑰寶的內(nèi)涵。例如那些“沉睡”在南海之下的瑰寶，見證了中華民族世代在南海的活動，是南海邊疆問題的重要歷史佐證。然而這樣重要的水下文物遺產(chǎn)，知道和了解的人甚少，難以激發(fā)民眾的自覺保護意識，亦難以起到喚起民族凝聚的作用。

二、我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的必要性

(一)保護我國水下文物遺產(chǎn)本體的現(xiàn)實需要

隨著輕潛水技術(shù)以及其他水下探測、打撈技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，我國水下文物遺產(chǎn)遭到盜采、盜撈、搶掠的情況愈演愈烈，水下文物的保護工作遭到了前所未有的挑戰(zhàn)。為了保護水下文物，我國很多水下考古都屬于搶救性發(fā)掘，而打撈上來的水下文物，會因離開水體受到新一波的腐蝕，難以保持原貌。遇到此種情況時，若采用了數(shù)字孿生，則可留下這些文物的“第一手”樣貌，對水下文物遺產(chǎn)的研究的有重要意義。除了非法盜撈，一些合法的經(jīng)濟活動亦對水下文物遺產(chǎn)造成影響。如涉海建設、水產(chǎn)生產(chǎn)作業(yè)等。雖然政府對水下文物遺產(chǎn)保護意識有所提高，多處沿海地區(qū)提出在涉海工程建設前期，需要給出水下文物原址保護或發(fā)掘打撈的合理原則的要求。但在實際實施過程中仍然難以避免出現(xiàn)的失誤，而致使水下文物受到破壞。若使用數(shù)字孿生系統(tǒng)則可基于現(xiàn)實情況的參數(shù)，預測保護或打撈程序?qū)λ挛奈镉绊?，從而有針對性的解決經(jīng)濟建設中的保護問題。由此可見構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)對保護水下文物的有重要的現(xiàn)實作用。

(二)展示我國水下文物遺產(chǎn)的切實需要

數(shù)字孿生構(gòu)建“虛擬水下文化遺產(chǎn)”，是一種全新的數(shù)字化技術(shù)。水下文化遺產(chǎn)的數(shù)字孿生體，可以向人們再現(xiàn)更加逼真、靈動、鮮活的水下遺跡，即使游客不進入實際的水下遺址場景，也可以欣賞到整個水下遺址的全貌，包括遺址、建筑、房屋甚至是散落其中的工藝品。這樣就避免了由于水下文化遺址的特殊地理位置，人們無法深入水下參觀的窘境。我國的白鶴梁題刻博物館——世界上唯一一座水下博物館，負責博物館設計方案的葛修潤教授曾在采訪中提到“白鶴梁博物館一共耗資2億元人民幣，如果有其它辦法可以替代，那一定不會修水下博物館”。并且葛教授認為并非所有的水下文物都適合建水下博物館。那么水下文物的展示勢必要以其它方式呈現(xiàn)，構(gòu)建水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)正是解決這一問題的科技途徑。它可以讓人們不受時間、地點、財力、體力等條件限制，去了解文物遺產(chǎn)，目睹其真容，使我國的水下文物遺產(chǎn)，真正成為家喻戶曉文化遺產(chǎn)。

(三)傳承我國歷史文化的長遠需要

我國的水下文物遺產(chǎn)既是我國重要的海洋資源，也是我國歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，更是弘揚和傳承中華優(yōu)秀文化、維護國家主權(quán)的重要載體。那么就要求文化遺產(chǎn)保護工作者除了研究、保護、利用水下文物遺產(chǎn)，同時也應當傳承我國“水下文化”。從傳承文化這個方向而言，在此過程中引入數(shù)字孿生有以下幾點益處。首先，有助于水下文物遺產(chǎn)的保存。利用數(shù)字孿生虛擬的水下文化遺物的數(shù)字孿生體可以保存其本來面貌，假如將來的其本體不幸遭到毀壞，數(shù)字孿生體依然能夠使其以數(shù)字化形式永久性的保存、展示甚至復刻，挽救瀕臨滅絕的人類文明。其次有助于水下文物遺產(chǎn)的研究。有了水下文物遺產(chǎn)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，研究學者們即使不接觸其本體，也能對文物的紋理、形狀、表面特、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、歷史等特征進行探究。例如發(fā)現(xiàn)工藝失傳的木制品，木匠可以通過研究數(shù)字孿生體，找回失傳的工藝，同時也是找回國家失落的文化。其三，有助于維護我國國家主權(quán)。近年來一些有不法之心的國家蓄意破壞我國南海水下文化遺存，想以此銷毀歷史上中國在南海活動的證據(jù)，妄圖侵犯我國南海主權(quán)。這種情況下將數(shù)字孿生引入我國水下文物遺產(chǎn)的保護和傳承就更顯緊迫，具有唯一性的文物數(shù)字孿生體將是打破這一陰謀的有力證據(jù)。

