黄崖关长城：长城病害分析与保护监测方法探析_李哲.pdf

北京规划建设 29赓续：我国线性文化遗产之保护实践|THEME 话题引言长城跨越范围广，建筑材料差异大，其资源、环境、生态系统和社会经济条件皆不相同，因此各地区对遗产本体的保护方式和要求也有所不同。黄崖关长城是这一大型线型遗产东部地区的典型代表，遗存集合砖砌、夯筑、木构等多种类型，所受病害也较为多样，基本满足长城较大范围的研究保护示例，故而选择黄崖关长城为案例以期建立一种适应长城线性遗产特性的保护监测方法。黄崖关长城概况黄崖关长城历史沿革黄崖关长城位于天津市蓟州区下营镇黄崖关村，南距蓟州城区28公里，东联河北省遵化市马兰关，西邻北京平谷区将军关，是蓟镇马兰路的长城防御体系核心区，始建于北齐天保七年（557年），明洪武十四年(1381年)设驻操营，永乐二十一年（1423年）又修筑黄崖口关和古强峪寨，天顺四年（1460年）修筑黄崖口营，其后弘治、嘉靖、隆庆、万历等朝持续修筑补建，建成正关、水口、东西稍城和墩台敌楼等防御工程，形成侦查预警、信息传递、作战防守、策应增援等一整套防守兼备的军事防御体系，是古代军事工程的杰出代表，蕴含长城丰富的历史价值、文化价值、科学价值，是长城全线的代表性段落。黄崖关长城遗产概况黄崖关长城包括长城墙体及关城、水关、八卦城、空心敌楼、实心敌台、烟墩等附属建筑，在长城各类型建筑中皆具代表性。据长城资源调查，黄崖关长城全长4983.21米，其中长城主线4114.17米，包含墙体3205.23米和山险墙体908.94米，二道边长城869.04米，其中石质墙体272.4米和山险墙体596.64米。人工墙体类型多样，主要有土石填心外包砖的包砖墙体和内夯土外干砌石块的石质墙体。山险墙体则据崖为险，依靠黄崖关附近悬崖峭壁而建，蕴含古代因地制险的防御智慧。黄 崖 关 关 城 位 于 山 谷 隘 口处，坐落于 河西面台地上，周长900多米，占地面积约3.8万平方米，呈不规则长方形。开有东、南、西、北四座城门，其中北部正关门位于长城线上。关城内设南北 向子墙一道以分割外城和内城两区。关城城墙建有城台和城门楼，另设2座角台和1座马面。黄崖关临近 河，设水关，位于正关门以东，为跨河城桥，并置空心敌楼以控厄两岸。城内街道由数十条死巷、活巷、丁头错位构成，形如八卦，是长城衙署、仓储所在地，不同于一般城池的棋盘式布局，故有“八卦城”之名。黄崖关建有20座敌台。其中主要为方形空心敌楼，下部为实心基座，多以条石垒砌构筑底部；中部为砖砌的筒拱结构，具有连通的券室；顶部多建有一间或三间的铺房，可以驻兵和存储军备物资。另外，此处也有圆形平面的空心敌楼，被称为凤凰楼，位于正关门外西北1.4千米的小山顶上，是明长城全线极具特色的敌楼类型。黄崖关长城病害及成因研究通过“明长城全线图像及三维数据库”的收集和观察，将黄崖关长城病害分为以下七类。人为破坏引发的病害人为因素所引发的破坏类型多样。早期民众未形成保护意识，对墙体材料进行盗窃或移作他用造成墙体材料缺损的破坏十分严重。黄崖关长城：长城病害分析与保护监测方法探析李哲 江润华 拓晓龙 张梦迪 谢佳妮 王沛东 李严（通讯作者）图1 种植果园的生产活动威胁长城墙体图2 吐水嘴结构不全产生的保护性破坏 30 北京规划建设话题 THEME|赓续：我国线性文化遗产之保护实践部分堡寨中，村民种植果园的生产生活等活动会压占寨墙，从而威胁长城墙体安全（图1）。另外，旅游的无序开发、景区建设和长城修缮不当也容易造成长城的保护性破坏（图2）。机械损伤黄崖关人工墙体主要由砖石砌筑，机械损伤是其中较为严重的病害，其致病成因丰富，病害表现形式多样。具体而言，即在外力作用下长城墙体构造发生断裂、错位、位移、残缺、崩塌、倾斜和壕堑等附属设施破坏淤积等的病害，具体如下：地震、山体滑坡等地质运动造成墙体、敌台偏移及地基不稳，乃至整段塌方、倾倒、跌落、地基沉降（图3）；结构受力不均、条石等基础构件缺失等，叠加其他因素造成墙体结构倒塌、整体化为废墟（图4）；暴雨带来的雨水侵蚀、地表径流冲蚀、土石淤积冲塌等造成长城墙体或其他附属设施缺失破坏（图5）。