文物古迹监测中空间信息技术应用的要点分析及实践探索

2019-09-23 11:57:41

本文刊登于:《地理信息世界》2018.10

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摘要:文物古迹是不可再生的珍贵资源,为了及时发现和处理文物保护中出现的问题,需要借助监测手段。空间信息技术由于具有精度高、范围广、时效快、干预小等优势,成为监测中不可或缺的技术手段。然而,目前在文化遗产监测中往往出现盲目与过度性问题。基于国际世界遗产保护和中国文物古迹保护准则相关理念与要求,分析了空间信息技术在文物古迹监测中的应用需求,提出了若干监测要点,即基于文物价值的风险评估,恰当技术的选择,标准规范的建立等。

引言

文物古迹是人类在历史上创造或者遗留的具有价值的不可移动的实物遗存[1],作为传统文化的重要物质载体,是不可再生的一类珍贵资源。由于自然因素和人为活动的影响,文物不可避免地遭受损伤破坏,为将这些宝贵资源更好地传承给子孙后代,需要利用科技手段进行文物的科学保护,特别是加强预防性保护。监测是随着世界遗产保护发展而受到广泛关注的一种保护方式,它可以及时发现和处理遗产保护中出现的问题,实现最早和最低限度的干预,从而最大限度地保护其真实性和完整性。以3S技术为核心[2],以及新近飞跃发展的三维激光扫描[3]及无人机倾斜摄影等空间信息技术,因其强大的空间数据获取、量测、分析及展示等功能,为文物古迹监测提供了契机。然而,文物自身的唯一性和复杂性决定了保护工作的特殊性,如何将空间信息技术的优势与文物保护的需求结合好,是文物监测工作的关键所在。

1需求分析

1.1世界遗产监测的国际趋势

世界遗产是指被联合国教科文组织和世界遗产委员会确认的具有突出意义和普遍价值的文物古迹及自然景观。作为各缔约国必须共同遵守的《保护世界文化和自然遗产公约》[4]及其操作指南[5]文件中,就世界遗产的监测工作提出了相关要求,其中有4项工作机制与监测紧密相关:(1)保护管理状况报告(StateofConservation,SOC)是早期形成并一直沿用至今的制度,由遗产地所在缔约国就世界遗产整体及个别遗产地的保护管理状况进行报告,如我国于2014年列入世界遗产的中国大运河,就多次在申遗过程中及列入遗产名录后向世界遗产中心提交了《中国大运河保护状况报告》;(2)定期报告(PeriodicReporting)是每6年一轮回的制度,相当于对所有遗产地的定期“体检”;(3)反应性监测(ReactiveMonitoring)是由世界遗产中心、联合国教科文组织相关咨询机构和专家,向世界遗产委员会递交有关受到危胁的世界遗产保护状况报告的行为,包括向缔约国询问情况、收集信息、派遣专家实地检查及汇总评估分析等工作,近年来,我国武当山、布达拉宫、三孔等遗产地接受了国际反应性监测;(4)强化监测机制(ReinforcedMonitoring),国际组织对于世界遗产监测的要求越来越严格、规范,在反应性监测的基础上,提出了强化监测机制,并频繁启动世界遗产除名程序,德国德累斯顿易北河谷就因新建桥梁影响文化景观而不幸被除名。可见,世界遗产的监测是通过对衡量遗产保护状况的指标进行测量,评估遗产突出普遍价值以完整性和真实性的保持状况及其变化趋势,是缔约国必须遵守的一项国际规则,具有强制性和程序上的基本要求,在目前的申遗工作中,监测系统建设已被视为不可或缺的一项内容。

截至2018年,我国共拥有53项世界遗产,总数位居世界第二,其中世界文化遗产(含双遗产)达40处。我国的世界遗产不仅数量多,而且类型丰富、地理分布和气候差异性较大,尤其是长城、大运河及丝绸之路这类巨型世界文化遗产地,其保护管理工作愈发艰巨。我国在加入世界遗产公约之后,积极探索适合我国国情的世界遗产保护理论与方法,在监测方面取得了一定成果,积累了一定经验,初步建立了中国世界文化遗产监测预警体系。首先,在国家文物主管部门及地方政府的重视下,陆续出台了一些与世界遗产保护与监测相关的法规文件,为监测工作顺利开展打下了基础;其次,国家级及遗产地两级监测机构队伍纷纷建立,在两级职责分工方面逐步完善,人员监测业务培训也进一步加强;再次,建立了世界遗产基础数据库,设计了监测指标体系,研发了监测预警系统平台,并在监测中广泛探索使用现代高科技手段。

