李哲 張夢(mèng)迪 伍小敏 拓曉龍 李嚴(yán)

關(guān)鍵詞：長城；建筑色彩；色彩地圖；人工智能；地域性材料

一、研究背景及問題

（一）長城色彩認(rèn)知現(xiàn)狀

色彩是建筑領(lǐng)域中一個(gè)重要的視覺表達(dá)因子，可直接反映民族的文化內(nèi)涵和藝術(shù)情感。首次視物，人類80%的注意力會(huì)被其色彩所吸引，因此色彩也被稱為人類的第一“視覺”[1]。中國傳統(tǒng)建筑格外重視色彩的表達(dá)藝術(shù)，以“傳統(tǒng)建筑、歷史建筑、古建筑”和“色彩、顏色、色調(diào)”等關(guān)鍵詞為主題在中國知網(wǎng)上檢索，可得到1800余條文獻(xiàn)。使用CiteSpace進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析可知，彩畫[2]、油漆色彩、歷史建筑色彩[3]等是當(dāng)前傳統(tǒng)建筑色彩研究的重點(diǎn)（圖1）。將前者檢索詞換成“長城”則僅得到3條文獻(xiàn)，且并非討論長城本身的色彩。

“長城灰”作為冬、夏北京奧運(yùn)會(huì)色彩符號(hào)之一，折射出的是公眾視野下長城本體材料色彩的單調(diào)；景區(qū)展示和旅游宣傳通常借用光線色溫變化或周圍自然景觀色彩來豐富長城色彩的表達(dá)。古代城池遺產(chǎn)亦是如此，城墻墻體多為青磚，色彩組成單一，只能作為“灰色背景板”，依托多種植物營造富彩環(huán)境。如南京明城墻，多以城墻灰為底色，探討植物等環(huán)境景觀色彩搭配方式[4]。

與古代城池不同的是，長城跨越中國北方廣大地理范圍、使用的地域性材料種類多樣，各地石料的天然色彩差異顯著，如此不應(yīng)該只有“長城灰”一種色調(diào)；況且即使建造之初表面裝飾如抹灰也很難保存下來并構(gòu)成景觀要素。目前僅在敦煌馬圈灣漢長城烽燧考古中發(fā)現(xiàn)極少量白、紅、藍(lán)粉刷顏色[5]，絕大多數(shù)長城為清水墻無飾面。

綜上，本文以石料色彩調(diào)查為突破口，以保存狀況最好的明長城為對(duì)象，進(jìn)行長城全線的色彩調(diào)查與統(tǒng)計(jì)量化。

（二）長城色彩相關(guān)研究及問題

1.長城色彩及材料研究現(xiàn)狀

對(duì)長城的研究主要是從防御體系、軍事工程、建造技術(shù)等歷史文化科學(xué)價(jià)值入手，對(duì)其藝術(shù)價(jià)值則主要是對(duì)石刻樣式[6]、磚雕、碑刻風(fēng)格[7]，或邊堡壁畫的研究[8]，對(duì)長城本體的藝術(shù)，尤其色彩藝術(shù)很少涉及。

針對(duì)長城石質(zhì)材料的調(diào)查大多限于地質(zhì)視角對(duì)成分的分析，如《長城志》中總結(jié)的砂巖質(zhì)和青石質(zhì)[9]，薛程認(rèn)為歷代石砌長城主要由花崗巖、石灰?guī)r、砂巖、頁巖和板巖組成[10]。對(duì)于石材色彩，僅有針對(duì)局部區(qū)段的研究，如對(duì)撫寧地區(qū)單個(gè)空心敵樓的紅色花崗巖條石描述性記錄[11]、秦皇島紅山采石場(chǎng)與重峪口長城石材之間的關(guān)聯(lián)[12]，缺少明長城全線色彩統(tǒng)計(jì)與內(nèi)涵價(jià)值挖掘。

2.長城色彩研究的瓶頸

綜合相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)明長城色彩特征尚待挖掘的主要原因：

（1）歷史文獻(xiàn)記錄不全。古籍、輿圖中對(duì)于長城建造形制的記載多是對(duì)其功能尺寸的描述?！睹鏖L城薊鎮(zhèn)圖》僅有底部條石基礎(chǔ)、中間磚塊砌筑、頂部鋪房的圖樣記錄（圖3），并未記錄色彩?！哆叧怯攬D說》有記錄長城上青色磚墻和紅色箭窗，但缺少各個(gè)細(xì)部的色彩組成和全線大范圍的記錄結(jié)果。