表层风化 风化作用广泛存在于自然界，对砖石产生持久深远的破坏作用，其病害形式和成因也更为丰富。具体如下：周期性温湿度变化、融冻作用及水盐活动导致砖石表面酥粉剥落（图6）和冻涨开裂（图7）；长期遭受雨水等冲刷而表面溶蚀，具体是在长城表面形成坑窝状溶蚀坑与溶蚀沟槽等，易于导致长城砖雕、石质碑刻表面纹饰、题刻消失（图8）；毛细水与可溶盐活动在砖石表面富集并在表面结晶析出可溶盐结晶，造成反碱（图9）。雨水侵蚀由于排水构件的缺失或位置不当造成空心敌楼雨水侵蚀，或在坡度突然变缓的部位排水不便，产生积水，造成浸泡，形成表面风化和变色（图10、图11）。空鼓墙体的包砖表层由于结合材料分解或外力侵蚀作用而鼓起松动，形成空鼓，但不完全剥落，图3 石砌墙体一侧倒塌 图4 石砌墙体结构倒塌缺失图5 土石淤积冲塌给壕堑等附属设施带来破坏图6 剥落现象图7 冻涨开裂及裂隙局部放大图8 表层风化下的表面溶蚀和表层剥落图9 表层风化下可溶盐结晶图10 吐水嘴构件位置不当造成的雨水侵蚀图11 坡度突然变缓的部位产生的雨水侵蚀 北京规划建设 31赓续：我国线性文化遗产之保护实践|THEME 话题严重时会造成包砖墙体表面砖大面积脱落（图12、图13）。表面污染与变色因自然因素或人为活动导致 砖 石 表 面 污 染 与 变 色 的 现象。其中一类是由表面积尘、人为涂写造成的表面污染（图14）；另一类是由积水发生碱蚀与反碱造成墙砖出现白色污染或变色（图15）。生物病害生物病害是由动植物活动和微生物繁衍生长而导致的文物破坏。植被生长对长城本体的破坏主要是根劈作用，即植物生长于墙体与地面交接处、台阶之间交接处，长时间根系挤压造成墙体裂隙（图16）；地衣藻类活动导致砖石表面侵蚀与污染（图17）；一些地衣藻类或植被种子、根系生长于敌台、烽火台或马道上使得建筑被植被覆盖或腐蚀（图18、图19）。从目前的病害分析可知，黄崖关长城最严重的问题是受机械损伤造成的结构性病害，近年黄崖关长城的几次局部修复对砖包墙体、敌台等进行了相应的保护修缮，如裂缝灌浆、城砖补配、揭瓦灌浆、地面铺墁等，使得结构性病害减少，但也存在因修复不当引发的二次破坏，如吐水嘴安装错误使得导水作用缺位，进一步推动雨水侵蚀、表层风化。同时，随着气候变化加剧，极端灾害频发，气候对长城的破坏作用显著增加，表层风化、空鼓、雨水侵蚀、表面污染与变色、生物病害显著增强。因而目前对长城保护又提出了新的要求。黄崖关长城保护监测策略2019年中央审议通过了长城、大运河、长征国家文化公园建设方案，其后长城国家文化公园（天津段）建设保护规划启动，2020年国家文物局公布“明长城黄崖关段”为第一批国家级长城重要点段；2022年长城国家文化公园（天津段）建设保护工作实施方案提出，黄崖关长城成为长城国家文化公园（天津段）的重点建设项目，同年出台黄崖关长城风景名胜区总体规划(2020-2035年)又对黄崖关风景区图12 空鼓 图13 空鼓引发的砖表面脱落图14 人为涂写图15 反碱造成墙砖部分变成白色图16 植物根劈作用 图17 苔藓地衣等生物腐蚀图18 敌台上部被植物覆盖图19 墙体顶部被植物覆盖 32 北京规划建设话题 THEME|赓续：我国线性文化遗产之保护实践建设提出更细致的规划。总之，黄崖关长城在长城国家文化公园建设中的重要性不断上升，相关部门对其保护工作也提出更高要求。安全性问题是目前黄崖关长城保护规划的重点，但目前长城修复秉持“最小干预、修旧如旧”原则，现状较好者实现原状保护，保持当前状态不再受到破坏，对于危情较重的部分则“局部加固、重点修缮”。因此预防性保护较为适用于长城的现状保护，要点是注重平时的病害监控。故而建立系统科学的保护监测系统，对其所处的环境、潜在的病害和现存病害进行持续系统的调查研究，实现文物病害“对症下药”，达到长城原状保护的要求。