南京城墻監(jiān)測方法初探

王天文 尹吉麗 張琪 許禮林 孫勃巖

關(guān)鍵詞：南京城墻；監(jiān)測方法；監(jiān)測預(yù)警；預(yù)防性保護(hù)

南京城墻是現(xiàn)存最長、規(guī)模最大、保存原真性最好的古代城垣，始建于元至正二十六年（1366年），全部完工于明洪武二十六年（1393年），由內(nèi)向外形成皇城、宮城、京城、外郭四重城墻環(huán)套的格局。城墻總共長度約35千米，目前保存比較完整的城墻長度約25千米，其他約10千米為遺跡和遺址狀態(tài)，在城墻外側(cè)還有護(hù)城河遺跡（圖1）。

砌筑城墻的材料和工藝歷經(jīng)幾百年的時(shí)間，受自然環(huán)境影響，城墻自身強(qiáng)度降低，產(chǎn)生了風(fēng)化剝落、松動(dòng)、空鼓等各項(xiàng)病害，嚴(yán)重威脅南京城墻的真實(shí)性和完整性；此外，城墻還受到一定程度的人為因素影響，改變了原有結(jié)構(gòu)以及城墻與山體之間的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致城墻安全系數(shù)降低?；诖耍叫柩芯款A(yù)防性保護(hù)手段、采集相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)城墻保護(hù)管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行城墻日常維護(hù)、保護(hù)工程實(shí)施、游客管理等工作，達(dá)到防范風(fēng)險(xiǎn)效果、提升遺產(chǎn)保護(hù)管理水平的目的。

目前國內(nèi)預(yù)防性保護(hù)的研究與實(shí)踐仍處于起步探索階段[1]，國家文物事業(yè)發(fā)展規(guī)劃中明確提出預(yù)防性保護(hù)策略[2]，監(jiān)測作為預(yù)防性保護(hù)體系的一項(xiàng)重要工作，旨在通過系統(tǒng)采集和分析不可移動(dòng)文物相關(guān)信息數(shù)據(jù)，了解其材料和結(jié)構(gòu)的損毀變化規(guī)律，及早發(fā)現(xiàn)不良癥狀，為科學(xué)制定保護(hù)方案和保護(hù)管理計(jì)劃提供必要的數(shù)據(jù)和可靠依據(jù)[3]。

一、適用監(jiān)測技術(shù)方法研究

根據(jù)2019年對南京城墻勘查與調(diào)查結(jié)果，南京城墻受降雨、溫度等自然因素影響，以及旅游、城市建設(shè)等人為因素的影響，存在裂隙位移、風(fēng)化剝落、墻磚松動(dòng)、墻面空鼓等病害，部分區(qū)域存在坍塌隱患。為全面提升監(jiān)測管理水平，科學(xué)判斷城墻病害發(fā)展情況及潛在威脅，南京城墻保護(hù)管理中心組織開展了南京城墻監(jiān)測研究工作，從本體病害、自然環(huán)境、社會環(huán)境以及保護(hù)管理等方面確定了南京城墻的監(jiān)測指標(biāo)體系，并啟動(dòng)南京城墻監(jiān)測預(yù)警平臺建設(shè)項(xiàng)目[4]，綜合利用地理信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)，采用測繪、布設(shè)傳感器、研制監(jiān)測信息化系統(tǒng)工具等方式，開展南京城墻的監(jiān)測工作。

現(xiàn)代測繪技術(shù)在文物保護(hù)、文物搬遷、考古挖掘中應(yīng)用也較為廣泛，其中三維激光掃描儀技術(shù)在文物行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。諸如布達(dá)拉宮、蘇州園林、石峁遺址、各類石窟寺等大量文化遺產(chǎn)在不改變文物原狀的基礎(chǔ)上，已利用三維激光掃描技術(shù)留取文物最真實(shí)的資料[5]。

隨著科技不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)應(yīng)用廣泛，在文物監(jiān)測中的應(yīng)用場景越來越多。早在1960年代，敦煌莫高窟即使用傳感器監(jiān)測窟區(qū)的氣象參數(shù)[6]，拉開了傳感器在我國文物監(jiān)測中應(yīng)用的序幕。隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展、我國文物監(jiān)測需求的不斷深化，傳感器技術(shù)在微環(huán)境監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、土壤水分監(jiān)測、本體病害監(jiān)測、結(jié)構(gòu)監(jiān)測等方面取得了重要應(yīng)用成果，為遺產(chǎn)保護(hù)提供了數(shù)據(jù)支撐。

