布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪與預(yù)防性保護(hù)

查群

摘要：在精細(xì)化測繪前，針對布達(dá)拉官建筑的特殊性，根據(jù)文物保護(hù)的具體需求，發(fā)現(xiàn)了布達(dá)拉宮所有的未知空間，解決了布達(dá)拉宮建筑形態(tài)長期認(rèn)識不完整的THAI，獲取了具有文物保護(hù)特點(diǎn)的精細(xì)化測繪成果。通過精細(xì)化測繪建立的布達(dá)拉宮三維模型，可應(yīng)用于布達(dá)拉宮文物保護(hù)綜合管理平臺，不僅可以實現(xiàn)布達(dá)拉宮保護(hù)管理工作的可視化，而且精細(xì)化的數(shù)據(jù)為文物建筑的保存狀態(tài)評估、結(jié)構(gòu)分析和監(jiān)測工作的自動化統(tǒng)計分析創(chuàng)造可能，同時可提供建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測等相對獨(dú)立專業(yè)系統(tǒng)平臺的真實有效的數(shù)據(jù)支撐和可視化環(huán)境，為布達(dá)拉官文物預(yù)防性保護(hù)及保護(hù)管理工作提供了堅實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：布達(dá)拉宮;精細(xì)化測繪;地壟建筑形態(tài);預(yù)防性保護(hù)

引言

世界遺產(chǎn)布達(dá)拉宮坐落在拉薩河谷中心海拔3700米的紅山之上，是集行政、宗教、宮殿于一體的綜合性建筑，由白宮、紅宮及其附屬建筑組成。該建筑群始建于7世紀(jì)吐蕃王朝時期，現(xiàn)存主體建筑為17世紀(jì)由五世達(dá)賴?yán)锛捌鋽z政王第司·桑結(jié)嘉措主持修建，之后經(jīng)多次改擴(kuò)建，至1935年十三世達(dá)賴?yán)镬`塔殿落成后，形成了今日的格局和規(guī)模。。

布達(dá)拉宮是典型的漢藏結(jié)合的山地宮堡建筑形式，通過砌筑在山體之上縱橫交錯的地壟作為建筑基礎(chǔ)，在其上修建龐大而穩(wěn)固的主體建筑。地壟是藏式山地建筑一種獨(dú)特的建筑基礎(chǔ)形式，由縱橫交錯、高度依山勢變化的墻體構(gòu)成“井”字形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系。地壟一方面增加了山地建筑基礎(chǔ)的底面積，更是將上部荷載傳遞給山體基巖，并有效防止上部建筑滑移。由于布達(dá)拉宮現(xiàn)存建筑系經(jīng)過不同時期多次改、擴(kuò)建而成，部分地壟被后期建造活動所占壓，因此結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，至今仍有相當(dāng)部分地壟的分布情況未知。

經(jīng)過1989-1994年的第一次大修和2001-2009年的第二次大修之后，布達(dá)拉宮大多數(shù)暴露在外的重大險情已經(jīng)得到了很好的控制，文物建筑總體保存狀態(tài)良好。但在布達(dá)拉宮保護(hù)工作中，一直存在未知空間不停被發(fā)現(xiàn)，以及墻體裂縫缺乏整體分布清況的三維定位的問題，為了徹底解歲乙之些影響布達(dá)拉宮保護(hù)工作的不確定因素，全面、真實、精確的測繪是最直接無損的力式。

一、布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪的開展

（一）布達(dá)拉官精細(xì)化測繪工作緣起

對布j彭立宮保護(hù)中的信息摧r區(qū)包括幾個關(guān)鍵問題：

一是迄今為止，因尚有未發(fā)現(xiàn)的“地壟”，始終沒有完成對布達(dá)拉宮完整建筑形態(tài)的整體認(rèn)識（圖1）。

二是對這些未知地壟空間保存狀態(tài)的勘察工作無法進(jìn)行，因而無從全面了解布達(dá)拉宮建筑的保存狀態(tài)。

三是缺乏支撐建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估的分析數(shù)據(jù)。對于結(jié)構(gòu)體系是墻砌體的布達(dá)拉宮建筑來說，完整的建筑形態(tài)和墻體保存狀態(tài)是支撐建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的核心要素。2012年布達(dá)拉宮的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，至今已持續(xù)8年，獲得大量有效的結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，但由于無法獲取未知空間保存狀態(tài)資料;因此未能系統(tǒng)掌握布達(dá)拉宮所有墻體的裂縫整體分布情況。