关于预防性保护在长城的应用，可以通过地面监测软件和硬件设施，建立系统性监测保护平台，以周期性的低空图像采集、智能化的病害检出、前后动态比较和先进无人自主监测平台技术成果应用示范，实现黄崖关长城资源现状的全面调查、周期性巡查、长城图像信息留底及数字化管理。由此实现黄崖关长城全线病害的数字化监测，建立长城病害的常态化普查工作机制，在此基础上，延伸服务于天津长城的实景观演、风貌展示，若成果显著，则能进一步推广到长城全线，为长城建立更广泛的保护监测提供策略。建设保护监测团队建立长城保护监测专业团队，负责黄崖关长城的保护监测数据收集处理，是黄崖关长城保护监测的第一步骤，也是总领性的全局指导。由此，成员需了解长城各类型病害，并精通无人机飞行技术、单兵坦克、沙滩车等辅助工具。通过保护监测人员的专业化考察，可以对长城的病害有总览性了解，便于即时明确重点段落重点病害和普遍病害，初步了解成因，对后续地面检测站的位置选定和项目监测进行指导。所利用的无人机为普通微型多旋翼无人机，采用人工操作飞行模式，以三机协同模式，在距离地面30米左右的超低空，于顶部、内侧、外侧三方向随长城墙体，以平均4米/秒的低速扫描式飞掠，以密集、高清图像记录长城保存现状，并形成最优巡检编队方式和巡检路线，用于广范围全域图像收集，其中黄崖关长城全线图像的分辨率达到厘米级，相邻图像重叠率达到80%，以满足摄影测量生成三维模型的条件（图20）。对于黄崖关长城重点文物建筑的保护监测可利用文物建筑航测专业型无人机，以毫米级数据精细度进行高精度航测，获取建筑详细信息，便于测绘和三维建模与病害分析。单兵坦克、沙滩车等用于攀爬险峻地段长城，运送人员与装备设施，便于团队采取相关病害标本、收集更细致丰富的长城现状资源，如敌楼内部病害等无人机难以获取的图像资料，以汇集病害的全面信息（图21、图22）。同时，团队制度化，定期开展相关保护监测的人工活动，对作业方案定时实施，及时将收集到的材料进行前后图像和三维对比，比较不同点位区段病害发展趋势和速率，以发现长城的保存状况变化，探索选用适合有效的保护方法。建设地面监测站地面监测站处理日常监测问题，负责收集周边环境等自然因素对长城本体影响的数据，并保持不间断的监测。具体而言，设置黄崖关病害监测传感器，通过遥感监测确定重点观察对象（病害严重和典型的长城段和具有材料工艺典型性的长城段），将其作为监测点，在该点就近区域建设地面监测站，监测该地点附近的环境风力、风向、空气温湿度，以及墙体结构内部含水率、含盐度、构件位移等指标，并以指标间的耦合分析判断墙体保存状态，用于同图像、三维数据库的综合分析，用以推论获得更可信的监测结论。监测站仪器部分，对于每一处监测点，需选取多个监测位置，将高精度温湿度传感器、位移传感器嵌入长城砖石内部，并利用通讯线路将砖石内部的温湿度、位移变化数据通过数据变速器转化为标准数据后存储到数据采集仪，便于及时了解内部结构不均造成的机械损伤和表层风化中可溶盐程度、风化溶蚀程度、雨水侵蚀、空鼓等，收集其治病成因各要素的变化内容；小型气候站收集监测点附近环境温湿度、太阳辐射照度、风向风速等气图20 三机协同扫描式拍摄长城图21 单兵坦克图22 沙滩车涉水环境工作 北京规划建设 33赓续：我国线性文化遗产之保护实践|THEME 话题候参数，通过数据变送器转化为标准信号后存储于数据采集仪，用以了解由外部地质环境变化、暴雨等极端气候造成的机械损伤等。数据采集仪部分，可通过无线路由器接收到检测中心发来的数据传输指令后，利用移动网络将各项数据传输到检测中心进行数据的汇总分析及实时显示。建立黄崖关长城数字化管理与监测系统黄崖关长城数字化管理与监测系统，是黄崖关长城二维图像与三维数据的数字化管理平台，可智能化识别建筑类型和量化统计病害类型，包含图像数据处理、三维合成演示、监测数据接收存储显示等功能，是黄崖关长城保护监测的最终步骤。