三、我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建可行性

(一)科學技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持

數(shù)字孿生主要涉及到的技術(shù)有系統(tǒng)仿真技術(shù)包括三維圖像技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)（AR技術(shù)）、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）、虛擬制造技術(shù)等，數(shù)字孿生還與計算機的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)發(fā)展有密切關聯(lián)。近年來，高性能計算、分布式計算以及大規(guī)模計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及多種智能優(yōu)化算法的涌現(xiàn)為數(shù)字孿生應用在水下文物遺產(chǎn)上提供了基礎的技術(shù)支持。大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云存儲等新興通訊技術(shù)的普及為水下文物遺產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、預測提供了快速通道。三維圖像技術(shù)的發(fā)展使得水下文物實體對象與其存在的真實環(huán)境得以以數(shù)字化的形式反映出來。此外隨著AR/VR技術(shù)不斷進步，考古工作者通過類似“GEAR VR頭顯”的裝備，能對數(shù)字化后的水下文物遺產(chǎn)進行深入“解剖”。科技的發(fā)展使得數(shù)字孿生所需的技術(shù)的逐漸成熟，為構(gòu)建我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)提供了強勁技術(shù)支撐。

(二)國家的政策思想提供了政策保障

2010年國家海洋局與國家文物局簽署了《關于合作開展水下文化遺產(chǎn)保護工作的框架協(xié)議》，將水下文化遺產(chǎn)保護列為海洋文化建設的重要內(nèi)容之一，意味著水下文化遺產(chǎn)的保護與利用日益引起我國政府關注。2017年2月國家文物局印發(fā)的《國家文物事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》第一點就是加強不可移動文物保護，特別對水下文化遺產(chǎn)的保護做了強調(diào)。其中包括開展西沙群島、南沙群島及沿海重點海域水下文化遺產(chǎn)調(diào)查和水下考古發(fā)掘保護項目，推進南海I號、丹東I號等考古發(fā)掘和保護展示項目，實施海上絲綢之路文物保護工程［4］。2017年9月，國家文物局水下文化遺產(chǎn)保護中心主辦的首屆“一帶一路”沿線國家水下考古培訓班正式開班，預示我國開始加大水下考古專業(yè)人才隊伍建設培養(yǎng)力度。綜上種種，可以發(fā)現(xiàn)，近年來我國水下文物遺產(chǎn)保護已從單純水下?lián)尵刃钥脊虐l(fā)掘，發(fā)展到全方位的水下文物保護。此外還有文化部、國家發(fā)展改革委、財政部、國家文物局聯(lián)合提出《關于推動文化文物單位文化創(chuàng)意產(chǎn)品開發(fā)的若干意見》，科技部、文化部、國家文物局聯(lián)合印發(fā)的《國家“十三五”文化遺產(chǎn)保護與公共文化服務科技創(chuàng)新規(guī)劃》。國家文物局、國家發(fā)展和改革委員會、科學技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、財政部聯(lián)合發(fā)布《“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”三年行動計劃》，均是構(gòu)建我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)強有力的政策保障。

(三)文物遺產(chǎn)數(shù)字化保護的成功提供了經(jīng)驗保障

清華大學建筑學院郭黛姮教授的數(shù)字圓明園研究，使用虛擬復原技術(shù)，成功“復活”圓明園32個景區(qū)、270年間的面貌，當將近6成的被“復原”的圓明園展示于眾的時候，眾人為之驚嘆。郭教授及其團隊還實現(xiàn)了圓明園研究成果的應用轉(zhuǎn)換，研發(fā)了“虛擬現(xiàn)實”的圓明園移動導覽系統(tǒng)和圓明園虛擬游園系統(tǒng)，以及具有海量數(shù)據(jù)，集定位、導航、位置識別、音頻講解等于一體的圓明園移動導覽產(chǎn)品和高清沉浸式體驗產(chǎn)品。這為水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建提供了理論經(jīng)驗及應用發(fā)展方向的指向。此外青島市通過3D打印技術(shù)等比例復制了云岡石窟3號窟，構(gòu)建了第3窟的高保真彩色三維模型，此模型復制了文物本體的所有細節(jié)，可以為參觀者提供惟妙惟肖、身臨其境的藝術(shù)體驗。前人的成功經(jīng)驗顯示，水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生研究作為文物遺產(chǎn)數(shù)字化保護的新理念是有效可行的。

四、結(jié)語

在當今全球化和信息化的時代，借助數(shù)字孿生系統(tǒng)保護、傳承、利用我國水下文物遺產(chǎn)，是水下文物生存的需求，是人民對民族文化保護的渴求，也是維護我國領海主權(quán)的訴求。在發(fā)展“一帶一路”的國家戰(zhàn)略背景下，構(gòu)建我國水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)具有重要的理論與現(xiàn)實意義，為探索社會、經(jīng)濟、文化和科技融合發(fā)展的文物保護提供新思路。

［1］GRIEVES M. Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication［R］.Melbourne:U.S.Florida Institute of Technology，2014.

［2］陶飛，張萌，等.數(shù)字孿生車間——一種未來車間運行新模式［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2017（01）.

［3］金濤.海洋條件下的水下文物埋藏

環(huán)境概述［J］.文物保護與考古科學，2017，29（01）.

［4］國家文物局.國家文物事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃［Z］.國家文物局，2017-2.