信息系統(tǒng)支撐我國的文物監(jiān)測工作目前也已取得一定成果，中國世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警總平臺于2014年上線運(yùn)行[7]，綜合反映大多數(shù)遺產(chǎn)地的總體保護(hù)狀況和管理狀況，其中中國世界文化遺產(chǎn)“監(jiān)測云”，為遺產(chǎn)地日常巡查提供信息化工具，促進(jìn)了遺產(chǎn)地監(jiān)測工作的開展，提升了遺產(chǎn)地監(jiān)測數(shù)字化水平。

針對南京城墻特點(diǎn)，需要對上述相關(guān)適用的技術(shù)方法、工藝流程進(jìn)行深入研究，以確保能準(zhǔn)確地獲取南京城墻本體現(xiàn)狀信息，為判斷病害發(fā)育、遺產(chǎn)保存狀況提供支撐。

二、南京城墻監(jiān)測方法實(shí)踐

（一）測繪監(jiān)測

測繪監(jiān)測方法是一種高精度的無損監(jiān)測手段，具備作業(yè)區(qū)域大、專業(yè)性高的特點(diǎn)，適用于大范圍、典型病害的專項(xiàng)監(jiān)測。利用測繪技術(shù)定期對南京城墻進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測分為兩部分，分別為全站儀監(jiān)測和三維激光掃描監(jiān)測。

全站儀監(jiān)測是利用全站型電子測距儀，通過電子測距技術(shù)和電子測角技術(shù)，對具有典型病害特征的區(qū)域進(jìn)行城墻穩(wěn)定性的監(jiān)測。全站儀監(jiān)測首先要進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)，作為城墻穩(wěn)定觀測的工作基點(diǎn)，為其他各外部監(jiān)測系統(tǒng)提供基準(zhǔn)（參考系），用以檢測其穩(wěn)定性和城墻絕對位移量。然后選擇能體現(xiàn)形體變化表征以便于監(jiān)測的部位，布設(shè)形變監(jiān)測點(diǎn)。最后使用全站儀固定站點(diǎn)、儀器進(jìn)行觀測，獲得監(jiān)測點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)，通過重復(fù)獲取多期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析城墻的局部變形情況。

三維激光掃描是研究城墻定量風(fēng)化剝落深度的重要方法，不需接觸被測城墻，通過獲取監(jiān)測對象高精度三維坐標(biāo)、形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過一系列專業(yè)的內(nèi)業(yè)處理，建立三角網(wǎng)模型（圖2），形成被測對象的三維模型。

利用上述方法建立的三維模型，在待研究區(qū)域劃分多條剖面線，提取剖面線起伏線，選取特征點(diǎn)，分析城墻表面風(fēng)化、剝落深度。將剖面線上風(fēng)化程度最小的點(diǎn)位設(shè)定為本條剖面線的風(fēng)化基準(zhǔn)點(diǎn)，量測剖面線上其他各特征點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，獲得風(fēng)化深度的數(shù)值?；谕ㄟ^同一剝落區(qū)域多次掃描及計(jì)算結(jié)果，可判斷風(fēng)化、剝落病害發(fā)育情況及發(fā)育速度，為城墻病害研究、保護(hù)工程的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

（二）傳感器監(jiān)測

針對南京城墻病害多、類型復(fù)雜的特點(diǎn)，對危險(xiǎn)性較高的病害安裝了傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

臌脹病害監(jiān)測采用的是多維度變形測量裝置。

該設(shè)備基于連續(xù)測斜原理，由數(shù)個(gè)長度為1米的剛性傳感器分節(jié)構(gòu)成，傳感器之間頭尾串聯(lián)形成一個(gè)陣列傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用可自由彎曲的柔性節(jié)連接，每節(jié)傳感器都可以監(jiān)測該區(qū)域XY二維方向位移值，從而達(dá)到監(jiān)測城墻臌脹形變的效果。

裂縫病害監(jiān)測采用振弦式裂縫計(jì)。該設(shè)備的振弦式傳感器構(gòu)件與一個(gè)經(jīng)過物理處理并消弭應(yīng)力的繃簧連接，繃簧兩頭分別與鋼質(zhì)振弦、傳遞桿相連，產(chǎn)生在鋼質(zhì)振弦上的張力與拉力成比例，裂縫的開合度通過數(shù)據(jù)差異準(zhǔn)確地體現(xiàn)出來。

