廖安生　王曉賢

摘 要：南京明城墻由于其獨(dú)特的歷史意義，近年來(lái)一直在進(jìn)行維修保護(hù)，文章根據(jù)保護(hù)性監(jiān)測(cè)工作實(shí)踐，分析了當(dāng)前采用方法的利弊，探討了三維激光掃描技術(shù)在南京明城墻保護(hù)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：南京明城墻；三維激光掃描技術(shù)；監(jiān)測(cè)

南京明城墻始建于1366年，完成于1393年，前后歷時(shí)近30年，系明太祖朱元璋集中全國(guó)之力而建成的都城城垣。建成后的南京城分為外郭、京城、皇城、宮城四道城墻，其中京城城墻長(zhǎng)35.267公里，城墻高約14～26 米，頂寬2.6～19.75 米，為當(dāng)時(shí)世界第一大城，集中國(guó)古代城垣建筑、軍事防御工程之大成，是中國(guó)城垣建筑史上的典范之作。經(jīng)過(guò)600多年歷史，歷經(jīng)風(fēng)雨侵蝕和人為破壞，外郭、皇城、宮城僅存殘跡，而現(xiàn)存南京明城墻為應(yīng)天府城，即京城城墻現(xiàn)仍存25.091千米。1988年南京明城墻被公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，1992年南京市建委會(huì)同規(guī)劃、園林、文化等多個(gè)部門(mén)組織編制了《南京明城墻保護(hù)規(guī)劃》，這是明城墻歷史上第一個(gè)較為全面的保護(hù)規(guī)劃，經(jīng)過(guò)多年明城墻風(fēng)光帶的建設(shè)，城墻的面貌得到了逐步恢復(fù)。但因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，加上規(guī)模龐大，破壞性的險(xiǎn)情還是時(shí)有發(fā)生，對(duì)明城墻的保護(hù)性監(jiān)測(cè)一直都在進(jìn)行，監(jiān)測(cè)的方法和手段也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷的改進(jìn)。

一、南京明城墻的損傷現(xiàn)狀及原因

南京明城墻的損傷現(xiàn)象主要有臌脹、裂縫、沉降、剝落、坍塌、側(cè)移等。臌脹指城墻表面局部凸起，但尚未出現(xiàn)城磚脫落的現(xiàn)象。裂縫指墻體出現(xiàn)深淺不一、長(zhǎng)短不等的裂縫。剝落指墻體表面出現(xiàn)城磚松動(dòng)，脫離墻體的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在臌脹、開(kāi)裂以后。坍塌指城墻表皮連同部分內(nèi)芯倒塌，是城墻破壞的最嚴(yán)重后果。沉降是指城墻墻體由于內(nèi)部出現(xiàn)空洞，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致上層城墻砌體下沉。位移是指臨近地表的城墻墻體向其中一側(cè)滑動(dòng)，多見(jiàn)于包山墻段。

造成以上城墻損傷的原因主要有：城墻頂部防水層的破壞導(dǎo)致的雨水沖刷、城墻頂部及側(cè)面植被根系的影響、內(nèi)側(cè)山體變動(dòng)對(duì)城墻的擠壓和城墻附近各種施工建設(shè)活動(dòng)對(duì)地基土層的影響。

二、目前常用的保護(hù)性監(jiān)測(cè)方法

通過(guò)對(duì)明城墻主要損傷現(xiàn)象的分析，剝落、坍塌等破壞性損傷的根本原因也是由臌脹、裂縫、沉降、位移的變化引起。相當(dāng)于一個(gè)量變到質(zhì)變的過(guò)程。因此臌脹、裂縫、沉降、位移也是明城墻保護(hù)性監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)中分別制定了不同的方法。

（一）臌脹監(jiān)測(cè)

