基于數字技術的遼代磚塔保護與研究應用實踐

王卓男，高 敏

引言

2016年，課題組基于數字技術就全國范圍內的遼代磚塔系統(tǒng)地展開了普查與研究工作，現已獲取近百處遼塔的精準數據，包括點云模型截圖、無人機傾斜攝影立面圖、數碼攝像照片等，基本可實現對建筑全方位、多角度的觀測。

數字技術作為一種高精技術手段，近年來被廣泛應用于古建筑保護與研究領域。數字手段的介入，無疑能夠為相關研究的開展給予有力幫助。本文對基于數字技術的遼代磚塔保護與研究應用實踐進行論述，希望為業(yè)內提供一定的借鑒。

1 遼代磚塔及業(yè)內早期研究情況簡述

1.1 遼代磚塔概況

現存遼代磚塔（可簡稱“遼塔”）百余處（包括殘塔等），多位于遼寧、京津冀、內蒙古、山西及吉林地區(qū)。截至2022年2月，課題組已獲取其中86處的精準數據（表1）。

表1 已獲取數據的遼代磚塔分布與數量情況單位：處①

遼代磚塔主要包括密檐式塔、樓閣式塔、花塔和覆缽式塔，其中以密檐式塔居多，樓閣式塔次之，花塔和覆缽式塔較少。梁思成就中國磚石塔各階段的建筑特征，將其演變過程分為古拙期（500-900年）、繁麗期（1000-1300年）、雜變期（1280-1912年）3個時期。遼代磚塔盛于繁麗期，以宏大的建筑體量、秀美的塔身雕飾以及較多的遺存數量受到業(yè)內的廣泛關注。

1.2 業(yè)內早期相關研究概況

關于遼代磚塔，遼、金、宋史書以及部分地方志中有一些粗略記載，《馬可·波羅游記》等游記文學作品當中也有提及，但整體而言相關記載并不充盈。

19世紀末，以伊東忠太為首的眾多日本學者針對東北地區(qū)的遼代磚塔開展了調查工作，成果包括《滿洲的佛塔》《遼代佛塔概況》《遼金時代的建筑與佛像》等論著。德國學者柏石曼憑借攝影技術，采集到部分佛塔的影像資料，部分成果呈現于一書中。對于中國的遼塔研究工作而言，該階段海外學者的研究具有重要啟發(fā)和推動作用。

梁思成對遼代磚塔進行了較為系統(tǒng)的考察研究，《薊縣觀音寺白塔記》《天寧寺塔建筑年代之鑒別問題》《河北省西部古建筑調查紀略》《中國古塔》等學術論著中均有論及遼代磚塔的部分，自此遼代磚塔研究真正進入由中國人主導的科學調查研究階段。在此過程中，中國學者們依托傳統(tǒng)的測繪與信息采集技術，留下了一批珍貴的文字、影像和圖紙資料。

傅熹年在《中國古代城市規(guī)劃建筑群布局及建筑設計方法研究》中展示了部分樓閣式遼塔的早期測繪圖紙，并公開了部分建筑數據?；诖耍奠淠晏接懥诉|塔以檐柱高為模數控制塔身整體尺度的設計方法。張漢君、張曉東、陳伯超等多位學者均圍繞遼代磚塔展開過細致的研究。張漢君針對遼釋迦佛舍利塔和萬部華嚴經塔進行研究，指出遼塔應具有某種類似“營造法式”的營造制度。張曉東則大規(guī)模梳理了數十座遼塔的建筑信息，并對其進行基礎分類。陳伯超、趙兵兵、張鵬飛等學者從藝術、技術等不同角度對遼塔進行了系統(tǒng)研究，并著有《遼代磚塔》一書。

隨著遼代磚塔所獨具的重要研究價值的逐漸顯現，研究遼塔的論文數量也逐漸增多，但測繪手段的先進性與上述兩階段相比，卻不見明顯提高，大多仍是基于傳統(tǒng)測繪手段獲取建筑信息，其間難免存在覆蓋范圍有缺失、信息準確性受資料多元化影響等問題。在一定程度上，二維圖紙難以滿足多方位的觀測需求。

近年來，數字技術在建筑領域已被廣泛應用。地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等空間信息技術在信息獲取、處理、管理和分析上有著強大的優(yōu)勢，在古建筑與遺產保護領域能夠提供顯著幫助。數據獲取的全面與動態(tài)、數據挖掘的定量與定性、信息展示的直觀性、信息應用的便捷性等更是支撐數字技術在古建筑領域具有廣闊發(fā)展前景的核心驅動力。

