基于Matlab圖像處理技術(shù)的石窟病害調(diào)查及成因分析

睢祎平，張 磊，喬 棟，許 琳

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西 大同 037003）

焦山石窟寺位于山西省大同市城西高山鎮(zhèn)十里河北邊的山坡上，距離市中心約33km，迄今已有1600年左右的歷史。該建筑呈階梯式，是一座窟寺結(jié)合的寺院，內(nèi)有焦山寺石窟。底層是窯洞，二層是寺院中心，正面九洞三殿，東西各有禪房，山門與東禪房并列，上層是北魏晚期窟龕，至高點(diǎn)處建有六角磚塔明塔。其地層巖性較為常見(jiàn)，所屬區(qū)域?yàn)辄S土半掩區(qū)，基巖僅出露于溝谷兩側(cè)；其地層結(jié)構(gòu)較為典型，屬中生代中侏羅紀(jì)統(tǒng)上部和第四系中上部地層。同時(shí)石窟的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在褶皺與斷層。焦山寺部分石窟內(nèi)還存有佛像，且大都保存完好，具有重要的歷史文化價(jià)值和保護(hù)意義。石窟文物由于其體量及不可移動(dòng)性，大多處于露天或半露天的保存狀態(tài)，受外部各種因素的影響以及與周邊環(huán)境不斷交互作用下，文物的劣化情況愈發(fā)嚴(yán)重。焦山寺石窟在不同因素的影響下，已出現(xiàn)程度不均的不同類型的病害，這些病害對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及本身的安全性構(gòu)成了較大威脅。焦山寺石窟作為省級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物，其存在是先人智慧的結(jié)晶，是中華歷史的縮影，因此對(duì)其進(jìn)行病害特征調(diào)查以及病害成因分析具有重要意義。

一、Matlab圖像處理技術(shù)

（一）Matlab圖像處理原理

Matlab圖像處理就是將圖像中點(diǎn)的灰度置為0（黑）或者255（白），使得整個(gè)圖像呈現(xiàn)出黑白分明的效果。選取合適的閾值，對(duì)將要進(jìn)行處理的圖片按照亮度等級(jí)進(jìn)行分級(jí)處理，最終得到可以反應(yīng)圖像局部和整體特征的二值化圖像。[1]二值化圖像處理常被用于對(duì)巖體圖像的處理當(dāng)中，最為顯著的效果就是清晰地顯示出巖體中裂隙的位置以及其嚴(yán)重程度。

(二)圖像處理流程

進(jìn)行二值化圖像處理，首先進(jìn)行圖像分割，焦山寺石窟巖體中存在許多深度不一的裂隙，現(xiàn)場(chǎng)拍攝因縫隙的自身透光度差所以得到的圖像具有明顯的顏色變化特征，因此選取基于閾值的分割法。圖像中大于閾值的像素點(diǎn)定義為0（黑），小于的部分定義為255（白）。選取的閾值會(huì)直接影響到分形維數(shù)，后者是定量描述圖形復(fù)雜性和不規(guī)則性的關(guān)鍵指標(biāo)。[2]閾值將直接影響分形維數(shù)，閾值增大，分形維數(shù)也增大。同時(shí)為確保成像質(zhì)量，就要確定合理的分形維數(shù)。選取最佳閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，可以清晰地反映出巖體表面的孔隙、斷裂和裂隙情況以及其存在位置。[3]采用Otus法進(jìn)行最佳閾值選取最為合適，針對(duì)焦山寺石窟現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片進(jìn)行二值化圖像處理流程如下（圖1）。[4]

圖1 圖像二值化處理流程圖

(三)圖像處理結(jié)果

選取一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上較為典型的巖體圖片作為演示，經(jīng)過(guò)Matlab軟件在設(shè)定閾值下經(jīng)二值化處理后得到相應(yīng)圖片（圖2）。根據(jù)下面兩幅圖的對(duì)比，二值化圖像處理將圖片只分為黑白兩個(gè)部分，即編程中將圖片只定義為0和255兩部分，[5]直觀地反映了該巖體中裂隙存在的位置以及裂隙的形狀及嚴(yán)重程度。