沉降病害監(jiān)測采取靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，使用高精度磁性位移傳感器來測量被監(jiān)測點(diǎn)沉降的變化。多臺磁浮子液位傳感器由一根通液管和通氣管連接在一起，傳感器輸出為數(shù)字接口，當(dāng)監(jiān)測位置產(chǎn)生相對于基準(zhǔn)點(diǎn)沉降或抬升時(shí)，監(jiān)測位置儲液灌液位相繼發(fā)生變化，液位變化帶動(dòng)內(nèi)部的浮子隨之改變并被內(nèi)部的敏感器件所感應(yīng)輸出數(shù)據(jù)。

傳感器設(shè)備監(jiān)測采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，能夠提高文化遺產(chǎn)監(jiān)測的時(shí)效性。

（三）信息化支撐

南京城墻監(jiān)測平臺利用多數(shù)據(jù)源管理整合能力，將已有的監(jiān)測設(shè)備，相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成管理，提高了數(shù)據(jù)源豐富性和多維性，使監(jiān)測成果更詳實(shí)更廣泛。

項(xiàng)目基于中國世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警總平臺監(jiān)測云，根據(jù)南京城墻日常人工巡查的工作內(nèi)容及特點(diǎn)，研制南京城墻人工巡查APP，定制南京城墻人工巡查任務(wù)，通過手機(jī)APP采集監(jiān)測項(xiàng)的病害照片、文字信息、人工測量信息等監(jiān)測數(shù)據(jù)，直接獲取日常巡查數(shù)字化監(jiān)測的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、采集人及數(shù)據(jù)位置。人工巡查利用智能通訊設(shè)備、巡查APP以及定位技術(shù)，既解決了傳統(tǒng)人工巡查數(shù)據(jù)數(shù)字化問題，也保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和精準(zhǔn)度，同時(shí)提升了采集工作的信息化水平，真正做到智能管理、責(zé)任到人、精準(zhǔn)巡查的要求。

三、病害監(jiān)測效果

目前在南京城墻已安裝裂縫計(jì)111只、靜力水準(zhǔn)儀16套、多維度變形測量裝置48套。數(shù)據(jù)采集頻率為正常情況8小時(shí)一次；雨中、雨后一周內(nèi)4小時(shí)一次；當(dāng)觸發(fā)預(yù)警后2小時(shí)采集一次。對城墻局部區(qū)域變形和城墻整體形變實(shí)施測繪監(jiān)測。局部區(qū)域變形監(jiān)測，對83處城墻病害較為嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行每年14次全站儀測繪，3處城墻病害較為嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行每年4次三維掃描測繪。整體形變監(jiān)測對城墻全段進(jìn)行每年2次沉降測繪工作。監(jiān)測工作開展至今，已形成百萬余條監(jiān)測數(shù)據(jù)和多期測繪報(bào)告。數(shù)據(jù)顯示目前南京城墻本體相對穩(wěn)定。

（一）裂縫病害變化特征分析

南京城墻以裂縫病害最為普遍，因此監(jiān)測設(shè)備布設(shè)數(shù)量最多，圖3為同一日期南京城墻不同裂縫寬度變化曲線。由圖可知，條石砌墻和城磚砌墻的裂縫寬度變化趨勢基本保持一致，22時(shí)至6時(shí)裂縫寬度相對最大，6時(shí)至11時(shí)裂縫寬度逐漸變小，11時(shí)至14時(shí)裂縫寬度相對最小，14時(shí)至22時(shí)逐漸變大。圖4為一年時(shí)間內(nèi)南京城墻TTN16號病害裂縫寬度變化曲線，由圖可知，冬季至夏季期間，裂縫寬度逐漸減小，夏季至冬季期間，裂縫寬度逐漸增加。

（二）裂縫病害變化與溫度的相關(guān)性

根據(jù)裂縫寬度變化，可判斷裂縫寬度變化與溫度有關(guān)，故而對裂縫寬度變化與溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。圖5為南京城墻裂縫病害寬度變化值與溫度相關(guān)性分析圖，相關(guān)系數(shù)R2為0.9632，顯示城墻裂縫病害寬度變化值與溫度達(dá)到顯著相關(guān)水平，并且為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，裂縫寬度變化值越小。

