摘要：本论文聚焦不可移动文物预防性保护难题，深入探讨数字孪生技术在此领域的应用价值与实践路径。通过分析不可移动文物面临的自然侵蚀、人为破坏等保护困境，结合数字孪生技术的实时监测、虚拟仿真等特性，从数据采集、模型构建、平台搭建、预警响应等维度，系统构建基于数字孪生的预防性保护体系。同时，以古建筑、石窟寺等典型不可移动文物为案例，验证该体系的可行性与有效性，旨在为提升不可移动文物保护的科学性、主动性和智能化水平提供理论与实践参考。

关键词：数字孪生技术；不可移动文物；预防性保护；保护体系

引言

随着数字技术的快速发展，数字孪生技术逐渐应用于多个领域。该技术通过构建与物理实体高度一致的虚拟模型，实现对实体全生命周期的实时映射、动态监测与智能分析。在不可移动文物保护领域，数字孪生技术可突破传统保护模式的局限，实现从 “被动修复” 到 “主动预防” 的转变。目前，虽然部分文博单位已开始尝试将数字技术应用于文物保护，但数字孪生技术在不可移动文物预防性保护中的系统性应用研究仍相对匮乏，尚未形成成熟的保护体系。因此，深入研究基于数字孪生技术的不可移动文物预防性保护体系构建，对推动文物保护工作的创新发展具有重要意义。

1 不可移动文物保护现状与数字孪生技术应用基础

1.1 不可移动文物保护面临的挑战

自然因素威胁：长期暴露在自然环境中的不可移动文物，易受风化、雨水侵蚀、生物病害等影响。例如，石窟寺壁画因温湿度变化产生干裂、褪色；古建筑木构件受白蚁蛀蚀、霉菌滋生而损坏。

人为因素干扰：旅游开发过度、城市建设规划不合理、公众保护意识淡薄等人为因素，也对不可移动文物造成破坏。部分热门景区的古建筑因游客大量涌入，承受超出承载能力的压力，导致地面磨损、墙体变形；城市改造过程中，因缺乏对地下文物的重视，可能造成古遗址的破坏。

传统保护手段的局限性：传统的不可移动文物保护主要依赖人工巡检、定期维护和事后修复。人工巡检效率低、主观性强，难以发现细微的早期损坏；定期维护缺乏针对性，难以应对复杂多变的环境因素；事后修复则意味着文物本体已遭受不可逆的损伤，且修复成本高昂。

1.2 数字孪生技术的内涵与特性

数字孪生技术是一种融合物联网、大数据、云计算、3D 建模等多种技术的数字化手段，通过构建与物理实体相对应的虚拟数字模型，实现对实体状态的实时感知、动态模拟和预测分析。其核心特性包括：

高度映射性：能够精确复制不可移动文物的外观、结构、材质等物理特征，形成 1：1 的虚拟数字模型。

实时交互性：借助传感器、物联网设备等，实时采集文物的环境数据（温湿度、光照、振动等）和本体状态数据（裂缝宽度、位移变化等），并同步反馈至虚拟模型，实现物理实体与虚拟模型的双向交互。

智能预测性：基于大数据分析和机器学习算法，对采集的数据进行处理和分析，预测文物未来的劣化趋势，提前发出风险预警。

1.3 数字孪生技术在文物保护中的应用潜力

将数字孪生技术应用于不可移动文物预防性保护，可带来多方面的优势：一是实现对文物状态的全方位、实时监测，及时发现潜在风险；二是通过虚拟仿真模拟不同环境因素对文物的影响，制定针对性的保护措施；三是整合多源数据，为文物保护决策提供科学依据；四是为公众提供沉浸式的文物展示体验，增强公众对文物的认知与保护意识。