2 數字技術在遼代磚塔課題中的應用要點

課題組在進行古建筑研究及相關工作時，將以獲取建筑信息為目的的測繪等工作稱為“外業(yè)”，將數據整理與學術研究工作稱為“內業(yè)”?！巴鈽I(yè)”是“內業(yè)”的重要基礎，測繪所得的建筑數據是對遼塔保護展開、科研工作的核心與前提。而數字技術對于“內業(yè)”“外業(yè)”均有所助益，不僅能夠提高工作效率，而且能夠使測繪精度得到大幅度提升，是傳統(tǒng)的測繪手段所難以達到的。但其間也有許多需要注意的方面，測繪儀器的選用、搭配和數據精準度的把控這兩個方面最為重要，是具體應用時需要格外注意的。

2.1 測繪儀器的選用與搭配

三維激光掃描技術是測繪工作主要使用的數字技術，此項技術最先發(fā)展于20世紀90年代，其最大優(yōu)勢是突破了單點測繪的局限，具備激光測距、掃描及內部控制與校正等功能，能夠快速得到建筑的三維數據，具有高效率、高精度的技術優(yōu)勢，根據三維點云模型可以對建筑數據進行精準度量。

三維掃描儀理想的狀態(tài)是在地面進行水平角度的架站式作業(yè)，故對建筑高處及頂部的數據，難免存在獲取不全面的問題。通過多年的嘗試與鉆研，課題組認為無人機傾斜攝影技術在一定程度上可以彌補此缺失。

無人機傾斜攝影是近幾年新興的一項技術，雖然在獲取數據的精準度方面略遜于三維掃描儀，但具備空中定點懸停、多姿態(tài)調整相機角度等功能，可以靈活采集近地及空中目標物體的立面影像，故能夠補充三維掃描儀難以獲取的頂部數據。不僅如此，傾斜攝影對目標物體的表面影像采集效果極佳，可以對建筑進行360°無死角環(huán)繞實時觀測，建筑的材質、紋理及殘損情況等均能較真實地反映出來，故能提供另一種實時觀測建筑現狀的功能，對建筑狀態(tài)觀測等相關研究與保護工作大有助益。

課題組最初采用此兩項技術進行遼塔數據采集時，使用的設備是徠卡C10和大疆精靈3，測繪單個遼塔的時間通常為4-5 h，機器搬運不易，十分耗費時間和精力。經技術迭代，近兩年課題組在進行“外業(yè)”工作時使用的設備為徠卡RTC360和大疆御2，已基本可以將時間控制在2 h內，工作效率不斷提高（圖1）。

圖1 課題組早年及現今所用數字技術設備

根據現實情況搭配使用三維數據掃描技術與無人機傾斜攝影技術，可完整獲取不同體量、形制、殘損情況等遼代磚塔的完整建筑信息。這既是一種新的表達方式，又比原始手繪圖紙精準，信息量也更大。此外，再配合數碼攝像輸出高精度的建筑立面、細部等圖紙，就基本能夠實現對建筑全面且宏觀的展現。

圖2分別為慶州白塔的點云模型截圖、傾斜攝影模型截圖和無人機拍攝鳥瞰圖。在具體的研究工作中，憑借此3類圖紙可展開不同針對性的研究。點云模型在數據測量、尺度獲取方面具有顯著優(yōu)越性，傾斜攝影模型則可實現線上建筑觀測，細部的結構做法、材料的紋理與質感等都能較好呈現。建筑各角度立面展現、細節(jié)殘損情況以及與周邊環(huán)境的關系等，可通過攝影圖紙展現。

圖2 慶州白塔各數據技術展示

目前，基于86處遼代磚塔的建筑信息庫已基本包括上述全部內容，能夠滿足現階段宏觀、微觀等不同層次以及形制、構造等多角度的針對性研究需求。當前技術仍較繁瑣，還需在未來不斷實踐，學習這些技術在古建筑工作中的應用方法，在精準與高效之間找到平衡點。

2.2 數據精準度把控

為確?？蒲谐晒目山梃b性，在采集數據的精準度方面，不但在“外業(yè)”工作時堅定地選擇精準度最高的數字技術，在“內業(yè)”工作中也盡可能發(fā)揮主觀能動性對其加以宏觀掌控。

首先發(fā)揮三維掃描儀在獲取數據精準度方面的顯著優(yōu)勢，通過合理設置標靶，多次、全面采集建筑的數據信息，而后在“內業(yè)”工作時借助全站儀、RTK等設備對模型進行多次調整、核對，以使數據精準度達到最佳，最終將其拼接成完整的點云數據模型。據此能夠測量遼塔的總高、平面、面闊、塔檐及任一細部構件的精準數據，為研究工作提供堅實基礎。

