石塔構(gòu)件化測繪技術(shù)和方法研究
——以南京棲霞寺舍利塔為例＊

沙楚翹 張軍軍 洪道寧 張宏

石塔作為中華文化傳承的重要物質(zhì)載體之一，不僅是建筑遺產(chǎn)的重要部分，其獨特的結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造手法，充分反映了古代匠人的營造技術(shù)水平和藝術(shù)創(chuàng)造力。南京棲霞寺藏經(jīng)樓東側(cè)的舍利塔，作為南唐時代少有的石構(gòu)密檐式佛塔，被認為是我國佛塔由“古拙時期”發(fā)展到“繁麗時期”的重要過渡[1]，也是我國五代南唐時期石構(gòu)建筑的杰出瑰寶之一，具有極高的保護價值。因自然風(fēng)化和侵蝕等原因，現(xiàn)存棲霞寺舍利塔于1921年由劉敦楨先生和1993年由國家文物局進行了兩次測繪和修繕。然而這兩次測繪修繕更偏向于搶救性修復(fù)保護，留下的存檔資料相對較少，給后世的預(yù)防性保護增加了難度。

近年來，三維掃描技術(shù)被引入文物建筑測繪和研究領(lǐng)域，彌補了傳統(tǒng)二維測繪的缺點。與傳統(tǒng)的測繪方式相比，基于三維掃描技術(shù)的數(shù)字化測繪，在高效率的同時兼具了高精度和高完整度。然而，現(xiàn)有的測繪方式依然停留在表層，通常將文物表面作為整體進行數(shù)據(jù)創(chuàng)建，缺乏構(gòu)件級別的研究。因此，本研究將構(gòu)件分件技術(shù)融入棲霞寺舍利塔的數(shù)字化信息采集和數(shù)據(jù)重建，形成虛擬石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)庫，為今后的文物重建和修繕提供信息支持，使建筑文化遺產(chǎn)瑰寶得以長存。

1 古建筑測繪歷史回顧

1.1 二維測繪模式及缺陷

自1932年伊始，營造學(xué)社的先賢們?yōu)榱私庵袊糯ㄖ?、解讀營造法式，進行了數(shù)次古建筑調(diào)查測繪，開創(chuàng)了中國建筑遺產(chǎn)測繪的先河[2]。這種古建筑測繪主要依賴拍照技術(shù)、工具測量和手工記錄，同時輔以一定的調(diào)查。但受制于當(dāng)時的技術(shù)手段，現(xiàn)存在案的測繪存檔僅存留當(dāng)時的黑白照片及手繪的二維相關(guān)圖紙。這些文件不僅在測量的尺寸上存在誤差，而且修繕過程中的修補位置、尺寸、所選用材料等信息也難以完整記錄存檔。

我國高等院校的相關(guān)專業(yè)也較早開設(shè)古建筑測繪類課程，并取得了一定的成果。然而這種測繪活動大多是學(xué)生在老師的帶領(lǐng)下，近距離接觸古建并進行二維的測量和記錄，然后依據(jù)數(shù)據(jù)整理結(jié)果繪制復(fù)原草圖。此類測繪同樣基于視覺可見的建筑表面，無法深入建筑內(nèi)部構(gòu)件。

傳統(tǒng)的測繪方式難以滿足當(dāng)下對古建筑精準記錄、數(shù)據(jù)重現(xiàn)、分析保護、多重展示的需求。若這些信息能完整留存下來并被合理地研究使用，將對文物保護從搶救性保護轉(zhuǎn)向搶救性與預(yù)防性保護并重的新模式產(chǎn)生較大的幫助?；谏鲜鰡栴}，從二維測繪轉(zhuǎn)變?yōu)槿S測繪，特別是基于信息模型的構(gòu)件化測繪的必要性日益凸顯。三維信息采集方法結(jié)合相應(yīng)的軟件工作流，可幫助研究思維轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)表達和協(xié)同能力的同步突破。與此同時，以三維信息模型為基礎(chǔ)的信息模型技術(shù)，能提供可記錄古建筑構(gòu)件全生命周期的信息載體，記錄內(nèi)容包括且不限于構(gòu)件損傷率、文物損傷率、重量、材料以及修繕記錄等不同專業(yè)領(lǐng)域的各類信息。