四是尚未獲得紅山上山洞對建筑穩(wěn)定性是否存在威脅的可靠分析數(shù)據(jù)。 1960年代在紅山上挖鑿的三處山洞，有兩處位于紅山兩側(cè)山腳，進(jìn)深較小，對山體和建筑危害不大，但另一處位于布達(dá)拉宮雪城西側(cè)、“雪堆白”后的2號山洞，進(jìn)深100余米，內(nèi)部走向曲折，形態(tài)不規(guī)則，之前的測繪方式都無法獲得其準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，不能確定2號山洞對布達(dá)拉宮建筑是否存在危害。

解決上述幾個問題的方法，在持續(xù)的保護(hù)工作中一直在探索，總結(jié)起來，主要有兩種方式：

第一種是在實施保護(hù)工程中，出于保護(hù)措施需要，在揭露屋頂或地面時發(fā)現(xiàn)未知地壟。這種方式簡單直接，但只有必須揭露的部位才能實施，存在較大的偶然性，不可能做到全覆蓋。

第二種是通過測繪手段摸清山體和建筑之間的關(guān)系，通過已知的山體和建筑的留白部分，順藤摸瓜找到未知地壟。尤其是通過測繪確定已知目標(biāo)的三維坐標(biāo)，再去尋找未知地壟的空間定位，是一種準(zhǔn)確、無接觸、不損壞文物，有計劃且不會遺漏的方式，并具有很強(qiáng)的主動性。

由此可見，測繪是解決上述問題的主動而無損的方法。在以往對布達(dá)拉宮的保護(hù)工作中，測繪技術(shù)和手段分為以下幾個階段：

（1）1989-1994年，對布達(dá)拉宮第一次大修過程中，采取當(dāng)時先進(jìn)的近景攝影方式獲得布達(dá)拉宮精確的外立面二維圖，采用經(jīng)緯儀、小平板及皮尺、鋼尺等傳統(tǒng)方式獲得布達(dá)拉宮完整的外立面和內(nèi)部空間的準(zhǔn)確測繪圖紙。

（2）2000-2009年第二次大修時，采用大地測量網(wǎng)、布置控制點(diǎn)以及全站儀、激光測距儀等測繪工具，配合傳統(tǒng)方式進(jìn)行測繪。彼時業(yè)界已普遍使用計算機(jī)輔助繪圖軟件（AUTOCAD）繪制建筑圖紙，但測繪方式依然是傳統(tǒng)方式，因此雖然能獲得CAD電子版建筑測繪及維修設(shè)計圖紙，形成的測繪成果基本是分建筑組群及分層繪制，沒有解決建筑空間準(zhǔn)確的相互關(guān)系問題。

（3）2006-2013年編制布達(dá)拉宮保護(hù)規(guī)劃期間，精細(xì)化測繪已經(jīng)在布達(dá)拉宮展開，采用全站儀和三維激光掃描相結(jié)合的方式，通過全站儀對建筑外輪廓進(jìn)行三維定位并建模，采用測光測距儀、激光水平儀通過聯(lián)系測量、三角測繪等方法，獲取建筑內(nèi)部空間的三維數(shù)據(jù)，并運(yùn)用AUTOCAD.Sketchup等軟件建立了布達(dá)拉宮建筑的三維電子模型，以此認(rèn)識布達(dá)拉宮復(fù)雜空間的相互關(guān)系?？紤]到布達(dá)拉宮的復(fù)雜性，當(dāng)時還計劃將3D模型納入GIS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，但限于客觀條件尚未成熟并未實現(xiàn)。

上述幾個階段的保護(hù)及測繪工作，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了布達(dá)拉宮建筑內(nèi)部大部分隱藏空間和暴露出來的病害分布情況，針對布達(dá)拉宮建筑整體認(rèn)識及保存狀態(tài)評估做了大量基礎(chǔ)工作，但由于尚有未知地壟，以上幾個亟待解決的關(guān)鍵性問題依然存在。

那么需要什么樣的測繪數(shù)據(jù)才能發(fā)現(xiàn)那些“隱藏很深”的地壟，又用什么方法獲得這些測繪數(shù)據(jù)呢？

首先，要分析布達(dá)拉宮的建造特點(diǎn)及其復(fù)雜性：

（1）布達(dá)拉宮建造在紅山之上，屬于典型的山地建筑，同時也是一組龐大的、空間錯綜復(fù)雜、建筑形態(tài)組織完全不規(guī)則的“非標(biāo)”建筑群。為保持建筑的穩(wěn)定，建筑外部墻體收分大，建筑內(nèi)部空間依山勢變化而設(shè)計得百轉(zhuǎn)千回，沒有一面墻是直的，沒有一塊地面是平的，沒有標(biāo)高相同的室內(nèi)空間地坪（圖2）。