（2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏。明長城人工墻體6259.6千米，要形成全線的量化統(tǒng)計(jì)，需要全線連續(xù)實(shí)拍圖像作為支撐，這是難以量化全線色彩的數(shù)據(jù)瓶頸。

為此，本文借助無人機(jī)和圖像類人工智能手段，建立了一種圖像采集和主色調(diào)自動(dòng)提取的方法，解決崎嶇地形下長城圖像數(shù)據(jù)獲取和海量圖像的信息挖掘問題；并對(duì)明長城全線開展調(diào)查，獲取全線色彩分布情況并嘗試歸納基于色彩的石料搭配使用方式；基于材料成分還原選料、運(yùn)料的歷史場(chǎng)景；結(jié)合史料挖掘長城工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與建設(shè)意圖。

二、明長城全線圖像采集及色彩統(tǒng)計(jì)方法

（一）明長城全線圖像與三維數(shù)據(jù)庫

使用無人機(jī)沿長城線逐段超低空慢速飛行（約15～25公里/小時(shí)），在30～50米相對(duì)高度從長城頂部及內(nèi)側(cè)、外側(cè)三個(gè)方向拍攝，獲得重疊率不低于70%的連續(xù)高清圖像集（分辨率為厘米級(jí)），再利用攝影測(cè)量軟件將圖像轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)墻體（包括樓、臺(tái)）本身與內(nèi)、外側(cè)微地形的三維測(cè)量；在此基礎(chǔ)上，引入人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海量圖像的智能目標(biāo)識(shí)別、篩選、分類、檢索。目前已覆蓋約5500公里主要墻體遺存段，200萬張照片總存儲(chǔ)容量約15TB，明長城墻體保存相對(duì)完整的區(qū)段目前均已納入覆蓋范圍。

（二）色彩自動(dòng)提取方法

目前在計(jì)算機(jī)圖像領(lǐng)域，通常使用K-means聚類算法批量提取整幅圖像的主色調(diào)，用以快速統(tǒng)計(jì)某一地區(qū)的建筑色彩[13]。但該方法無法區(qū)分建筑與環(huán)境、材料與材料間的色彩差異，因而本文借助深度學(xué)習(xí)中的語義分割算法，嘗試劃分明長城上不同材質(zhì)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性提取主色調(diào)任務(wù)。

首先，需要建立長城上不同材質(zhì)的語義分割模型。本文隨機(jī)選取了350張含有長城空心敵樓及墻體的圖像，用LabelMe②軟件標(biāo)記出不同材料的位置，再使用平移、左右翻轉(zhuǎn)、對(duì)比度亮度隨機(jī)調(diào)整等方法，將圖像擴(kuò)充至5～6倍，用改進(jìn)的MaskR-CNN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)③，選取ResNet50為網(wǎng)絡(luò)骨干，在4個(gè)GPU（NVIDIA 2080Ti）上進(jìn)行了80個(gè)epoch訓(xùn)練，最終得到了精度（AP）為82%的模型，過濾周邊環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)長城圖像按材質(zhì)劃分。

之后，基于材質(zhì)分割結(jié)果，再用K-means算法提取出不同區(qū)域的主色調(diào)。下面以條石為例進(jìn)行說明，將分割出來?xiàng)l石圖像的顏色空間由RGB格式轉(zhuǎn)換成HSV格式④，然后用K-means算法提取出色彩聚類中心，即為該條石的主色調(diào)（圖4）。該方法還可以提取出磚、毛石等的主色調(diào)。

用該方法對(duì)全線圖像處理，并關(guān)聯(lián)無人機(jī)拍攝圖像時(shí)寫入的經(jīng)緯度信息，可得到明長城全線色彩分布概貌（圖5），為獲取更為精準(zhǔn)的色彩統(tǒng)計(jì)結(jié)果，還需要二次采集圖像并校色處理。

（三）對(duì)重點(diǎn)地段二次采集圖像數(shù)據(jù)

從全線色彩分布圖中選取具有代表性的色彩段，采用精細(xì)化攝影測(cè)量進(jìn)行二次調(diào)研測(cè)繪。對(duì)于人員可以直接到達(dá)的位置，可以手持校色板、用無人機(jī)拍攝；對(duì)于人員難以直接到達(dá)的崎嶇地段，借用無人機(jī)懸掛校色板并多機(jī)互拍，實(shí)現(xiàn)免攀爬張貼校色板并采集圖像。經(jīng)內(nèi)業(yè)校色處理后得到消減日光色溫干擾的圖像。