因此,世界遗产监测是国际形势要求下的一种管理行为,偏重于宏观的管理性监测。我国世界文化遗产监测虽取得一定成绩,但是存在过度监测和盲目监测等问题,特别是在监测技术应用方面仍需要进一步实践完善。

1.2中国文物古迹保护准则框架下的文物监测

我国文物保护工作通过多年实践探索,在不可移动文物领域,建立了全国、省级和市县级三级文物保护单位体系,总结形成了《中国文物古迹保护准则》(简称《中国准则》),明确了文物保护工作的基本程序和基本原则,成为中国文物保护工作的最高行业规则和主要标准。《中国准则》针对文化遗产的监测提出了基本要求,主要包括:监测应当注重实效,集中关注文物本体和价值的保护;监测的技术装备并不需要是最先进的,而应当是最适宜的,即与文物保护实际需要和保护管理机构能力相匹配,专业人员的巡查和技术装备的应用都是监测的重要手段。在准则中,将监测和保养维护视为文物古迹保护的基础,强调监测是认识文物古迹蜕变过程及时发现文物古迹安全隐患的基本方法,指出对于无法通过保养维护消除的隐患应实行连续监测,记录、整理、分析监测数据,作为采取进一步保护措施的依据。

总体而言,作为规范指导我国文物保护实践工作的技术性文本,对于监测工作更注重监测的具体对象、目的、指标、技术及保护应用等相关细节,属于偏重于文物本体的技术性监测。

1.3空间信息技术监测应用需求

根据世界遗产监测和文物本体监测的特点与要求,空间信息技术可在以下方面开展监测相关工作时发挥作用:

1)遗产基础地理信息获取:用于监测基准的遗产总图,对于世界遗产其图纸范围包括遗产区和缓冲区,对于文物保护单位则包括保护范围和建设控制地带;用于监测基准的遗产要素/文物点,以遗产总图为地图,叠加各类遗产要素/文物点;遗产使用功能基准图,即最近用于监测基准的功能分区图、遗产要素/文物单体使用功能图;遗产要素/文物单体或局部测绘基准图和标志性图像。

2)遗产总体格局变化监测:监测遗产要素迁移、外边界改变、主要道路广场格局改变、山形水系规模形态改变、植被覆盖变化等。

3)本体与载体病害监测:文物单体或局部现状测绘图,本体与载体病害分布图,病害变化图,病害控制状态评估图。

4)建设控制:保护区划内新建项目及现场环境监测。

5)自然环境变化监测:包括大气环境、环境污染、地下水变化、自然灾害监测等。

6)旅游与游客管理:游客分布及游客数量相关监测。

7)安防与消防管理:安防消防设施位置管理与应急救援。

8)考古发掘:发掘现场测绘及考古信息留存。

9)保护展示与环境整治工程:保护展示与环境整治工程项目范围及进度监测。

10)日常巡查:日常巡查和保养维修记录与异常变化监测。

2监测要点分析

2.1基于文物价值的风险评估

监测作为文物保护的一种技术和管理措施,其最终目的是真实、完整地保存其历史信息及其价值,因此价值评估应置于首位。评估的内容既包括对文物古迹历史、艺术、科学以及社会和文化等价值的综合分析评估,也包括对保存状态、管理条件和不利因素的评估,还包括对文物研究和展示、利用状况的评估,其评估对象除文物本体外还应包含所在环境的评估。文物价值的风险评估应贯穿于整个监测过程,需要进行定期的回顾与更新,一方面可以加深对文物价值的深度挖掘和认知,另一方面也可以更合理地调整监测目标、对象、指标、频率及相关技术方案。

2.2恰当技术的选择

文物保护中倡导使用恰当的保护技术,强调无害性,同时能有效解决文物古迹面临的问题,消除潜在威胁以改善文物古迹保存条件。首先,现代空间信息技术多具有非接触式无损的特点,符合文物保护最小干预原则,在技术使用期间需要确保文物的安全,也要尽量避免监测设施对文物古迹景观的负面影响;其次,优先使用成熟技术,成熟技术往往经过长期的检验,有科学规范的程序,其精度也更为可靠,如三维激光扫描技术虽然在文物测绘与数字化建模方面发挥了重要作用,但是在建筑变形监测领域仍然处于前期试验阶段,而更需要依靠全站仪、GPS等成熟的常规测绘技术;再次,任何一门技术都有自身的优势和不足,如对于文物表层的监测,多依赖于近景摄影,仅能获取表层的可见光照片,而多光谱、高光谱、红外、荧光及CT等技术能发现隐性或弱性的文物信息,因此往往需要集成应用多种技术以达到优势互补。此外,由于我国文物古迹数量庞大,需要更多社会公众参与监测与保护工作,需要相对简易的技术工具,如基于GIS的移动巡查APP。