（2）布達(dá)拉宮的建造非一次性完成，主體建筑從7世紀(jì)始建（僅存法王洞）、17世紀(jì)中期重建（白宮及基本建筑格局）、17世紀(jì)后半期改擴(kuò)建（拆改部分白宮建成紅宮）、18至19世紀(jì)各世達(dá)賴?yán)锊粩嗖鸶募訑U(kuò)建、直至1935年拆除部分扎夏建筑利用其基礎(chǔ)建成十三世達(dá)賴?yán)镬`塔殿為止，方完成了整個建筑群的建設(shè)工作，形成現(xiàn)在的布達(dá)拉宮整體格局，各期建造痕跡互相疊壓、犬牙交錯。

（3）為了在山體上建造龐大的宮殿，砌筑依山而建、縱橫交錯的地壟，以增加上部建筑的面積，更重要的是將上部荷載傳遞給山體基巖，并有效防止上部建筑滑移。地壟是布達(dá)拉宮建筑結(jié)構(gòu)支撐體系的關(guān)鍵部位，是布達(dá)拉宮建筑結(jié)構(gòu)體系的基石。由于布達(dá)拉宮現(xiàn)存建筑系經(jīng)過不同時期多次改、擴(kuò)建而成，部分地壟被后期建造活動所占壓、掩蓋、隱藏，因此結(jié)構(gòu)更為錯綜復(fù)雜。

對于這樣的一座“非標(biāo)”建筑群，目前獲取準(zhǔn)確測繪數(shù)據(jù)的辦法就是建立建筑外輪廓、內(nèi)部空間及其載體

（紅山）真實準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)體系。

而之前的測繪技術(shù)和方法很難達(dá)到這一要求，直至2015年，在無人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描等技術(shù)日漸成熟并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測繪和文物保護(hù)領(lǐng)域的背景下，布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪項目適時啟動。

（二）布達(dá)拉官精細(xì)化測繪

明確了要通過精細(xì)化測繪解決的關(guān)鍵性問題，布達(dá)拉宮的精細(xì)化測繪，從一開始就有了針對性。

歸納以上需要解決的四個關(guān)鍵問題：（1）建筑形態(tài)的整體認(rèn)識;（2）建筑保存狀態(tài)的全面了解;（3）建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及評估的支撐數(shù)據(jù);（4）2號山洞是否存在對建筑的威脅，可以總結(jié)出以下應(yīng)對措施：

1.發(fā)現(xiàn)隱藏地壟，獲取完整建筑形態(tài)，解決問題一和問題二。

2.發(fā)現(xiàn)和定位裂縫，獲?。ㄒ云鲶w結(jié)構(gòu)體系為主體結(jié)構(gòu)的）布達(dá)拉宮建筑結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)，解決問題二和三。

3.定位2號山洞，評估其對布達(dá)拉宮建筑的危害，解決問題二和四。

那么，如何發(fā)現(xiàn)隱藏的地壟呢？通過清晰了解紅山山體的輪廓，可以反推建筑的底部形態(tài)，從而獲得完整的建筑形態(tài)。因此，如何推擬出被建筑占壓的山體輪廓是獲得完整建筑形態(tài)的關(guān)鍵，也是發(fā)現(xiàn)隱藏地壟的契機(jī)。

2015年，北京帝測科技股份有限公司（以下簡稱

“帝測”）作為中國文化遺產(chǎn)研究院的合作單位承擔(dān)了布達(dá)拉宮精細(xì)測繪項目，負(fù)責(zé)通過專業(yè)的測繪技術(shù)，解決布達(dá)拉宮的測繪技術(shù)難題。

我們提出的測繪成果目標(biāo)是：建立布達(dá)拉宮（包括雪城、宗角祿康）、紅山、藥王山航攝正射影像圖及外輪廓模型;獲取布達(dá)拉宮及雪城所有建筑的三維模型;以及由模型生成的八UTDCAD工程圖件。