1.2 構(gòu)件化測繪

建筑是由構(gòu)件組成的，基于構(gòu)件邏輯的測繪，可以為古建筑保護提供更精細化的幫助。首先，對建筑構(gòu)件進行科學(xué)合理的分類、分級和分件，可以幫助文保工作者進一步提升對古建筑營造邏輯的理解。其次，基于構(gòu)件指導(dǎo)的測繪研究，可以幫助負責(zé)構(gòu)件層級的人員進行修復(fù)分工，合理保護和研究不同類別的殘損構(gòu)件，使修復(fù)工作具有針對性，提高協(xié)同工作的效率。因此，石塔構(gòu)件化測繪可以為石質(zhì)文物的預(yù)防性保護提供構(gòu)件級別的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是預(yù)防性遺產(chǎn)保護的重要技術(shù)。

2 基于構(gòu)件法的棲霞寺舍利塔三維信息采集和分件研究

在測繪領(lǐng)域，三維掃描技術(shù)是GPS（全球定位系統(tǒng)，Global Positioning System）技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式，推進了文保領(lǐng)域的研究。但是三維掃描技術(shù)目前僅能精準獲取采集對象的外觀數(shù)據(jù)，無法直接探明其內(nèi)部組成方式。僅憑中國古代石塔類建筑的表層數(shù)據(jù)，難以提供行之有效的預(yù)防性保護，因此本研究創(chuàng)新性地使用了三維掃描儀、無人機傾斜攝影和探地雷達組合的多重信息采集技術(shù)，實現(xiàn)了古建筑數(shù)字化測繪的進步。

2.1 三維信息采集

棲霞寺舍利塔測繪選用的三維數(shù)據(jù)采集方法主要為兩類：三維激光掃描儀和無人機傾斜攝影采集現(xiàn)狀外觀信息，探地雷達采集基座束腰以下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。

2.1.1 三維掃描儀

傳統(tǒng)二維測繪工作通常需要搭架子和攀爬等工作，容易對石質(zhì)文物產(chǎn)生破壞?；诒Ｗo的目的，本次測繪選用了相位式三維激光掃描儀進行全方位、非接觸式的信息采集。對易產(chǎn)生誤差和復(fù)雜數(shù)據(jù)的采集區(qū)，如塔檐、塔剎等位置，數(shù)據(jù)測繪點保持了30%左右的重疊。在不觸碰舍利塔的前提下，快速完成對目標的三維掃描儀采集記錄，獲得可編輯的高密度三維點云數(shù)據(jù)文件（圖1），測量誤差小于5mm，具有較高的原真性。

2.1.2 無人機傾斜攝影

在古建筑測繪領(lǐng)域，無人機傾斜攝影技術(shù)具有較好的靈活性和高覆蓋率等優(yōu)勢，提升了構(gòu)件現(xiàn)狀信息采集的完整度。例如，石塔出檐頂部等難以攀爬或目視不到的地方，采用無人機傾斜攝影技術(shù)更容易獲得真實且全面的紋理貼圖。該技術(shù)通過特定軟件對獲取的圖像進行快速匹配算法，獲得拍攝對象的數(shù)字表面模型、正射影像以及側(cè)面影像，最終拼合形成三維實景模型[3]。確定拍攝路線和參數(shù)后，在陰天的情況下使用無人機在規(guī)劃點位進行詳細拍攝，最后完成數(shù)據(jù)處理形成模型（圖2）。

