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    遗产保护

    崇圣寺三塔物联网监测及数字化实践

    发布时间:2017-02-17李晓武 蔡颖佶


        大理崇圣寺三塔位于云南省大理古城,主塔建造于唐代,南北小塔为大理国(973年~1253年)前期所建。主塔千寻塔居正中,为16级密檐式方形空心砖塔,高69.13米;南、北两塔列于主塔两旁,均为43米高,10层八角形楼阁式空心砖塔,塔体雕饰华丽。

     

        崇圣寺三塔的首要病害为塔体倾斜,尤以南北小塔较为严重。根据2001年塔体倾斜度观测,南小塔倾斜2°26′,北小塔倾斜1°43′。另一方面,塔体暴露于空气中,由于光照及通风等方面的原因,存在苔藓、霉菌等微生物病害。此外,由于周期性温度湿度变化、冻融作用及水盐活动等原因导致塔体表面的酥粉剥落,表层风化较为严重。

     

        为了摸清崇圣寺三塔病害的发生、发展状况,准确评估文物的保存状态,提高文化遗产数字化管理水平,在云南省文物局支持下,大理市文物保护管理所联合上海建为历保工程科技股份有限公司,启动了崇圣寺三塔物联网远程实时监测及数字化项目。该项目基于物联网、互联网、智能传感器、3D扫描、GIS、图像识别等现代技术,对崇圣寺三塔的保存状况和面临的风险进行了实时监测,确立了文物安全实时预警体系,构建了文物监测及数字化管理平台。

     

        一、监测及数字化体系

     

        1. 倾斜应变监测

     

        基于无损监测的原则,本项目选用了数字近景摄影测量技术来进行崇圣寺三塔倾斜监测。该技术的核心原理为:利用专业的高清摄像机,定时拍摄受监测对象的特定参照点,获取并存储参照点空间位置信息,通过专业算法进行处理与分析,获取受监测对象的整体结构变形情况。

     

        2. 地震与地面脉动监测

     

        大理市属南亚地震系青藏高原中南地震区,地震是影响崇圣寺三塔塔体变形的重要因素。同时,崇圣寺三塔周边施工、爆破等产生的地面脉动也会影响塔体的结构稳定性。因此,本项目通过采用双轴、宽频带、低频响应好、灵敏度高的无线加速度传感器构建起了崇圣寺三塔地震与地面脉动监测子系统。

     

        3. 环境因素监测

     

        为了监测风力对三塔结构稳定性的影响,在三塔周边开阔处部署了风速风向监测传感器,以监测崇圣寺三塔遭受的风荷载情况。同时,针对三塔的塔体底层风化问题,采用温湿度传感器构建了温湿度监测子系统。

     

        4. 人工监测

     

        在采用物联网实时监测设备对崇圣寺三塔进行实时监测之外,针对三塔的风化问题,还以人工监测的方式对三塔的砖石及土壤含盐量、含水率进行了监测,并将样品送相关研究所进行分析。然后将研究结果和温湿度监测子系统监测数据结合进行关联分析,以探究温湿度变化和砖石及土壤含盐量、含水率在崇圣寺三塔的风化过程中的作用机理及变化规律。

     

        5. 三维激光扫描

     

        三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。它通过高速激光扫描的方法,以点云形式采集建筑物表面几何特征,可以快速、大量地获取建筑物三维信息。在本次项目实施过程中,对崇圣寺三塔进行了三维激光扫描。

     

        二、项目成果分析

     

        1. 崇圣寺三塔保存状况评级模型

     

        崇圣寺三塔保存状态评级模型以风险因子评估体系为基础,综合考虑了文物环境、受力构件、本体结构、局部变形、构件及设施、装饰、安消防及周边建设等要素。每一类要素又设置若干可量化指标,量化指标结合评分体系、监测数据及主观判定,科学、全面、客观的对崇圣寺三塔的健康状况进行评级。评级结果共分为AAA、AA+、AA-、A+、A-、BBB+、BBB-、BB+、BB-、B+、B-、CCC+、CCC-、CC、C等15个级别,有助于直观地掌握遗产的健康状态。