除此之外，根據(jù)以上布達(dá)拉宮存在的一些需要在測繪中解決的問題，我們重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了需要在測繪過程中完成的任務(wù)：（1）標(biāo)注所有建筑內(nèi)部的基巖;（2）標(biāo)注所有墻體裂縫，并對裂縫進(jìn)行更細(xì)化的目標(biāo)測繪;

（3）獲取2號山洞的三維模型和坐標(biāo)。

針對這些要求，帝測團(tuán)隊提出“采用控制測量和聯(lián)系測量、無人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描、以及多視角高清影像紋理采集等技術(shù)”的測繪方案?，F(xiàn)場工作自2016年11月至2018年2月，轉(zhuǎn)站8000多個點(diǎn)位，帝測自主研發(fā)內(nèi)外空間導(dǎo)引設(shè)備，對建筑群及其周邊環(huán)境進(jìn)行了高精度三維信息采集和高清紋理信息采集工作，獲得2016-2018年布達(dá)拉宮建筑真實而準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。

同時帝測團(tuán)隊也非常認(rèn)真地完成了前述三項特別要求，由此解決了長期困擾布達(dá)拉宮保護(hù)的幾個關(guān)鍵性問題。

1.標(biāo)注所有建筑內(nèi)部的基巖。

對地壟里露出的所有基巖部分進(jìn)行標(biāo)識（圖3），并根據(jù)三維坐標(biāo)建立已知基巖的三維空間分布模型，根據(jù)這些標(biāo)識的基巖碎片去推擬整個山體的輪廓。當(dāng)所有測繪完成后，將推擬的山體輪廓模型與建筑模型進(jìn)行套合（圖4），留白部分就可能是未被發(fā)現(xiàn)的地壟。

由此，通過精細(xì)化測繪過程中對片段基巖的分布情況，廓清紅山山體輪廓，進(jìn)而摸清紅山山體和布達(dá)拉宮建筑之間的交接面，從而發(fā)現(xiàn)隱藏地壟，完整認(rèn)識布達(dá)拉宮建筑形態(tài)。

通過以上方式，2019年底，在完成了布達(dá)拉宮整體三維模型建模工作后，又成功發(fā)現(xiàn)了6處疑似隱藏地壟（圖5），并將準(zhǔn)確的位置提交給布達(dá)拉宮管理處。

2.標(biāo)注所有墻體裂縫。

墻體是布達(dá)拉宮的主體結(jié)構(gòu)，其保存狀態(tài)直接決定布達(dá)拉宮的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此在測繪過程中首先要標(biāo)注墻體裂縫，并建立所有裂縫的三維分布模型;其次對裂縫進(jìn)行毫米級的精細(xì)測繪，然后請專業(yè)的結(jié)構(gòu)團(tuán)隊去分析裂縫的類型，由此獲得為布達(dá)拉宮建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和監(jiān)測服務(wù)的可靠、有效支撐數(shù)據(jù)。

3.獲取2號山洞的三維模型和坐標(biāo)。

經(jīng)過三維激光掃描及三維坐標(biāo)定位，確定了2號山洞與紅山山體及布達(dá)拉宮建筑之間的空間關(guān)系：2號山洞與山脊相距45米、距布達(dá)拉宮最近的建筑本體95米，經(jīng)結(jié)構(gòu)專家根據(jù)此組精確數(shù)據(jù)分析測算，推斷2號山洞不會對山體及建筑形成較大危害。由此解決了一直困擾布達(dá)拉宮保護(hù)的一個安全隱患。

除了常規(guī)的精細(xì)化測繪，通過上述三項工作（廓清紅山山體輪廓、摸清裂縫分布情況、明確山洞與建筑之間的關(guān)系），從而發(fā)現(xiàn)隱藏空間，獲得布達(dá)拉宮完整的建筑形態(tài)及其保存狀態(tài)資料;由結(jié)構(gòu)專業(yè)團(tuán)隊建立布達(dá)拉宮結(jié)構(gòu)裂縫整體分布情況模型，為分析和測算建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)監(jiān)測工作提供了有效數(shù)據(jù);排除了2號山洞危害布達(dá)拉宮建筑及載體（紅山山體）的可能性。

至此，基本完成布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪的預(yù)期目標(biāo)，為之后的布達(dá)拉宮文物保護(hù)、展示、管理、研究工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和條件。

需要說明的是，專業(yè)測繪技術(shù)進(jìn)入文物保護(hù)領(lǐng)域是文物保護(hù)的客觀需要，但也需要文物保護(hù)專業(yè)指導(dǎo)，才能更好發(fā)揮其在文物保護(hù)工作中的作用。

