三维激光扫描技术在南京明城墙保护中的应用

廖安生　王晓贤

摘 要：南京明城墙由于其独特的历史意义，近年来一直在进行维修保护，文章根据保护性监测工作实践，分析了当前采用方法的利弊，探讨了三维激光扫描技术在南京明城墙保护中的应用前景。

关键词：南京明城墙；三维激光扫描技术；监测

南京明城墙始建于1366年，完成于1393年，前后历时近30年，系明太祖朱元璋集中全国之力而建成的都城城垣。建成后的南京城分为外郭、京城、皇城、宫城四道城墙，其中京城城墙长35.267公里，城墙高约14～26 米，顶宽2.6～19.75 米，为当时世界第一大城，集中国古代城垣建筑、军事防御工程之大成，是中国城垣建筑史上的典范之作。经过600多年历史，历经风雨侵蚀和人为破坏，外郭、皇城、宫城仅存残迹，而现存南京明城墙为应天府城，即京城城墙现仍存25.091千米。1988年南京明城墙被公布为全国重点文物保护单位，1992年南京市建委会同规划、园林、文化等多个部门组织编制了《南京明城墙保护规划》，这是明城墙历史上第一个较为全面的保护规划，经过多年明城墙风光带的建设，城墙的面貌得到了逐步恢复。但因为年代久远，加上规模庞大，破坏性的险情还是时有发生，对明城墙的保护性监测一直都在进行，监测的方法和手段也随着科学技术的发展不断的改进。

一、南京明城墙的损伤现状及原因

南京明城墙的损伤现象主要有臌胀、裂缝、沉降、剥落、坍塌、侧移等。臌胀指城墙表面局部凸起，但尚未出现城砖脱落的现象。裂缝指墙体出现深浅不一、长短不等的裂缝。剥落指墙体表面出现城砖松动，脱离墙体的现象，一般出现在臌胀、开裂以后。坍塌指城墙表皮连同部分内芯倒塌，是城墙破坏的最严重后果。沉降是指城墙墙体由于内部出现空洞，强度降低，导致上层城墙砌体下沉。位移是指临近地表的城墙墙体向其中一侧滑动，多见于包山墙段。

造成以上城墙损伤的原因主要有：城墙顶部防水层的破坏导致的雨水冲刷、城墙顶部及侧面植被根系的影响、内侧山体变动对城墙的挤压和城墙附近各种施工建设活动对地基土层的影响。

二、目前常用的保护性监测方法

通过对明城墙主要损伤现象的分析，剥落、坍塌等破坏性损伤的根本原因也是由臌胀、裂缝、沉降、位移的变化引起。相当于一个量变到质变的过程。因此臌胀、裂缝、沉降、位移也是明城墙保护性监测中的重点。监测中分别制定了不同的方法。

（一）臌胀监测

臌胀监测通常采用高精度全站仪（如Leica TCA2003、Leica TS30等）配合反射片的方法进行监测。在发生臌胀的墙体上特征位置安装反射片，在臌胀点附近设置监测基准点，每次监测时在基准点上架设全站仪，直接瞄准反射片读取三维坐标，通过多期监测，可以计算相关位置的变化，从而分析臌胀点的变化动态及变化速率。

（二）裂缝监测

裂缝监测通常采用钢尺和测缝计进行监测。对一般的裂缝采用钢尺的方法进行监测，在裂缝部位安装钢尺，定期采集裂缝宽度进行跟踪分析。对重点部位的裂缝除了采用钢尺进行监测外，还在裂缝点安装振弦式测缝计，通过根据振弦式测缝计的读数大小可以更精确地反映裂缝的变化情况。

（三）沉降监测

沉降监测通常采用高精度电子水准仪进行监测。在城墙沉降位置布设沉降监测点，在沉降点附近布设基准点，每期监测采用水准测量的方法联测基准点及沉降监测点，计算各沉降点的高程，通过多期监测数据，分析计算各沉降点的沉降量及沉降速率。

（四）位移监测

位移监测通常采用GPS测量和全站仪导线测量的方法进行监测。在城墙顶部设置位移监测点，采用GPS接收机测定点位坐标，GPS信号有遮挡的区域采用全站仪测定坐标，通过多期坐标数据，分析判断城墙位移情况。

三、三维激光扫描技术的应用

三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，是一种以三维激光扫描仪和扫描信息处理技术为核心的数据采集与处理技术，其革命性的数据采集方式开创了面式数据采集的新纪元。突破传统的单点测量技术，具有非接触、高精度、高速度、高密度、全数字化、海量數据的数据采集特点，近年来得到了广泛的推广和应用。

在传统的城墙臌胀点监测中，常常采用全站仪配合反射片的方法，考虑到安装反射片本身对墙体有一定的影响，安装密度不能太高，只能挑选一些特征点，但城墙的臌胀变化无规律可循，传统监测方法对监测人员的经验值要求极高。而且墙体上的反射片常常会因为各种原因造成破坏、掉落等，一旦出现这种情况，监测点的延续性就无法保证。同样的道理，在裂缝、沉降、位移等监测中，由于明城墙的特殊性，要尽可能减少监测过程中安装设备的影响，监测密度无法与常规建筑物相提并论，密度的降低也意味着监测样本的减少，同样意味着风险的提升。

三维激光扫描技术灾城墙保护性监测中，由于其非接触的数据采集特点，在监测过程中不需要在城墙上安装任何设备，避免了任何人为的破坏，也更符合城墙保护本身的意义。在实际监测中，三维激光扫描仪可以对城墙整个墙体进行精确扫描，获得毫米级的点云数据，同时在扫描过程中，扫描仪自带的相机可以获取全景影像。对每一段的城墙扫描完毕后，数据处理软件可以根据扫描中的同名点自动匹配，将不同站点的数据进行无缝拼接，最终处理生成三维模型。

因此，三维激光扫描技术在南京明城墙保护中的应用，不但可以提高监测效率、监测质量，为保护单位提供决策依据，还可以拓展旅游产品开发，为城墙文化传承搭建平台。

参考文献

[1] 杨新华，.南京明城墙科学保护与抢险维修[J].中国文物报，2007（06）.

[2] 张琪.南京狮子山段城墙监控浅析[J].江苏建筑，2011（02）.