2.3标准规范的建立

文物监测相关的标准规范尚未建立,目前主要参照其他行业。需要结合文物自身的特点,以及文物保护修复的特殊工艺和流程,研究起草监测工作流程及技术导则,制定相应的标准规范,并推动监测相关管理制度的建立。目前,针对木构和砖石建筑的结构健康问题,正在编制《古建筑结构健康监测技术导则》,而对于干预度最高的文物本体修复工作,需要加强修复过程和修复效果跟踪监测方面的标准规范研制。

3实践探索

3.1大运河世界遗产监测预警系统建设

大运河位于我国中东部,地跨北京、天津2个直辖市和河北、山东、江苏、浙江、河南、安徽6个省,历经2400余年,是至今仍发挥现实功能的巨型线性文化遗产。2014年,中国大运河成功列入《世界遗产名录》,2018年,大运河保护管理工作得到世界遗产委员会高度赞赏,其中,大运河监测预警系统的应用发挥了重要支持作用[6]。大运河遗产保护和管理工作的体量巨大、多样性以及复杂性特征具有很大挑战,大运河遗产监测通过对数据进行持续不断的收集、集中化管理、分析和评估,为决策的制定奠定了数据基础。

1)大运河价值风险分析与监测指标确立:由于大运河遗产分布范围广,遗产类型丰富,各类遗产的影响因素差异较大,系统建设以大运河遗产的价值风险和保护管理需求为出发点,研制了《大运河遗产监测通用性指标》,包括遗产本体、影响因素、保护管理行为三类,共70小项,规范大运河沿线开展监测工作。

2)研发基于GIS的监测系统平台:(1)“两级平台、三级管理”:建立大运河遗产监测国家总平台和分布在各遗产区的地方平台两级平台,国家、省及遗产区分三级负责管理。总平台主要负责策划、协调大运河的总体监测,制订制度与技术规范,组织反应性监测及巡视,定期发布监测报告等;地方平台主要负责本遗产区内日常监测,进行监测数据采集、分类整合与评估上报,发布预警信息并及时采取相关处置措施等。(2)“时空监测、动态预警”:系统利用GIS技术空间数据管理优势,将遗产要素、监测数据与空间地理信息数据融合,并基于网络技术实现大运河宏观整体的时空监测与动态预警。(3)“协同工作、数据共享”:大运河遗产的监测数据涉及多个管理部门,需要协同相关部门共同开展监测工作,与大运河相关部门进行信息系统集成和数据共享,如从水利部门获取水位数据,从环境保护部门获取水质数据,大运河遗产监测的成果也积极向社会公布及其他部门共享。图1为大运河遗产监测系统预警跟踪示意图。

1大运河遗产监测系统预警跟踪示意图

Fig.1 Schematic diagram of early warning and tracking of the Grand Canal monitoring system

3.2应县木塔变形监测

应县木塔(山西应县佛宫寺辽释迦木塔)是世界上现存最古(辽清宁二年,公元1056年),高度最高(约65.8m)的一座可登临的木构塔式建筑。共5层6檐,在各明层间夹设平坐暗层,实为9层。历经千年风雨、地震等自然因素侵蚀以及战争等人为破坏影响,木塔依然整体保存完好,具有极高的历史、科学和文化价值,1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位[7]。由于木塔结构及病害的异常复杂性,长期以来人们对其现存结构的安全性评估以及保护维修方法存在较大争议。显然,准确掌握木塔的变形状况最为关键,但是目前对其变形规律与趋势尚未有统一的结论。近年来,在总结前期工作的基础上,木塔变形监测工作进一步完善,取得了阶段性成果。

1)历史资料梳理与价值风险分析

对有史以来开展的多次摄影、测量及结构监测相关工作进行系统梳理。通过梳理发现,木塔变形既有整体的连续性变形,又有局部差异性变形:1933年,梁思成先生等人首次对木塔进行的详细测绘中,发现当时倾斜最严重的立柱并非在目前最严重的二层西南面,而是三层“西之北倚甚”;1975~1977年、1999~2001年先后两次利用测绘仪器方法进行了木塔整体及局部的变形测量工作,获取了各层立柱倾斜、各层中心变化、塔高及内外柱相互空间距离等数据,发现虽然时间上存在一定跨度,但整体变形仍存在一定规律。通过价值风险分析,认为建立永久性的基准点为首要任务,以保证持续的可比性;既要监测局部的相对变形,还要监测整体的绝对变形;监测的重点应包括现状倾斜最为严重的二层明层以及与之紧密相联的部位,同时需要监测记录风速、风向及温度等主要气象参数。

