环秀山庄假山遗产监测探究

程洪福

胡伏原*

遗产监测作为遗产保护管理的基础性工作，科学合理、及时有效的数据采集与分析预警对遗产保护管理、决策研究的重要性日益提升，越来越受到广泛关注。遗产地管理部门必须以《保护世界文化和自然遗产公约》《中国世界文化遗产保护管理办法》和《中国世界文化遗产监测巡视管理办法》等国际公约、法律法规为依据，建立科学完善的监测体系，为遗产保护管理提供技术与数据支持。近年来，学术界、行业主管部门、遗产地管理单位对所属的园林文化遗产开始了监测研究与实际监测工作，取得了较多成果[1]。张月超通过借鉴风险管理理论，利用风险识别、风险分析和评价及风险应对等程序，初步构建我国世界文化遗产地的监测体系[2]。韩涛利用ArcGIS对人工和系统自动化互相补充方式采集的杭州西湖数据进行了可视化，并基于文物保护的预警模型在系统中给予实时和趋势预警[3]。施敏洁以城湖空间、自然山水、景观格局、特色植物、西湖十景和文化史迹为对象，为杭州市园林文物局提供了统一的GIS基础服务，实现了西湖文化景观的六大要素监测预警[4]。王子乾以颐和园为例，构建了中国古代建筑遗产自然环境监测指标体系[5]等。以上研究表明，园林建筑遗产监测已充分运用测绘、三维扫描等技术，监测方法与技术手段较为成熟。园林水质监测也遵循相应的国家标准和规范。

假山是中国园林造园艺术中复杂程度最高、难度最大的部分，为古今造园家所共识[6]。中国历史园林假山遗产分布面广、数量庞大、资源丰富。环秀山庄、耦园、片石山房、个园、寄畅园、豫园、颐和园、故宫御花园等园林假山是我国古代园林叠山艺术的典型例证和珍贵标本。假山的材料不规则、结构异形、堆叠技艺极为特殊，天气变化、植物生长、人类活动、沉降等均有可能导致假山产生裂缝、倾斜，甚至坍塌。因此，假山是园林遗产要素中异常脆弱的元素，其监测方法应有别于建筑、水质等要素的标准化、程式化监测。杨晨等基于三维点云技术对上海豫园假山开展空间特性与假山遗产价值研究[7]。古丽圆等运用无人机航拍与三维数字技术结合的方法，通过摄影测量对颐和园须弥灵境假山进行数据采集与三维模型构建的试验性探索，其研究指出仅利用无人机近景摄影测量方法对复杂程度高的假山数据采集存在信息缺失的局限[8]。喻梦哲等选取环秀山庄局部假山、耦园假山为对象，运用三维激光扫描和近景摄影测量技术开展历史园林假山测绘技术的适宜性研究[9]。梁慧琳运用三维激光扫描、近景摄影等多种数字化测绘技术与BIM技术对环秀山庄假山进行测绘和解析，分析假山构造、堆叠工法与纹理皴法[6]。前述研究表明，学术界、遗产管理单位对园林假山遗产实际监测工作的重视程度日益提高，也开展了相关初步研究[6-11]，但目前为止对假山的监测仅仅侧重于假山基本要素记录、单一数据采集与阐释，而地下基础、震动、峰石树体倾斜、环境等关键数据明显缺乏，针对假山的综合性动态变化监测、趋势研判等尚处于空白，监测的系统性、有效性与智能化水平有待提高。

环秀山庄湖石假山被誉为“中国园林现存假山第一佳构”[12]。鉴于目前对假山这一独特遗产的监测尚缺乏体系化研究，因此，选取环秀山庄开展假山专项监测系统设计，尝试通过跨学科合作途径，整合运用多学科方法与技术，采用相机、沉降/裂缝传感器、三维扫描仪、雷达、地震仪等多种设备协作，多源数据相结合的综合性动态监测方法，探讨假山遗产监测的技术路径与体系构建，为类似假山遗产监测提供可资参考的理念和方法。