对病害成因和病害的程度变化作综合性处理和结果显示，是保护监测的落脚点，能有力支持后期开展的各种保护措施，促进相关政策出台，并为长城病害公众化展示提供数字化展示平台。具体而言，系统可实现对长城病害周期性变化情况的记录并对病害进行预警。基于人工智能技术实现了对长城建筑类型和病害的自动识别，在图像中区别出不同的建筑类型，并将相应结果自动框选显示在图像上，实现了对海量长城图像的自动处理和分析功能，提升采集图像的处理效率。点选特定位置后，可获取到对应的图像，成员可对该图像中长城信息进行标注，并将标注结果反馈给后台数据库，用来弥补人工智能技术对监测图像自动处理的不足。同时，提供不同时间段、同一地点图像的同时段对比界面，成员可直接在同一屏幕下，浏览多张照片，依靠人工对图像中建筑变化情况进行标注，实现对长城病害周期性变化情况的记录。结合其他监测数据，可对长城病害发展进行预估，对可能发生病害的区段及时预警，对已有病害的区段，及时监测避免病害进一步扩大，从而实现对长城全方位的监测。系统将可视化展示实测图像数据与统计数据。平台基于空间信息实现了对长城海量监测图像的有序管理，将二维图像和三维数据依据图像位置在地图上定位显示，便于用户在地图上进行监测位置的选取，在界面上展示相应地段的采集图像，观测该区段的建筑变化情况，并给用户提供该图像基于人工智能技术的自动识别和人工标注的结果（该结果包括建筑类型和病害类型分布情况），量化不同区段、不同时间段下建筑病害分布情况。系统提供的数据为监管保护规划部门提供决策依据。依托以上自动和人工的标注情况，实现对长城建筑类型的空间分布统计，掌控长城资源分布情况，其统计结果可为旅游景观规划单位提供相关设计依据；实现长城病害空间分布统计，结合其他环境因素统计信息，对成因和病害程度进行评估和预测，可为监管保护部门制定相应对策提供参考。余论长城作为大型线性文化遗产，历经2000余年修筑，总长度达21196千米，横跨我国北方15个省区，各段落所处的气候环境差异较大，因此不同段落长城各有特性，材料结构不尽相同，各自适应本地环境而存在，保存状况也千差万别，因此很难找到一种放之四海而皆准的办法解决所有问题。对其进行预防性保护的研究探索，则是尝试探寻一种共通性的保护监测方法，形成具有典型性的成果，为其他地区的长城线性遗产提供参考。加之长城病害成因复杂多样，各种因素相互促进、共同作用，难以完全根治，对长城实行预防性保护策略是在长城“原状保护”和病害防护双要求下的最优解。因此对黄崖关长城进行保护监测三步走策略，进一步系统化整理黄崖关长城的总体病害情况、病害程度、病害关系，明确不同类型墙体、不同段落的病害重点、评估病害变化速率，由此确定不同段落的预防性保护措施，实现长城保护的目的。在大量监测数据支撑下，可以实现病害严重程度的优先级分析，对易于导致或促进其他病害的源病害进行高等级评估分类，明晰长城病害的严重程度和各项成因的耦合关系，促进文物病害防治系统化、有序化，解决急切问题，防治潜在问题，从而总结出黄崖关长城防治的一般手段，并推而广之，将其中成功经验用于长城全线保护，推动长城全线保护的系统性与协调性建设，促进长城国家文化公园的建设。黄崖关长城数字化管理与监测系统也为工作人员和公众提供可视化平台，便于成果共享，利于将专业性的保护监测和开放性的公众监督纳入长城保护监测体系中，即提升工作人员效率，提高公众保护长城的意识。参考文献1 天津市文物局,天津市文化遗产保护中心,天津市明长城资源调查队编著.天津市明长城资源调查报告上M.北京:文物出版社.2012.2 汤羽扬主编.中国长城志 建筑M.江苏凤凰科学技术出版社.2016.292.3 李爱群,周坤朋,解琳琳,王崇臣,永昕群.中国建筑遗产预防性保护再思考J.中国文化遗产,2021(01):13-22.作者单位：天津大学建筑学院，文化和旅游部“建筑文化遗产传承信息技术”重点实验室责任编辑：文爱平