三、明長城全線色彩調(diào)查結(jié)果

（一）全線色彩分布結(jié)果

從全線色彩分布圖可看出：長城大多數(shù)區(qū)段色彩微差，但在石砌長城區(qū)段（包括上磚下石的磚墻段）色彩是很豐富的，在河北、北京、甘肅地區(qū)尤其富彩。此外，敵樓與墻體作為長城的最主要建筑物，兩者相比墻體的石材色彩更豐富，而空心敵樓的石材色彩更統(tǒng)一。

（二）典型色彩搭配方式結(jié)果

針對(duì)全線最富彩的墻體段和敵樓建筑，呈現(xiàn)帶有校色處理的二次精細(xì)采集成果。按照不同色彩搭配方式可分為以下四個(gè)大類（圖6）：

（1）單色搭配

單色除運(yùn)用在某一建筑條石基礎(chǔ)外，還會(huì)通體砌筑單色條石；或所有石質(zhì)元素（基礎(chǔ)與細(xì)部構(gòu)件）、或敵樓與墻體使用同一種顏色。劉家口段長城還存在幾座敵臺(tái)連續(xù)使用同質(zhì)同色的條石基礎(chǔ)。

（2）雙色搭配

雙色搭配常見的為紅白或黃白組合。搭配方式可分三種：相鄰單體建筑之間異色（比如馬面和敵樓異色），墻體與敵樓異色；單體建筑表現(xiàn)垂直方向上，條石基礎(chǔ)以上的石質(zhì)構(gòu)件色彩統(tǒng)一，與基礎(chǔ)異色；水平方向上條石基礎(chǔ)內(nèi)外異色，形成圍合感。

（3）多色搭配

多色搭配中較常見的為“虎皮墻”形式，比如北京石匣鎮(zhèn)西側(cè)條石拼花的敵樓及墻體基礎(chǔ)，甘肅段多種深色毛石砌筑的彩色墻體。全線唯一的多色特例是河北撫平平頂峪村3號(hào)敵臺(tái)，條石基礎(chǔ)為深藍(lán)灰—粉紅—藍(lán)灰—白的四色搭配，其中以藍(lán)灰色作為主色，形成疊色（圖7）。

（4）飽和度褪暈

飽和度褪暈其實(shí)是多色搭配的一種特殊形式。在不同種類色彩石料的交接點(diǎn)上，若采用生硬分界、色彩突兀轉(zhuǎn)折，則表觀效果折扣。于是有些區(qū)段的工匠會(huì)采用“褪暈”的做法，將兩種色彩的石料通過逐塊篩選、逐漸過渡的辦法，達(dá)到非常自然的色彩交接效果。例如平頂峪長城墻體砌筑，就是將原本紅、藍(lán)色彩飽和的石材組合鮮艷墻體，通過逐漸使用較為不飽和的紅、藍(lán)石塊，過渡到暖灰色單一石墻，達(dá)到有序過渡的褪暈效果，在暖灰色墻體段則沒有一塊紅/藍(lán)飽和石料。如果在建造之初沒有特意做過材料色彩篩選，很難達(dá)到此種統(tǒng)一的色彩秩序，體現(xiàn)了古人在營造長城時(shí)對(duì)彩色石材的嫻熟選用以及細(xì)膩處理。

四、明長城建筑色彩成因與色彩搭配方式蘊(yùn)含的價(jià)值

（一）地域性材料賦存奠定彩色長城資源基礎(chǔ)

傳統(tǒng)建筑多為就地取材。長城橫跨整個(gè)中國北方的廣袤國土，研究長城石料色彩也是對(duì)各地巖石豐富種類的揭示。通過將富彩石材樣本加工成厚0.3毫米的透光切片并在電子顯微鏡下觀察（圖8），可以確定石材的種類、晶體結(jié)構(gòu)等信息。發(fā)現(xiàn)越是“富彩”段的長城使用的石材種類也更多，均涵蓋了沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖石類型，折射出所在地區(qū)的豐富地質(zhì)運(yùn)動(dòng)。最為富彩的平頂峪長城就得益于秦皇島柳江盆地遠(yuǎn)古時(shí)曾發(fā)生的大規(guī)模巖漿侵入活動(dòng)[14]。