2)恰当监测技术方法的应用实践探索

对于木塔这种特殊的文物建筑,既要考虑安全,又要考虑数据的精准性,恰当监测技术设备与方法的选用尤为关键。首先,我们考虑到日常人工监测的手段,2011年通过勘察与现场评估,绘制了底部3层倾斜和残损严重的现状评估图,该图可作为日常人工巡查时的重要参考底图。其次,选用传统的简易方法,如拉线位移计进行测量,但后来发现精度难以保证,且只能进行两个点位之间的单向测量,后来又引进了测斜仪,虽然提高了一定精度,但仍然只是局部的相对监测。再次,选用全站仪等测绘设备进行木塔整体及局部的绝对变形测量。综合比较发现,全站仪测量是建筑变形测量的成熟可靠技术,应作为主要方法。为此,于2015年,在以前监测基准网的基础上重建了稳定的基准点,每次监测数据采集前均对这些基准进行了校核。此外,由于木塔内部特别是暗层构造异常复杂,虽然通过全站仪方法实现了塔内外的联测,但仍有局部重要结构未能监测到,因此,仍需要引进其他监测技术,以实现上述隐蔽部位的监测,同时作为全站仪数据的佐证。

3)监测数据的分析与保护应用

应县木塔的监测数据分析与应用具有一定挑战性:一是木塔短期内的变形似乎无规律,需要长时间的数据积累;二是历史上不同基准下的监测数据,只能进行定性或者半定量的对比分析;三是木塔自身构造的复杂性,需要进行三维分析;四是木塔局部的变化存在差异性,局部与整体变化的关系,需要结合结构、建筑的专业分析。图2为2015年监测初始时木塔二层明层立柱倾斜现状示意图,可见木塔二层西南面立柱倾斜最为严重,而东北和北侧立柱多数存在外倾现象。

2应县木塔二层明层立柱倾斜现状(2015年)

Fig.2 The tiliing status of the columns in the second floor of Yingxian Wood Pagoda (2015)

3为2015~2017年内的二层明层外槽立柱累积变化图,图4为二层明层西南及东北面若干立柱变形趋势图。可见,木塔目前倾斜最为严重的二层明层西南面立柱仍然变化量最大,且存在西南向东北倾斜的趋势,这与前期监测的结论基本一致,也正是部分专家主张尽快进行二层局部加固的主要原因。然而,目前的监测时间相对较短,如要为木塔保护工作提供更可靠的数据支撑则需要更长时间的持续监测。

3应县木塔二层明层外槽柱累积变形图(2015年~2017年)

Fig.3 Cumulative deformation diagram of external columns in the second floor of the Yingxian Wood Pagoda (2015~2017)

4应县木塔二层明层外槽柱变形趋势图(2015年~2017年)

Fig.4 Deformation trend diagram of external columns in the second floor of the Yingxian Wood Pagoda (2015~2017)

4结束语

通过对文物古迹监测工作中空间信息技术的需求分析和应用实践,可得出文物古迹监测既是世界遗产保护的国际理念与要求,也是我国文物古迹保护的重要方法与趋势;文物价值的风险评估是监测的首要前提;空间信息技术是实现文物高精度时空监测中不可或缺的技术手段,但需注重恰当应用,选取合理的精度并与相关技术集成互补,并建立相应的技术标准规范。

参考文献

[1]国际古迹遗址理事会中国国家委员会.中国文物古迹保护准则及阐释[Z].西安:国际古迹遗址理事会国际保护中心,2015.

[2]冯仲科,余新晓.3S技术及其应用[M].北京:中国林业出版社,2008.

[3]吴育华,胡云岗,张玉敏.大足石刻大佛湾文物三维扫描及保护应用[M].北京:文物出版社,2017.

[4]世界遗产中心.保护世界文化和自然遗产公约[Z].苏州:世界遗产中心,1972.

[5]世界遗产中心.实施《保护世界文化与自然遗产公约》的操作指南[Z].苏州世界遗产中心,2015.

[6]吴育华,姜师立.中国世界遗产监测的典范--大运河遗产监测与档案系统建设实践[J].世界遗产,2014,7(33).

[7]侯卫东,王林安,永昕群.应县木塔保护研究[M].北京:文物出版社,2016.