二、布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪與預(yù)防性保護(hù)的關(guān)系

從2006年對布達(dá)拉宮實施三維激光掃描進(jìn)行精細(xì)化測繪開始，到2015年精細(xì)化測繪項目正式啟動，項目團(tuán)隊并未明確測繪工作與預(yù)防性保護(hù)的關(guān)系。但在整個項目實施過程中，所有測繪要求和預(yù)期獲得的測繪成果，都圍繞保護(hù)這個大方向，不論是獲得建筑的整體形態(tài)，還是裂縫分布情況，都是希望通過線索發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險，防患于未然、最終達(dá)到保護(hù)文物安全的目的。所以回頭來看，布達(dá)拉宮精細(xì)化測繪及測繪目標(biāo)，都與預(yù)防性保護(hù)的目標(biāo)不謀而合。

說到底，不論是保護(hù)還是預(yù)防性保護(hù)，其目標(biāo)是一致的，都是為更好地保護(hù)文物。在這個目標(biāo)驅(qū)使下，我們主動去發(fā)現(xiàn)隱藏的地壟，否則未知地壟一旦出現(xiàn)問題，可能就需要進(jìn)行搶救性保護(hù);如果我們不主動去發(fā)現(xiàn)裂縫，并提早建立結(jié)構(gòu)模型，分析裂縫形成原因，那么裂縫出現(xiàn)一點(diǎn)突變，后果都不堪設(shè)想。所有這些工作計劃，是基于對布達(dá)拉宮文物保護(hù)工作的了解而制定，基于對布達(dá)拉宮建筑的安全有準(zhǔn)確、科學(xué)的認(rèn)識。客觀上，這些工作符合預(yù)防性保護(hù)的核心思想。

首先，獲得在某一個時間節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，是預(yù)防性保護(hù)的一個重要方面。階段性的、以同樣的方式獲取的數(shù)據(jù)，就可以與歷史上某一時間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)變化，分析原因，防患于未然。

其次，建立數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)，不僅可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，而且有了原始數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)，后期獲取的數(shù)據(jù)可以累計和疊壓，從而積累各階段分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為保護(hù)工作源源不斷地提供有效的依據(jù)。

第三，通過精細(xì)化測繪建立起來的三維模型，可以作為布達(dá)拉宮綜合管理平臺的基礎(chǔ)模型，在此基礎(chǔ)上拓展、鏈接更多的專業(yè)系統(tǒng)平臺，比如結(jié)構(gòu)監(jiān)測、世界遺產(chǎn)監(jiān)測、電力、安防、消防、票務(wù)、辦公等，還可以通過移動客戶端，實現(xiàn)移動巡查、移動監(jiān)測、移動辦公等等。

這些都是預(yù)防性保護(hù)所涉及的內(nèi)容，也是文物保護(hù)的最終目標(biāo)。而精細(xì)化測繪及測繪成果是實現(xiàn)這些功能和目標(biāo)的基礎(chǔ)。通過精細(xì)化測繪，獲取布達(dá)拉宮建筑的完整形態(tài)、全面了解危害布達(dá)拉宮建筑安全穩(wěn)定性的病害分布情況，可為制定有針對性的文物建筑保護(hù)策略和保護(hù)措施提供有效的科學(xué)依據(jù)，將潛在的危害消滅于萌芽階段。

三、結(jié)語

不可移動文物涵蓋極其復(fù)雜的類型和環(huán)境，因此，不同的文物對象所需要的測繪數(shù)據(jù)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都是不同的。

在做精細(xì)化測繪之前，對文物本身的認(rèn)識越深刻，越能在測繪實施之前提出具有可操作性的具體目標(biāo)和要求，不在測繪過程中丟掉可能忽視的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，從而獲得更理想的成果，才能為預(yù)防性文物保護(hù)及提供真實有效的數(shù)據(jù)支撐。

“專業(yè)事情由專業(yè)人員去做”，只有不同的專業(yè)做好自己分內(nèi)的事情，跨學(xué)科的合作更能有針對性地解決問題。無論精細(xì)化測繪，還是預(yù)防性保護(hù)，在文物保護(hù)行業(yè)，這些手段和概念最終的目的都指向文物保護(hù)。因此，時刻記住“保護(hù)”兩個字，才不會偏離文物保護(hù)這個終極目標(biāo)。