圖2 焦山寺石窟圍巖圖像處理結(jié)果

二、石窟圖像識(shí)別及病害情況特征分析

（一）石窟外壁圖像識(shí)別及分析

在焦山寺現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)此處分布層次化破損情況較為嚴(yán)重的危巖體，[6]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片做出二值化圖像處理，得到了較為清楚的危巖體破損情況（圖3）。對(duì)二值化后的圖片進(jìn)行分析，圖片中黑白分明地顯示了巖體的破損情況以及破損程度。

圖3 焦山寺一處危巖體二值化處理

通過(guò)對(duì)地理位置以及周遭環(huán)境的分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)的吹蝕使得巖體表面工程力學(xué)強(qiáng)度降低，巖層被侵蝕成片狀或者小塊脫落，形成了許多凹凸不平的蜂窩狀。[7]風(fēng)蝕使得巖體表面已有的殼體脫落或處于半脫離狀態(tài)，在其他外力影響下逐層脫落。由于巖體內(nèi)部局部存在軟弱夾層，風(fēng)蝕作用使已有節(jié)理、裂隙進(jìn)一步加深，不斷地切割巖體，破壞其完整性，影響其穩(wěn)定性，對(duì)巖體的物理和化學(xué)風(fēng)化作用將改變巖體的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造，降低抗風(fēng)化能力，從而影響其穩(wěn)定性。[8]

周邊勘查到巖體嚴(yán)重的破損情況，巖體中夾雜著碎石堆積群，在此前的修繕工程中，為了維護(hù)巖體的穩(wěn)定性防止其發(fā)生坍塌，在巖體發(fā)生裂隙最嚴(yán)重的碎石群表面覆蓋了一層混凝土。[9]但隨著時(shí)間推移，在風(fēng)蝕的常年作用下，表面覆蓋的混凝土層逐漸脫落，原本被保護(hù)的巖體就會(huì)直接暴露在日照和風(fēng)蝕條件下，其結(jié)構(gòu)更容易被破壞，使對(duì)其整體穩(wěn)定性的保護(hù)效果越來(lái)越弱，[10]當(dāng)混凝土層完全脫落時(shí)，原本最為脆弱的部分更容易受到破壞，有可能導(dǎo)致整個(gè)巖體發(fā)生崩塌現(xiàn)象。

圖4 焦山寺一處巖體破損二值化處理

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)石窟墻體出現(xiàn)了嚴(yán)重的空洞與裂隙。長(zhǎng)期的流水侵蝕導(dǎo)致了巖體中巨大空洞的形成。[11]石窟墻體出現(xiàn)空洞對(duì)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成了巨大破壞，空洞與裂隙容易導(dǎo)致上層石窟因負(fù)重形成塌陷，對(duì)石窟造成破壞。同時(shí)此前修補(bǔ)加固工作在巖石空隙中填補(bǔ)的混凝土已經(jīng)開(kāi)始逐漸脫落（圖6），隨時(shí)間的推移，在風(fēng)蝕與雨水的長(zhǎng)期侵襲下，巖石縫隙中的填充物逐漸脫落，這會(huì)導(dǎo)致石窟外壁的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，對(duì)其安全造成威脅。[12]

圖5 巖體出現(xiàn)空洞

圖6 巖體填充物流失

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)鑿于寺廟墻壁上半露天的佛像被侵蝕情況最為嚴(yán)重，部分佛相表現(xiàn)為形體缺失與模糊化（圖7）。

圖7 露天佛像風(fēng)化情況圖

（二）寺廟內(nèi)部圖像識(shí)別及分析

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)寺廟內(nèi)部的石窟存在較為嚴(yán)重的巖體脫落與開(kāi)裂情況。裂隙發(fā)育是石窟破壞的一個(gè)重要因素，也是大多石窟普遍存在的病害形式。在窟頂發(fā)育的裂隙嚴(yán)重威脅到洞窟的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖8）。洞窟圍巖發(fā)育的裂隙主要有兩種，一是地質(zhì)歷史年代中由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙；二是在開(kāi)鑿洞窟后產(chǎn)生的卸荷裂隙。[13]這些裂隙互相交錯(cuò)，將巖石割成大小不等的碎塊，在外力及風(fēng)化作用影響下，洞窟從外向里逐漸崩塌，區(qū)內(nèi)危巖險(xiǎn)石隨處可見(jiàn)。[14]