對于遺存至今的遼塔而言，有一些難以規(guī)避的現實因素會導致建筑數據發(fā)生變化，如時間變遷帶來的構件損毀、地坪抬高與沉降以及近現代的修繕工程等。除此之外，建筑基準的不統(tǒng)一也是較大的影響因素。這也是在現今關于遼代磚塔的研究中，部分資料對同一遼塔高度所引數值存在差異的重要原因。因此，在對現存遼代磚塔高度進行系統(tǒng)梳理時，首先對塔高的測量范圍作具體界定，即以現有臺明或地坪和明確的塔頂建筑構件為測量基準給出高度，后續(xù)所作不同角度的針對性研究均是基于此基準，盡可能規(guī)避度量基準不統(tǒng)一對科研工作的干擾。

若要對數據的精準度進行宏觀把控，不僅需要選擇合適的數字手段進行“外業(yè)”工作，而且需要在“內業(yè)”工作中細致地修正與拼接，還要在具體的科研工作中建立統(tǒng)一的度量基準，這樣才能保證建筑數據的精準度可以滿足科研任務的多種需求。

3 數字技術在遼代磚塔研究與保護中的具體應用

課題組自2016年至今發(fā)表了多篇相關碩士學位論文和期刊論文（表2）。早年注重研究個例塔的形制做法以及類型塔的比例、形制等方面，近年則側重研究微觀的細部構件做法。二者對于數字技術的需求不同：前者需要極精準的數據作為支撐，后者則更偏重基于高精影像資料的細部做法觀測。

表2 遼代磚塔課題部分學術論文

此外，遼代磚塔的保護與修繕工作也非常重要。內蒙古赤峰市武安州塔曾引起業(yè)內外諸多人士的熱切關注，現將其修繕前后的數據采集工作內容簡述于下，以探討數字技術在遼塔研究與保護中的具體應用。

3.1 塔體比例及細部構件形制研究

2019年始，課題組就類型塔的塔體比例關系展開相關研究?；谶|中京道境內遼塔分布較為集中且具有鮮明的地域性特征，曾選取此京道內14座密檐式塔展開研究。確定以塔身及塔檐部分為核心的研究基準后，通過對塔高與塔平面、塔立面各部比例、塔各細部比例一一比較，發(fā)現14個研究樣本的核心塔身與塔檐部分具有相同的比例關系，且塔身面闊與塔身下皮至頂層檐口的高度以及塔身至塔檐高度之間均存在較為固定的比例規(guī)律。而后以既有結論為基礎，將塔身、塔檐數據分別與塔身至塔檐高度進行比對，以及將塔身至塔剎下高度與倚柱高度對比，最后得出遼中京道內大多數密檐式塔的塔身與塔檐的比例關系為1∶3，而且多以倚柱高為模數控制塔身至塔剎下高度的制式規(guī)律的結論。

2021年開始嘗試研究遼代磚塔細部構件的形制做法，首先開展的是樓閣式塔鋪作法式研究。通過傾斜攝影模型，詳盡梳理了現存6座遼代樓閣式塔的鋪作形制信息，進而探究其構造做法與數理規(guī)律，最后就其時代性進行總結。經研究發(fā)現遼代樓閣式塔鋪作形制以雙抄五鋪作居多，且鋪作層與塔高之間約呈1∶5的關系。遼代樓閣式塔的鋪作形制較為統(tǒng)一，構造精巧，技藝嫻熟，數理規(guī)律內蘊恒定且具備時代特征，整體法式嚴明。

2022年初，繼續(xù)就遼塔之細部做法作針對性研究，選取較典型的50余座遼密檐式塔，就其塔身壁面內容，展開構成模式角度的專題研究，最終得出其特征具有明顯南北差異的結論。

以上兩類研究雖均涉及建筑或構件的形制與比例關系，但研究類型塔的相關制式規(guī)律時需要以大量、翔實的數據資料為依托，通過各角度的數理分析得出相關結論。在此過程中，研究所用的均為精準度最高的三維激光掃描數據。而細部構件形制的研究則更注重對構件的全方位觀測，通過細致的觀察與判斷得出結論。受設備條件的影響，三維掃描技術對高處數據的獲取難度較大，因此這方面的需求是點云數據模型難以完全滿足的，仍需依托傾斜攝影模型以及大量的數碼攝影照片實現。無人機傾斜攝影技術可依據建筑模型通過平視、俯視以及仰視等角度對建筑細部進行觀測，且對于建筑材料紋理、現狀質感等方面的呈現，均具有單色點云模型難以企及的細部效果。

對遼代磚塔進行研究時，所憑借的數字技術會根據研究內容的不同而有所偏重。但整體而言，以三維激光掃描和無人機傾斜攝影兩大技術為依托，基本可以滿足當下大部分研究需求。

3.2 武安州塔觀測

武安州塔位于內蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗，坐落于新惠鎮(zhèn)南塔鄉(xiāng)白塔子村西武安州城遺址北側的教來河對岸，比鄰山丘南面河流，始建年代無考。武安州塔于2013年5月被列為第七批全國重點文物保護單位。