1 列入世界文化遗产以来的假山监测概况

2005年以来，苏州市世界文化遗产古典园林保护监管中心联合环秀山庄管理单位实施假山本体基本要素采集、裂缝、沉降测绘监测。监测显示，假山东南侧临水区域存在不均匀沉降、裂缝现象，树根隆起导致假山局部产生裂缝。针对监测反馈的问题，遗产管理单位对假山采取局部封闭管理、加强巡查与监测、修剪树木等措施。这表明，假山监测的成效初步显现，不仅为遗产管理决策提供数据支撑，也为后续监测积累了经验。受限于对假山遗产的认知局限、经费投入等因素，环秀山庄假山遗产监测仍存在监测方法单一、系统性不强、数据漏项、数据有效性偏低、实时性与智能化程度低等缺陷①，对于综合研判假山整体健康状况及演变趋势的作用有限，不能满足遗产保护管理的实际需求，在很大程度上影响监测有效性的发挥。

2 基于假山整体变化趋势研判的健康状况监测

2019年，环秀山庄管理部门组织相关单位、科研院所在借鉴敦煌莫高窟、颐和园、故宫、杭州西湖、重庆等地监测经验的基础上[11，13-15]，整合运用深度学习人工智能算法、相机主动精确重定位、探地雷达、高密度面波法、地脉动(微振动)观测、物联网等多技术、多源数据相结合的综合性监测方法开展环秀山庄假山健康状况监测试点(表1)，全方位采集假山各类数据并进行综合分析，探索建立假山遗产专项监测预警体系。

2.1 监测内容与监测方法

2.1.1 建立WEB智能数据采集与分析系统

为提升假山遗产监测数据采集效率，增强数据处理分析功能，构建假山监测预警机制，本次监测基于物联网技术实时获取假山沉降、裂变等数据(监测方案如图1所示)，专门开发“环秀山庄假山智能监测分析系统”。该系统具备实时采集、网络数据传输、分析、查询、数据导出、实时预警等功能，并预留其他类型数据上传端口。遗产管理工作人员可通过PC终端或手机获取实时监测数据，为遗产现场管理、决策研究提供便利。

2.1.2 假山沉降监测

一是建立环秀山庄遗产本体永久沉降观测基准点2个，该基准点纳入苏州城市整体沉降监测网络。二是在假山范围内设立可与苏州城市沉降观测网络进行坐标系转换的沉降监测点，其中5个点为静力水准仪传感器监测点②，其余为沉降测绘监测点。通过建立遗产本体与苏州城市沉降监测系统关联的数据网络，不仅获得遗产本体沉降数据，更有利于综合分析园林与城市整体沉降的变化关系，监测数据更具参考价值。

2.1.3 假山范围遗产要素记录

本次监测采用数码拍照与三维扫描技术相结合的方法采集基础信息，完善遗产基础数据。三维扫描外业扫描使用Faro Focus扫描仪，内业处理采用Faro Scene软件。2次以上三维扫描可实现点云数据交互比对，分析研判假山变化情况。

图1 环秀山庄假山监测系统方案示意图

表1 环秀山庄假山健康状况监测情况一览表

2.1.4 假山裂缝监测

由于裂缝变化较为缓慢，肉眼很难观测，传统游标卡尺测量方法存在人工成本高、误差率高、监测数据反馈时效性差等缺陷，无法精确统计并分析裂缝变化的速度与趋势。本次监测借鉴相机主动精确重定位技术在敦煌、颐和园等遗产地文物监测的成熟经验[13]，运用该技术与传感器实时监测相结合的方法，开展裂缝变化监测，共设立裂缝传感器监测点10个(图2)、图像监测点10个(图3)。