2 基于数字孪生技术的不可移动文物预防性保护体系构建

2.1 保护体系构建原则

科学性原则：采用先进的技术手段和科学的方法，确保数据采集的准确性、模型构建的合理性和分析预测的可靠性。

系统性原则：将不可移动文物及其所处环境视为一个整体系统，综合考虑自然、人为等多种因素对文物的影响，构建涵盖数据采集、传输、分析、预警、决策的完整体系。

预防性原则：以预防为主，通过实时监测和智能预测，提前发现文物潜在风险，制定并实施预防性保护措施，避免文物损坏。

可持续性原则：保护体系应具备良好的扩展性和兼容性，能够适应技术发展和文物保护需求的变化，实现长期稳定运行。

2.2 保护体系架构设计

基于数字孪生技术的不可移动文物预防性保护体系主要由数据采集层、网络传输层、数字孪生模型层、数据分析层和应用服务层构成：

数据采集层：通过传感器（温湿度传感器、位移传感器、裂缝监测传感器等）、三维激光扫描、无人机航拍、卫星遥感等设备，采集不可移动文物的本体信息（结构、材质、病害）和环境信息（气象、地质、周边建筑）。

网络传输层：利用 5G、物联网等通信技术，将采集的数据实时传输至数据中心，确保数据的高效、稳定传输。

数字孪生模型层：基于采集的数据，运用 3D 建模、GIS（地理信息系统）等技术，构建不可移动文物的高精度数字孪生模型，实现对文物外观、结构和内部特征的数字化呈现。

数据分析层：运用大数据分析、机器学习等算法，对传输的数据进行处理和分析，挖掘数据背后的规律，预测文物的劣化趋势，评估保护措施的效果。

应用服务层：面向文物保护管理者、研究人员和公众，提供实时监测、风险预警、虚拟展示、保护决策支持等服务功能。

2.3 关键技术支撑

多源数据融合技术：整合传感器数据、三维扫描数据、历史文献数据等多源异构数据，解决数据格式不统一、时空不一致等问题，确保数据的完整性和准确性。

高精度建模技术：采用三维激光扫描、摄影测量等技术，获取文物的高精度几何数据，结合材质纹理信息，构建逼真的数字孪生模型，实现对文物细节的精准还原。

实时监测与预警技术：通过传感器实时采集文物状态数据，设定阈值参数，当数据超过阈值时，系统自动发出预警，并生成风险报告，提示保护人员采取相应措施。

虚拟仿真与预测技术：基于数字孪生模型，模拟不同环境条件（如暴雨、地震、温度骤变）对文物的影响，预测文物的损坏模式和发展趋势，为制定预防性保护方案提供参考。

3 基于数字孪生技术的不可移动文物预防性保护体系应用案例分析

3.1 案例一：古建筑数字孪生预防性保护应用

以某历史文化名城的古建筑群为例，运用数字孪生技术构建预防性保护体系。首先，通过三维激光扫描获取古建筑的几何模型，利用传感器监测建筑的温湿度、沉降位移、木材含水率等数据；然后，构建古建筑的数字孪生模型，并接入实时监测数据，实现对古建筑状态的动态展示。当监测到某栋古建筑的木材含水率异常升高时，系统自动预警，提示可能存在白蚁蛀蚀或雨水渗漏风险。保护人员根据系统提供的信息，及时进行检查和处理，避免了古建筑的进一步损坏。

3.2 案例二：石窟寺数字孪生预防性保护应用

针对某大型石窟寺，采用数字孪生技术开展预防性保护工作。利用无人机航拍和地面三维扫描，获取石窟寺的整体外观和洞窟内部的高精度模型；在洞窟内布置温湿度、光照、空气质量等传感器，实时监测环境数据。通过数字孪生模型，分析环境因素对石窟壁画、造像的影响，预测病害发展趋势。

结束语

基于数字孪生技术的不可移动文物预防性保护体系，为文物保护工作提供了创新思路和技术手段，有助于实现从被动保护向主动预防的转变。通过构建科学、系统的保护体系，整合多源数据，运用先进技术，能够实时监测文物状态、预测潜在风险、优化保护决策，有效提升不可移动文物保护的智能化水平。尽管目前该体系在实际应用中仍面临一些问题和挑战，但随着技术的不断发展和完善，数字孪生技术必将在不可移动文物保护领域发挥更大的作用。未来，应加强数字孪生技术与文物保护领域的深度融合，开展更多的实践探索和应用研究，同时注重相关标准规范的制定和人才培养，推动不可移动文物预防性保护工作迈向新的台阶，更好地传承和弘扬中华民族的优秀历史文化遗产。

参考文献：

[1]谷志旺，孙沈鹏，张铭，等.基于数字孪生的剧场类历史建筑全生命期预防性保护技术[J].建筑施工，2024，46（9）：1385-1390.