圖8 焦山寺內(nèi)部裂隙二值化處理

調(diào)查寺廟房間內(nèi)部情況發(fā)現(xiàn)，支撐房屋的懸掛式鋼索結(jié)構(gòu)對(duì)石窟本體造成了一定程度的損害，隨著時(shí)間推移，當(dāng)其鋼索支撐出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其對(duì)石窟本身也許會(huì)造成二次傷害[15]。采用簡(jiǎn)單立柱式支撐結(jié)構(gòu)可以更好地起到對(duì)房屋的支撐作用，并且會(huì)避免對(duì)石窟本體的直接損害（圖9），同時(shí)采用混凝土進(jìn)行縫隙灌漿，可以最大程度地保持其原有的古樸性。為保持寺廟內(nèi)部陰涼且干燥的條件，寺廟房梁上裝設(shè)了擋板，減少了室內(nèi)石窟中佛像因長(zhǎng)期陽(yáng)光照射而形成的損害。[16]而目前觀察到，這些擋板出現(xiàn)了破損與缺失的問(wèn)題（圖10）。

圖9 墻壁采用懸掛結(jié)構(gòu)圖

圖10 屋檐擋板缺失情況

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)室內(nèi)佛像也存在一定的病害情況，主要表現(xiàn)為佛像本體出現(xiàn)裂縫，以及形體出現(xiàn)模糊化和缺失的現(xiàn)象（圖11）?？梢栽诒Ａ粼泄艠阈缘那疤嵯拢M(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)工作。[17]

圖11 室內(nèi)佛像病害情況圖

（三）明塔及周邊圖像識(shí)別及分析

明塔位于焦山寺山頂制高點(diǎn)，為明代六角塔，三層樓閣式磚塔，磚塔通高11.29m，占地面積18.87m2。磚塔砌于山體頂部巖體上，南低北高，高差較大，磚塔所在地山風(fēng)較大。塔基周邊巖石常年受風(fēng)侵蝕，北及北西側(cè)風(fēng)化尤為嚴(yán)重，局部巖石在風(fēng)化剝蝕作用下脫落或墜落，巖石臨空面已貼近磚塔塔基。磚塔南立面以南巖石平臺(tái)風(fēng)化嚴(yán)重，裂縫發(fā)育，雨水下滲，沿邊部位巖石層層剝落。塔基周邊病害分為塔基平面裂縫與塔基北側(cè)巖石殘損兩部分。塔基北側(cè)及北西側(cè)在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化及人為影響作用下形成了較大的臨空面，該區(qū)域巖石風(fēng)化剝性嚴(yán)重，巖塊較為破碎，局部呈片狀，臨空巖壁上軟弱夾層分布較多，裂縫分布面積較廣。整體看，塔基北側(cè)臨空面高約164m，北西側(cè)臨空面高度大，最大高度3.3m。整個(gè)北側(cè)及北西側(cè)臨空面裂縫發(fā)育，且相互交割，裂縫最大寬度達(dá)60cm，裂縫最大深度達(dá)11m（圖12）。