2.1.3 探地雷達

探地雷達是近年發(fā)展起來的一種無損探測技術(shù)，具有速度快、過程連續(xù)和分辨率高等優(yōu)點，其工作原理是在探測設(shè)備的移動過程中，定時發(fā)射出脈沖電磁波并不斷接受目標體的反射波，通過讀取反射波的傳播時間，計算反射面深度，形成雷達剖面圖像，并由此判讀確定目標體的分布特征[4]（圖3）。探地雷達在本次測繪中的主要目標，是以不破壞文物的方式勘探舍利塔基座束腰以下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。通過提取探地雷達各類雜波數(shù)據(jù)（圖4）并去粗存精后，得到基座一至五層外構(gòu)件尺寸。

這三種三維數(shù)據(jù)采集方式各具優(yōu)勢，獲得的數(shù)據(jù)類型也相互補充，組合搭建出棲霞寺舍利塔三維模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為分件研究提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。在外觀層面上，三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)相對更完整、真實且支持相關(guān)軟件進行數(shù)據(jù)分析；無人機傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)貼圖更詳盡；探地雷達則支撐了內(nèi)在構(gòu)造數(shù)據(jù)的研究，使得整個三維模型有了質(zhì)的飛躍。

2.2 舍利塔分件研究

我國的古建筑與構(gòu)筑物在構(gòu)件形制、組合和裝配建造方面有一定規(guī)律，一些建構(gòu)邏輯甚至延續(xù)至今。因此通過對現(xiàn)存的古石質(zhì)建筑資料進行研究，并結(jié)合常用的建造分件邏輯，有利于對石塔類文物進行建造邏輯的歸納、總結(jié)與推斷。通過對三維掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)進行交叉解析和推斷，可以推測得到石質(zhì)建筑的完整內(nèi)部構(gòu)成信息。

1 高密度三維點云數(shù)據(jù)文件

2 無人機測繪成果合并圖

3 探地雷達工作原理

4 探地雷達實測數(shù)據(jù)圖

2.2.1 外部分件

古代石塔類建筑的構(gòu)件具有一定的規(guī)律，構(gòu)件之間的交接做法相對固定，因此對構(gòu)件進行外部觀察分析是最直接的分件研究途徑。

棲霞寺舍利塔基座的層間和層內(nèi)構(gòu)件之間均有較為清楚的縫隙（圖5），同層級的構(gòu)件交界處也存在肉眼可見的灰縫（圖6,7）。結(jié)合探地雷達所測構(gòu)件深度，基本可推斷出舍利塔一至五層構(gòu)件形態(tài)和分件方式。其余層級因高度所限，使用文獻對比研究，綜合推測完整剖面。

2.2.2 內(nèi)部分件

地域文化對建筑往往有著深遠的影響，加之古代社會的信息傳播速度緩慢，因此本次研究以相似區(qū)位、時代、材質(zhì)及高度作為篩選標準，選取了西安薦福寺小雁塔、靈隱寺兩石塔和浙江瑞安垟坑石塔作為對比對象，進行結(jié)構(gòu)剖面類比分析（圖8）。

棲霞寺舍利塔自臺階以上算起，總高18.04m[5]，基于探地雷達數(shù)據(jù)可以判定，其外表面構(gòu)件未直接延伸至塔心，內(nèi)外有兩種材質(zhì)。始建于相似年代的西安薦福寺小雁塔結(jié)構(gòu)為“空筒式”，為唐代最普遍的塔結(jié)構(gòu)形式，基于傳承的原因，五代時期始建的棲霞寺有可能參考了該營造結(jié)構(gòu)。而靈隱寺兩石塔始建于公元950年，皆為八面9層樓閣式實心石塔，高度在11.5m左右，底徑約2.5m，營造方式為構(gòu)件堆砌沒有填心[6]。瑞安垟坑石塔始建于公元1071年，仿木樓閣式實心石塔，因2006年落架大修過，因此查閱到該塔為外部石構(gòu)和內(nèi)部填芯的結(jié)構(gòu)（圖9）。其外部石構(gòu)件大小不齊、深淺不一，但重心大致落在同一直線上，塔心內(nèi)部填芯為塊石[7]。