（三）人工巡查成果

南京城墻保護(hù)管理中心組建了專業(yè)的人工巡查隊(duì)伍，利用移動(dòng)端APP，每周對巡視區(qū)域開展人工巡視（圖6），巡查過程中如實(shí)上報(bào)巡查過程中發(fā)現(xiàn)的各類問題，及時(shí)提交到系統(tǒng)發(fā)出異常警報(bào)，并第一時(shí)間通知負(fù)責(zé)人處置。同時(shí)通過基準(zhǔn)照比對，定期采集病害圖片，形成同一病害不同時(shí)間序列的圖像（圖7），查看病害的變化情況，對明顯變化的病害留存可追溯的圖像資料檔案。

四、結(jié)語

（一）優(yōu)劣勢分析

運(yùn)用測繪、布設(shè)傳感器、信息化支撐人工巡查的方式進(jìn)行南京城墻本體病害的監(jiān)測，通過運(yùn)行與實(shí)踐，顯示三種監(jiān)測方式各有優(yōu)勢與不足：

1.采用測繪的方式進(jìn)行病害監(jiān)測，對文物本體不會造成損傷，采集的數(shù)據(jù)精度較高，但其操作復(fù)雜，需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)來完成，且采集的數(shù)據(jù)具有較大存儲要求和較高專業(yè)性，文物保護(hù)管理機(jī)構(gòu)需通過采購第三方服務(wù)的方式獲取，缺乏靈活性且及時(shí)性不夠。該方法適用于本體病害調(diào)查、工程施工前的勘察工作以及大范圍、典型病害的專項(xiàng)監(jiān)測。

2.布設(shè)傳感器進(jìn)行病害監(jiān)測是目前不可移動(dòng)文物較為普遍的監(jiān)測手段，在用電、網(wǎng)絡(luò)條件有保障的情況下，具有采集自動(dòng)化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的精確性以及設(shè)備使用壽命，對外部自然環(huán)境有一定依賴性，在潮濕、高溫、寒冷等惡劣天氣下，傳感器易產(chǎn)生漂移①，需要對設(shè)備定時(shí)進(jìn)行校正，運(yùn)維成本較高。

3.利用信息系統(tǒng)支撐，進(jìn)行人工巡查是一種較為簡單實(shí)用的監(jiān)測手段，在某種程度上能夠彌補(bǔ)設(shè)備監(jiān)測覆蓋不全的情況，亦適用于對沒有科學(xué)有效監(jiān)測手段的病害進(jìn)行持續(xù)性觀測，存在數(shù)據(jù)規(guī)范性弱、主觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。采用信息化支撐的人工巡查的監(jiān)測方式，結(jié)合相應(yīng)的管理措施，在某種程度上能夠調(diào)動(dòng)管理機(jī)構(gòu)對文物保護(hù)管理的主動(dòng)性。

（二）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)實(shí)際情況，運(yùn)用多種監(jiān)測手段相結(jié)合的方法開展對南京城墻的監(jiān)測，發(fā)揮各類監(jiān)測手段的優(yōu)勢，相互補(bǔ)充、相互支撐，采集各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)分析來判斷城墻的保護(hù)現(xiàn)狀和病害發(fā)育規(guī)律，可為其他城墻類文化遺產(chǎn)監(jiān)測提供參考。但無論采用何種先進(jìn)、自動(dòng)的監(jiān)測設(shè)備，均無法完全替代保護(hù)管理人員的參與?？萍蓟椒軌蚪鉀Q保護(hù)管理人員時(shí)間不持續(xù)、地點(diǎn)不可達(dá)的監(jiān)測問題，是保護(hù)管理的一種有效支撐手段；信息化系統(tǒng)能夠?yàn)楸Ｗo(hù)管理人員的工作提供便利，使得數(shù)據(jù)更規(guī)范，但無法替代保護(hù)管理人員進(jìn)行決策。因此，進(jìn)行文化遺產(chǎn)監(jiān)測要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的監(jiān)測手段，同時(shí)也要配備數(shù)據(jù)分析、日常巡查、文物保護(hù)等專業(yè)的人員，保護(hù)管理人員有效利用科技化的監(jiān)測手段和信息化系統(tǒng)，才能對文化遺產(chǎn)進(jìn)行更科學(xué)、更有效以及常態(tài)化的監(jiān)測和保護(hù)。