圖12 明塔周邊情況圖

該處巖體直立陡峭的臨空條件易形成較強(qiáng)的重力卸荷作用，形成崩塌危巖；朝向臨空面的卸荷裂隙與巖體中的層面、裂隙、洞窟開(kāi)挖空間等交叉組合，切割成大小不等的破碎塊體，造成洞窟圍巖漸次崩塌，從而影響整個(gè)洞窟的穩(wěn)定性。[18]在降雨、地震、風(fēng)化作用及其它外部營(yíng)力的作用下，使巖體強(qiáng)度減小、危巖與母巖連接減弱，逐漸脫離崖體，發(fā)生崩塌。崩塌是石窟的主要破壞形式之一，嚴(yán)重影響著窟體的完整性、穩(wěn)定性及人員的安全。[19]石窟所在巖體地層產(chǎn)狀陡傾，由于地殼抬升剝蝕，形成單斜構(gòu)造的山體。受地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體中構(gòu)造裂隙發(fā)育，與陡傾巖層的層理面相互垂直切割，導(dǎo)致洞窟前室圍巖的垮塌。[20]同時(shí)裂隙和張開(kāi)的層理面為崖面頂部大氣降水滲入洞窟提供了通道，雨水滲漏直接對(duì)墻體產(chǎn)生破壞。危巖體的不斷崩塌將會(huì)破壞洞窟形制的完整性。[21]

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)明塔塔身還出現(xiàn)比較明顯的縫隙，這使得明塔本身的防風(fēng)防雨性能變差，使得明塔內(nèi)部更易受到風(fēng)化與雨水的侵襲，同時(shí)其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)因?yàn)榭p隙發(fā)育而變差（圖13）。

圖13 明塔塔身裂隙二值化處理

該區(qū)域病害現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為北側(cè)臨空面的巖石殘損。由于塔基處于山頂，常年遭受西北風(fēng)的強(qiáng)烈剝蝕，崖壁在風(fēng)化剝蝕作用下逐漸剝落，常年累月造成北側(cè)面巖石嚴(yán)重缺失。北側(cè)臨空面距離塔基條石的最小水平距離僅有13cm，且臨空面軟弱層局部風(fēng)化形成凹陷，凹陷最大深度約43cm。如果任其持續(xù)發(fā)展，一旦巖體在持續(xù)風(fēng)化作用下發(fā)生變形，極有可能造成北側(cè)塔基失穩(wěn)。

焦山寺石窟的北側(cè)崖體臨空面較大，風(fēng)化作用顯著。洞窟賦存崖面沿巖層層間裂隙風(fēng)化嚴(yán)重，且礫巖、砂巖、泥巖差異風(fēng)化明顯，導(dǎo)致崖體破碎，凹凸不平，多處局部呈板狀懸空凸出，下部失去支撐，形成小型塊狀、板狀的懸臂式危巖，在外力持續(xù)影響下，可能發(fā)生傾倒、墜落等破壞。危巖崩塌后露出的新崖面繼續(xù)遭受風(fēng)化作用，形成逐層向后發(fā)展的溯源崩塌，向深部蠶食巖體，嚴(yán)重影響洞窟穩(wěn)定性。[22]

圖3-16 明塔北側(cè)病害情況圖

三、焦山寺石窟病害原因歸納分析

經(jīng)過(guò)對(duì)焦山寺石窟的現(xiàn)場(chǎng)勘查，以及將所拍攝圖片根據(jù)所選的合適閾值進(jìn)行二值化處理并加以分析得出，石窟目前存在的病害特征有諸多誘因，歸納總結(jié)可主要分為如下幾個(gè)因素。

地形因素：焦山寺南側(cè)為河谷，東西側(cè)均為沖溝，北側(cè)為延伸山梁，整體呈中間高，三邊低。獨(dú)特的地形造就了焦山寺大面積山體均為陡崖，現(xiàn)坡度大部分均在60°以上，臨空面積大，致使臨崖巖體具有獨(dú)特的應(yīng)力特征，為裂縫的發(fā)育及巖體的殘損形成提供了天然的地形條件。

地層因素：焦山寺工作范圍內(nèi)地層巖性主要為侏羅系云岡組地層，該區(qū)域主要為粉砂巖、砂巖，夾有砂質(zhì)泥巖軟弱層及交錯(cuò)的層理面且?jiàn)A有很多鐵質(zhì)脈體或其他結(jié)核。第一，砂巖巖層特有的風(fēng)化差異性再加之地形因素，會(huì)在巖體周邊形成諸多傾斜節(jié)理裂隙或卸荷裂隙，為危巖體的形成提供條件。第二，砂巖中眾多的交錯(cuò)層理及軟弱面，在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化作用下易沿著軟弱面形成凹腔或致使巖體懸空，致使上部巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，長(zhǎng)時(shí)間作用下易形成向臨空面的傾倒或墜落式崩塌。