進(jìn)一步分類統(tǒng)計(jì)可知，空心敵樓的石墻裙多使用色調(diào)一致且均為細(xì)粒等粒結(jié)構(gòu)的沉積巖；雜色拼花的墻體上多使用斑狀非等粒結(jié)構(gòu)的巖漿巖。由于后者內(nèi)部縫隙大，加工過程易崩解，且前者細(xì)粒等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也高于后者[15]，外觀也更細(xì)膩，因而推測(cè)古人已掌握了材料物性，并有意識(shí)篩選高質(zhì)量沉積巖精細(xì)加工為條石，應(yīng)用于造型更復(fù)雜、要求更高的敵樓，將不易加工的石材粗制為毛石應(yīng)用于拼花墻體。

從成色原因看，石料色彩與不同金屬離子價(jià)態(tài)及含量具有耦合關(guān)系。通過將富彩石材樣本研磨成粉末并做X射線光譜分析，鑒別其中的顯色成分，例如最為多見的深紅色敵樓石材為砂質(zhì)白云巖，因含赤鐵礦而顯深紅色；淺肉紅色的石材為含鉀長石的長石砂巖；白色、灰色、藍(lán)灰色敵樓所用石材皆為石灰?guī)r，因含有不同程度的白云石（含鈣鎂）、石墨（含碳）等而明暗不同（圖9）。

（二）歷史學(xué)角度下的彩色長城成因

1.邊墻等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)奠定彩色墻體基礎(chǔ)

根據(jù)長城碑刻記載[16]，明朝將墻體分列三等：一等以方整條石為基礎(chǔ)，墻內(nèi)外兩側(cè)用磚或條石砌筑；二等外側(cè)用磚或條石砌筑，內(nèi)側(cè)用毛石砌筑虎皮石墻面；三等內(nèi)外兩側(cè)均用毛石砌筑虎皮石墻面。嚴(yán)格的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，明確條石、毛石的使用場(chǎng)合，進(jìn)而形成了彩色斑斕的“虎皮墻”和色彩統(tǒng)一、尺度規(guī)整的條石段墻體。

隨著長城全線圖像采集從明代擴(kuò)展到漢代、北朝、唐代等更多朝代，從明長城沿線外延到遠(yuǎn)及新疆、內(nèi)蒙古等地，各朝代長城越來越多的雜色拼花“虎皮墻”被發(fā)現(xiàn)，證明雜色拼花其實(shí)是自古一貫傳承的做法，并非明代獨(dú)創(chuàng)，也并非鮮見。比如內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗的漢代烽燧，其表皮存在各色混雜的石材（圖10），只有此時(shí)的烽燧尚無有意識(shí)的色彩規(guī)劃手段，遠(yuǎn)不及明長城色彩搭配手法之豐富。

從石材使用的量化情況也能看出純色敵樓建設(shè)之艱辛。按實(shí)測(cè)條石數(shù)據(jù)的中位數(shù)（長1米、寬0.35米、高0.25米）和參考文獻(xiàn)[10]中考證的條石最小重量（2300千克/每立方米）計(jì)算，以平頂峪村3號(hào)敵臺(tái)為例，底部條石基礎(chǔ)長12.5米、寬10.2米、高3米，僅表皮就需要528塊條石、至少152噸石料。而古人需要人工肩扛運(yùn)送石料至敵臺(tái)所處的山脊處，建造非常艱難。且純色石料應(yīng)是在滿足石料無裂縫隱殘的基本需求之上二次挑選而來，可見古人對(duì)于長城敵樓建造藝術(shù)性的追求。

2.戚繼光、譚綸將敵樓色彩藝術(shù)推向巔峰

明中期，譚綸曾上奏“舊日，墩臺(tái)石不加斫，甃不用磚，灌不用灰”[17]，指出長城以往修建方式粗糙。在戚繼光創(chuàng)制空心敵臺(tái)后，為提升敵臺(tái)建造質(zhì)量，譚綸制定分級(jí)嘉獎(jiǎng)手段：“從公查驗(yàn)，定其（敵臺(tái)）極于工致者，列為上上等，加給犒賞銀五十兩，次為上等，加給犒賞銀四十兩，次為中等”[18]。高額的獎(jiǎng)賞誘惑下，將士與工匠開始追求樣式的精美度，“乃不期諸將一聞列等，競(jìng)求壯麗，礱石磨磚”[19]，最終長城“制作久而彌精，心思熟而愈巧，高堅(jiān)宏麗”[20]。軍事史料與長城遺存的色彩統(tǒng)計(jì)結(jié)果相互印證，揭示了明朝將領(lǐng)對(duì)邊墻高標(biāo)準(zhǔn)追求和其在“彩色”長城建設(shè)中起到的推動(dòng)性作用。正因?yàn)椤案邎?jiān)宏麗”的工程質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，才造就古代軍事工程在材料色彩方面的巔峰水平。