     

        2. 远程实时监测预警平台的构建

     

        基于物联网的感知层、网络层、应用层分层构架,建立起了崇圣寺三塔的远程实时监测预警平台。其中,感知层解决了数据采集问题,网络层解决了数据传输和存储问题,应用层解决了数据的统计、分析、呈现及利用登问题。平台针对影响受监测对象安全的主要病害和造成这些病害的主要影响因素进行监测,并利用列表、图形、图表等形式进行多元呈现。通过监测预警平台,可以对文物保护单位所在地的气象数据及全球的地震信息进行及时采集分析,还可以定期(按月/按季/按年)为管理单位提供受监测对象的科学、严谨的监测分析报告,使其全面了解监测对象的病害发生、发展及变化情况,精准定位病因,并给出处理预案。

     

        3. 预警提醒

     

        崇圣寺三塔监测及数字化管理平台可基于行业标准值或大数据分析结果设置各监测指标阈值,当监测点实时数据超出阈值范围后,系统根据预设的各种策略,通过声音、图形、手机消息、电子邮件等多种方式向相关管理人员提示预警等级及预警内容,第一时间提醒相关人员采取必要的保护和调节措施。

     

        4. 数字化遗产的建立

     

        崇圣寺三塔的三维激光扫描工作,实现了三塔的遗产数字化,从而为遗产信息的保存、遗产病害的调查和监测、遗产保护策略的研究、遗产价值的展示等提供良好的基础。

     

        (1)遗产信息保存

     

        三维激光扫描测绘得到的一个个测点形成的点集合,构成了三维激光扫描测绘最原始的成果“点云”,并精确记录了崇圣寺三塔的几何结构信息和纹理信息。点云通过数据处理,得到了与扫描对象吻合程度极高的遗产基础资料,并为以后判断遗产保存状态的变化奠定了基础。

     

        (2)精确的遗产保护研究

     

        崇圣寺三塔全数字化真三维实景模型的建立,使遗产的测绘、研究工作超越了传统手段的限制。基于三维激光扫描点云生成的正射影像图,消除了普通相片带有的投影误差和高程误差,同时又具有普通相片的高分辨率、易于辨识的优点,较好地解决了特殊形态测绘对象的精细化测绘问题。在扫描点云的基础上,借助于后期绘图软件,可以绘制总平面图、立面图、大样图及不同部位、不同方向的剖面图等,使文物测绘调查工作和后续的保护规划制定、修缮工程设计、修缮施工、监测等实现无缝对接。

     

        5. 建立了文物资源数据库

     

        文物资源数据库为崇圣寺三塔建立了全面的档案体系,包括文物历史沿革信息、文物规划信息、文物勘察设计信息、文物修缮信息等资源类型,资源格式可包括文字、图片、图纸、音视频等类型。在需要的时候,管理者或其他用户可以按照文物类型、资源类型、资源格式等维度进行资源信息的检索定位。并且,遗产管理机构可以根据需要,扩展文物资源数据库管理的范围,将所属区域内其他遗产的信息通过数字化处理上传到文物资源数据库中。

     

        6. VR虚拟现实与遗产保护和展示

     

        项目组利用360度全景图并结合虚拟现实技术,完成了崇圣寺三塔VR虚拟展示图像。而虚拟现实技术与网络技术结合,可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。

     

        首先,将崇圣寺三塔通过360度全景相机和三维扫描设备对遗产信息的采集,建立了三塔的三维模型数据库,使原有的各类数据和空间关系等重要资源得以高精度永久保存。其次,在未来的崇圣寺三塔保护中,可利用三维模型来提高文物修复的精度和预先判断、选取适宜保护手段。最后,通过展示全景图和三塔的三维模型和VR设备,可以更加全面、生动、逼真地对崇圣寺三塔进行展示,使之可以脱离地域限制,实现资源共享,更好地实现遗产价值的传承。


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        (《中国文物报》2017217日第8版)

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