臌脹監(jiān)測(cè)通常采用高精度全站儀（如Leica TCA2003、Leica TS30等）配合反射片的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在發(fā)生臌脹的墻體上特征位置安裝反射片，在臌脹點(diǎn)附近設(shè)置監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，每次監(jiān)測(cè)時(shí)在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)全站儀，直接瞄準(zhǔn)反射片讀取三維坐標(biāo)，通過(guò)多期監(jiān)測(cè)，可以計(jì)算相關(guān)位置的變化，從而分析臌脹點(diǎn)的變化動(dòng)態(tài)及變化速率。

（二）裂縫監(jiān)測(cè)

裂縫監(jiān)測(cè)通常采用鋼尺和測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)一般的裂縫采用鋼尺的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在裂縫部位安裝鋼尺，定期采集裂縫寬度進(jìn)行跟蹤分析。對(duì)重點(diǎn)部位的裂縫除了采用鋼尺進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還在裂縫點(diǎn)安裝振弦式測(cè)縫計(jì)，通過(guò)根據(jù)振弦式測(cè)縫計(jì)的讀數(shù)大小可以更精確地反映裂縫的變化情況。

（三）沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)通常采用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在城墻沉降位置布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在沉降點(diǎn)附近布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，每期監(jiān)測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算各沉降點(diǎn)的高程，通過(guò)多期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算各沉降點(diǎn)的沉降量及沉降速率。

（四）位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)通常采用GPS測(cè)量和全站儀導(dǎo)線測(cè)量的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在城墻頂部設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用GPS接收機(jī)測(cè)定點(diǎn)位坐標(biāo)，GPS信號(hào)有遮擋的區(qū)域采用全站儀測(cè)定坐標(biāo)，通過(guò)多期坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分析判斷城墻位移情況。

三、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開(kāi)創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集的新紀(jì)元。突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，具有非接觸、高精度、高速度、高密度、全數(shù)字化、海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的城墻臌脹點(diǎn)監(jiān)測(cè)中，常常采用全站儀配合反射片的方法，考慮到安裝反射片本身對(duì)墻體有一定的影響，安裝密度不能太高，只能挑選一些特征點(diǎn)，但城墻的臌脹變化無(wú)規(guī)律可循，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)監(jiān)測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)值要求極高。而且墻體上的反射片常常會(huì)因?yàn)楦鞣N原因造成破壞、掉落等，一旦出現(xiàn)這種情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的延續(xù)性就無(wú)法保證。同樣的道理，在裂縫、沉降、位移等監(jiān)測(cè)中，由于明城墻的特殊性，要盡可能減少監(jiān)測(cè)過(guò)程中安裝設(shè)備的影響，監(jiān)測(cè)密度無(wú)法與常規(guī)建筑物相提并論，密度的降低也意味著監(jiān)測(cè)樣本的減少，同樣意味著風(fēng)險(xiǎn)的提升。

三維激光掃描技術(shù)災(zāi)城墻保護(hù)性監(jiān)測(cè)中，由于其非接觸的數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中不需要在城墻上安裝任何設(shè)備，避免了任何人為的破壞，也更符合城墻保護(hù)本身的意義。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，三維激光掃描儀可以對(duì)城墻整個(gè)墻體進(jìn)行精確掃描，獲得毫米級(jí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)在掃描過(guò)程中，掃描儀自帶的相機(jī)可以獲取全景影像。對(duì)每一段的城墻掃描完畢后，數(shù)據(jù)處理軟件可以根據(jù)掃描中的同名點(diǎn)自動(dòng)匹配，將不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫拼接，最終處理生成三維模型。

因此，三維激光掃描技術(shù)在南京明城墻保護(hù)中的應(yīng)用，不但可以提高監(jiān)測(cè)效率、監(jiān)測(cè)質(zhì)量，為保護(hù)單位提供決策依據(jù)，還可以拓展旅游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，為城墻文化傳承搭建平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊新華，.南京明城墻科學(xué)保護(hù)與搶險(xiǎn)維修[J].中國(guó)文物報(bào)，2007（06）.

[2] 張琪.南京獅子山段城墻監(jiān)控淺析[J].江蘇建筑，2011（02）.