垟坑石塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考價值相對最大。棲霞寺舍利塔雖然是實心石塔，但探地雷達的實測數(shù)據(jù)已經(jīng)佐證其內(nèi)部構(gòu)造可分為外表面石構(gòu)件和內(nèi)部填心兩個部分。基于建造工藝限制的原因，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)略微向塔心傾斜，如此可保證石構(gòu)件重心大致垂直，構(gòu)造穩(wěn)固合理[8]。綜合運用文獻和采集后的數(shù)據(jù)，可推測出棲霞寺舍利塔的剖面構(gòu)造圖（圖10），其中內(nèi)部填芯可能為不規(guī)則碎石，接縫處注入泥漿。

5 棲霞寺舍利塔基座縫

6 棲霞寺舍利塔一層縫

7 棲霞寺舍利塔三層縫

3 石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)系統(tǒng)

石質(zhì)文物的修繕和復(fù)原工作需要精確的、工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此有必要建立石質(zhì)文物構(gòu)件的全信息數(shù)據(jù)儲存庫。基于三維信息采集和文獻研究取得的數(shù)據(jù)群組，可以模擬石質(zhì)文物構(gòu)件的建造和修復(fù)過程，實現(xiàn)虛擬模型與真實石質(zhì)文物的耦合對比，進而優(yōu)化相關(guān)建造與修繕步驟，保證石質(zhì)文物再造與修繕工作的可靠性與系統(tǒng)性。

3.1 構(gòu)件數(shù)據(jù)重造系統(tǒng)

棲霞寺舍利塔構(gòu)件數(shù)據(jù)重造系統(tǒng)是數(shù)字化構(gòu)件信息優(yōu)化處理的流程之一，構(gòu)件重造主要利用3D打印精準高效的特點，將前期信息合并優(yōu)化后的點云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入相應(yīng)軟件進行修復(fù)和算法修正，然后復(fù)原打印，可以獲得高度相似的還原構(gòu)件（圖11）。

3.2 基于BIM的全息數(shù)據(jù)構(gòu)件庫

建立石質(zhì)文物虛擬構(gòu)件庫，能夠有效合理地整合虛擬數(shù)據(jù)，數(shù)字化記錄對應(yīng)構(gòu)件的屬性信息（如材質(zhì)信息、工藝技法、損耗情況等），有效提高石質(zhì)文物保護的前瞻性與科學(xué)性。

在本研究中，石質(zhì)文物虛擬構(gòu)件庫采用BIM軟件Revit，因其可以加載構(gòu)件信息并進行編輯，便于文物類不同構(gòu)件的精細化管理。將導(dǎo)入三維掃描信息模型的構(gòu)件文件轉(zhuǎn)化為IFC格式，并帶有尺寸和重量等信息，完成全信息儲存流程。通過插件開發(fā)，Revit數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)會整合相應(yīng)數(shù)據(jù)并建立石質(zhì)文物構(gòu)件數(shù)據(jù)庫，相關(guān)人員可以方便地調(diào)取和使用（表1）。

8 塔類比對

表1 構(gòu)件信息表

9 瑞安垟坑石塔內(nèi)部填芯

10 棲霞寺舍利塔剖面推測

11 棲霞寺舍利塔構(gòu)件及還原構(gòu)件

4 結(jié)語

本研究以棲霞寺舍利塔為例，從建筑測繪歷史發(fā)展和建筑構(gòu)件組合出發(fā)，將構(gòu)件原理應(yīng)用到建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域，提出了一套基于三維信息采集技術(shù)和文獻研究的石塔測繪技術(shù)和方法，對南京棲霞寺舍利塔進行從整體到構(gòu)件的數(shù)字化測繪和構(gòu)件還原研究。通過構(gòu)件分件技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)重造，并建立了石質(zhì)文物構(gòu)件庫，為石塔類文物的模擬、修繕和重生提供了數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，有效推動了石塔類建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護。

圖片來源

1-4,8作者自繪

5-7,9作者自攝

10來源于文獻[5]

11來源于文獻[7]

表格來源

1作者自繪