3.“以色立威”是根本目的

軍事工程的“麗”并非僅為了好看。空心敵樓大多建在長城內(nèi)外交通要道的兩側(cè)山脊之上，規(guī)整的純色石材遠(yuǎn)處即可觀望，色彩便成為尺度之外第二建設(shè)重點(diǎn)。高大壯麗、顏色有序的建筑居高臨下，可彰顯極致的工程質(zhì)量、背后不可撼動(dòng)的國力，起到震懾潛在敵人的目的，防止“虜人得志，蔑視我邊墻為不足畏，連年聚眾拆入”[21]。

（三）明長城色彩及搭配方式蘊(yùn)含的價(jià)值

基于量化長城色彩、歸納搭配手法、推測(cè)成因的研究結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)色彩所蘊(yùn)含的長城若干價(jià)值：

（1）從色彩統(tǒng)計(jì)結(jié)果：明長城全線存在多種色彩，且有色彩恢宏的“富彩”段，彰顯了中國古代軍事工程充分利用材料原真性色彩的裝飾理念，體現(xiàn)了長城色彩差異性與豐富性。

（2）從色彩搭配方式：群體到細(xì)部多層級(jí)色彩統(tǒng)一和諧是長城色彩藝術(shù)的基本訴求。彩色石材選擇性運(yùn)用與有規(guī)律排布說明了古人以最高效費(fèi)比達(dá)到了最佳藝術(shù)效果，充分反映了古人的美學(xué)素養(yǎng)和高超的營造智慧。

（3）從色彩成因：石材地域性賦存是“彩色”長城的客觀條件，明朝彰顯帝國實(shí)力、震懾止戰(zhàn)的現(xiàn)實(shí)需求則是“彩色”長城的驅(qū)動(dòng)因素，色彩所揭示的歷史場(chǎng)景不僅體現(xiàn)了明代將領(lǐng)嚴(yán)謹(jǐn)治軍精神，也反映了勞動(dòng)者強(qiáng)大的創(chuàng)造力和建造水平。

五、結(jié)語

基于無人機(jī)低空采集和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，首次繪制“長城色彩地圖”、量化長城全線多彩屬性和地理分布特征，首次揭示出長城的材料多彩特征。

深入分析石料色彩在組合、過渡、篩選中蘊(yùn)含的秩序，通過數(shù)千公里的實(shí)物遺存調(diào)查和跨地域比對(duì)，嘗試回溯長城建造的歷史場(chǎng)景、探求古代工匠在色彩層面的施用法則和藝術(shù)追求、長城建造主管將官制定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、獎(jiǎng)勵(lì)體系的良苦用心和實(shí)際意義，破解“高堅(jiān)宏麗”標(biāo)準(zhǔn)中最后一字的真實(shí)含義，從而串聯(lián)了從管理到實(shí)施層面的證據(jù)，證明空心敵樓的色彩藝術(shù)達(dá)到古代軍事工程的巔峰水平。

對(duì)長城材料色彩的研究填補(bǔ)了這一世界文化遺產(chǎn)的缺環(huán)，以期扭轉(zhuǎn)“長城灰”的固有認(rèn)知，進(jìn)一步增強(qiáng)長城的公眾魅力。

在遺產(chǎn)本體研究、保護(hù)和展示層面，此種研究方法也可為長城建造制度、營造工藝、材料構(gòu)成等研究所借鑒；獲得的彩色長城相關(guān)石料樣本也可整飭后用于博物館展示（圖11），以“彩石”代全線墻體，濃縮長城的藝術(shù)精華。

石材色彩調(diào)查只是后續(xù)深入研究的開端，未來以材料的藝術(shù)或理化屬性入手，可繼續(xù)加深長城學(xué)與歷史學(xué)、地質(zhì)學(xué)的緊密關(guān)聯(lián)，在當(dāng)前長城國家文化公園建設(shè)的大背景下，增強(qiáng)各地長城的地理標(biāo)識(shí)作用，將長城深層融入大地景觀，挖掘未開發(fā)長城段的游覽潛力、突顯長城串聯(lián)我國北方各地山川景區(qū)的環(huán)境線索價(jià)值、游覽潛力。