構(gòu)造因素：在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，產(chǎn)生了許多結(jié)構(gòu)性的裂隙，不同方向、不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面相互切割，將原本完整的巖石切割成柱狀、塊體等不同形狀，特別是靠近臨空面的結(jié)構(gòu)裂隙，控制了危巖體的形成。

圍巖應(yīng)力因素：洞窟開(kāi)鑿致使窟內(nèi)圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，由于洞窟周邊巖石存在節(jié)理裂隙及軟弱不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，圍巖應(yīng)力的重分布乃局部應(yīng)力的集中極有可能使洞窟頂或者窟壁沿節(jié)理裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生冒頂或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。[23]

風(fēng)化因素：焦山寺石窟的開(kāi)鑿基本都是沿著軟弱結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)裂隙為邊界進(jìn)行開(kāi)鑿，窟壁巖石本身具有脆弱性及不均勻性，在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化作用下易產(chǎn)生表面呈粉塵狀脫落或表面酥堿；另外，由于巖石的風(fēng)化差異性，致使窟壁產(chǎn)生很多風(fēng)化裂隙，該類風(fēng)化裂隙發(fā)育深度較淺，但其交互性強(qiáng)，相互交割將窟壁巖石分割成片狀或板狀，極易形成病害殘損。

雨水因素：工作區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育且缺少排水設(shè)施，任雨季降水大量滲入節(jié)理裂隙中，充填物或軟弱層在長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)作用下抗堿強(qiáng)度及側(cè)向摩擦力均降低，導(dǎo)致巖石的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生直接變化，同時(shí)在可能產(chǎn)生的靜水壓力作用下，可能造成危巖體的失穩(wěn)及裂縫進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)張，會(huì)進(jìn)一步加劇窟內(nèi)裂縫的發(fā)育，對(duì)片幫、酥堿、開(kāi)裂等病害會(huì)起到推波助瀾的作用。

地震因素：地震作用對(duì)石窟的影響主要為對(duì)原生結(jié)構(gòu)裂隙的影響，地震會(huì)促使原有裂縫或不連續(xù)結(jié)構(gòu)面規(guī)模擴(kuò)大及在原有軟弱結(jié)構(gòu)面周邊產(chǎn)生新的裂隙，并且地震會(huì)降低結(jié)構(gòu)面的抗壓能力。

人工因素：由于洞窟原有佛像風(fēng)化消失或其他因素，早年當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門或機(jī)構(gòu)為了發(fā)展旅游事業(yè)，對(duì)焦山寺石窟進(jìn)行過(guò)幾次修繕，但是由于早年修復(fù)工程的不規(guī)范，某種程度上在修繕過(guò)程中對(duì)窟壁局部造成了二次損壞，另外在修繕過(guò)程中現(xiàn)代材料的使用也對(duì)洞窟造成了一些影響。[24]

結(jié)語(yǔ)

基于二值化圖像處理技術(shù)對(duì)焦山寺石窟現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片進(jìn)行二值化處理，經(jīng)過(guò)處理后的圖片可以直觀地看到巖體中裂隙的位置以及裂隙的嚴(yán)重程度，達(dá)到了對(duì)復(fù)雜圖片進(jìn)行處理的技術(shù)要求。

對(duì)焦山寺石窟現(xiàn)場(chǎng)的勘探結(jié)果進(jìn)行歸納分析，得出以下結(jié)論。目前石窟存在的主要病害包括風(fēng)化，滲水，脫落，存在危巖體，人為非科學(xué)修復(fù)等。[25]

焦山寺石窟作為省級(jí)保護(hù)文物，具有重要的歷史文化價(jià)值，對(duì)石窟現(xiàn)場(chǎng)勘查，歸納分析石窟的病害情況及誘因，對(duì)癥下藥才能做到對(duì)文物的有效保護(hù)。