課題組于2017年對武安州塔進行首次以數字手段為核心的測繪工作，由此獲取了比較完整的三維點云模型和傾斜攝影模型，通過截取點云模型后得到平面、立面、剖面及屋頂面等全套的武安州塔建筑圖紙，據此對其進行數理研究，并憑借傾斜攝影模型對該塔的殘損現狀及基本形制有了大體判斷。

3.2.1 數理關系

彼時武安州塔的密檐僅存11層半，頂層塌毀大半，一層大檐幾乎全部脫落。密檐總高度約22.06 m，約占塔整體高度的72.3%，現存密檐在不算塔剎的情況下比值接近四分之三，明顯大于現存多數遼塔占全塔五分之二的比例關系，同時又比唐塔密檐部分的比例小，故應屬兩者之間的過渡形式，具有早期遼塔的特征。

由于塔身各處均有不同程度的塌陷，故感官上該塔塔體傾斜嚴重。為探明該塔塔身的偏移情況，進一步對武安州塔的塔基、塔身及各層塔檐的形心一一進行計算并連接。就其各層形心的位置，總結其整體偏移尺寸在20 cm左右（圖3），與視覺上的偏斜程度相比，該傾斜幅度尚在可控范圍內。該塔在遭到如此嚴重的毀壞與侵蝕后仍巍巍矗立于大地，與其較小的偏移幅度不無關系，側面反映出遼代匠人純熟的構筑技藝。

圖3 武安州塔各層形心示意圖

3.2.2 殘損狀況

依托傾斜攝影技術對建筑的殘損情況進行較全面的了解，不僅可以觀測到建筑任意位置的形制、材質，配合點云模型截圖還可以對細部尺寸等量化內容進行度量。由于尚未經過研究，武安州塔整體殘損情況較嚴重，塔身各面有多道寬度不等的裂縫。

塔身南面殘存拱券式佛龕或券門，券門的后壁被破壞，可直接看到塔心室。但隅面的直棱假窗原制仍存在，一、二層檐下均設鋪作層，形制皆為單抄四鋪作，原制保存也較好（圖4-a）。塔檐部分相對塔基與塔身而言較好，中下層塔檐磚疊澀的結構做法仍可分辨，但最上層檐部受損嚴重，大塊磚料脫落以致建筑結構裸露在外，塔檐表面除角梁外還暴露著部分木結構（圖4-b）。

圖4 修繕前武安州塔的傾斜攝影模型截圖

2021年年中，團隊對修繕后的武安州塔再次進行傾斜攝影數據采集工作，并對新舊數據進行比較。修繕工作遵循了不改變文物原狀的基本原則，對塔基與塔身部分裸露在外的磚料沒有進行過多的修整，僅對正面的裂洞和隅面的直欞窗做填補、加固。另外，復原了頂層的塔剎底部和塌陷大半的檐部，對下面各層的檐部則做簡單修葺。盡管一層大檐脫落嚴重，但修繕時未作過多干預，基本仍保持原狀，故雖現武安州塔的塔檐呈現為12層，但其原制應為13層，符合遼塔施單數層塔檐的基本特征。整體而言，此次修繕工作以保護為主要目的。

圖5分別為2017年（圖5-a）與2021年（圖5-b）采集到的傾斜攝影數據模型截圖，明確且直觀地反映了維修前后武安州塔的整體建筑信息，可據此討論修復前后數據的差別。今后，可對武安州塔再進行數據采集工作，綜合不同時間段積累而來的多套數據，進一步研究該塔的建筑形制與殘損狀況。

圖5 武安州塔修繕前后傾斜攝影模型截圖（左起依次為東、南、西、北截圖）

4 結語

基于多年的實踐工作，課題組探討了在不同條件下如何具體施用測繪方式，以滿足遼代磚塔的全面研究需求。三維激光掃描的精度很高，卻無法采集到高處數據；無人機傾斜攝影技術雖在數據精準度方面局限于厘米級，但可幫助建筑現狀定性，獲取建筑頂部的數據，并實現貼近現實的近景攝影效果。適時將二者結合，可以達到最優(yōu)的數據采集效果，輸出完整的佛塔等較高建筑的數字模型。因此，在進行“外業(yè)”測繪工作時，多以三維掃描為精準核心，再配合以無人機傾斜攝影，并適時使用全站儀和RTK對數據精度進行調整。由此，在統(tǒng)一建筑測量基準的前提下，探索出了一種新的表達方式。

注釋：

① 因存在雙塔及多座塔、幢位于同一處的情況，故此處單位為“處”。