2.1.5 假山峰石、树体倾斜监测

本项目实施前，假山峰石、树体倾斜未纳入监测范围。但根据园林管理经验看，峰石倾斜状况直接关系遗产和游客人身安全。树木生长对假山遗产既有正面，亦有负面影响。植物配置是叠山艺术的重要内容，假山因植物而更具雅趣和生境。多年来，假山区域树木的树根已嵌入山体，与假山融为一体，成为假山遗产的重要组成部分。但是，树体倾斜直接危及假山本体安全，对其开展跟踪监测十分必要。本次监测运用相机主动精确重定位技术开展峰石、树体倾斜状况监测试验(图3-4)，为后续监测积累数据和经验。

2.1.6 假山地下基础稳定性监测

多年来，假山地下基础未纳入遗产定期监测范畴，该类型数据处于空白状态，存在数据漏项的明显缺陷。因此，必须开展假山地下基础稳定性监测，为综合分析假山变化趋势积累基础数据。本次监测采用无损探测技术，运用探地雷达法与高密度面波法开展假山基础探测(图4)，探明假山地下地质情况，并分析其对假山山体稳定性的影响。

2.1.7 假山震动监测

各种气象状态下的震动是影响假山山体稳定性的重要因素。大风、大雨等恶劣天气时段，树木扰动对假山震动的影响需重点关注。因此，有必要搜集不同气象状态下的假山震动数据，分析震动对假山山体稳定性的影响程度。本次监测选取无风无雨、大风天、下雨天3种气象状态，采用地脉动(微振动)观测法对假山主体具有代表性的3棵树木周边区域开展震动监测(表2)，采集不同气象状态对假山山体固有频率及振幅影响的基础数据，综合分析假山山体不同区域的稳定程度与抗干扰能力。

2.1.8 假山环境监测

本次监测设立假山环境观测点，实时采集水位、风力风向、温湿度等环境数据，为综合分析假山影响因素积累基础数据。

2.2 监测数据分析

环秀山庄假山健康状况监测项目于2019年11月底完成，结合监测数据分析，初步形成如下结果。

2.2.1 假山范围遗产要素信息采集

通过数码摄影与三维扫描技术相结合的方法采集基础信息，获得基准点坐标数据、单点点位坐标数据、假山三维点云模型以及OBJ格式的网格模型，进一步完善假山遗产信息数据库。

2.2.2 假山沉降

图3 假山监测点位和情况(3-1 假山主峰西侧、南侧裂缝图像监测点；3-2 假山主峰内侧洞室裂缝图像监测点；3-3 半潭秋水一房山南侧、假山主峰北侧裂缝图像监测点；3-4 假山峰石、树体倾斜图像监测点位图；3-5 裂缝图像监测点3监测示意图；3-6裂缝图像监测点3局部裂隙变化辅助观测图)

图4 假山地下基础探测点位分布

图5 假山沉降传感器监测数据(2019年12月8日)

定期测绘与传感器实时监测数据表明：假山竖向位移呈整体下沉趋势，且假山主体存在向西南方向偏移的趋势，整体沉降和位移情况相对稳定。沉降传感器监测数据显示：1)假山监测区域存在每天固定时间段沉降并恢复稳定的规律性变化现象③；2)不同点位波动值较小(均在0.2mm内)，但变化波动值不完全一致(图5)。针对第一种情况，初步判断为园林建设控制地带内市政道路及周边单位汽车通行因素，具体原因有待进一步监测和分析；针对第二种情况，需持续关注并积累假山沉降、裂缝的长时段监测数据。

2.2.3 假山裂缝

通过图像与传感器相结合的监测方法，假山裂缝监测数据显示其中2个点位发生裂缝变化(图像监测点3和图像监测点7)，变化值分别为0.5和0.1mm，变化十分微小，其变化由局部位移引起，仅对假山局部造成影响，目前暂未发现因山石结构变动引起的裂隙变化。下一步将开展持续性监测，积累裂缝变化长时段数据，并开展裂缝与沉降数据的关联度分析。

2.2.4 假山峰石、树体倾斜

运用相机主动重定位技术开展的假山峰石、树体倾斜监测数据显示，半潭秋水一房山亭北侧峰石东西朝向相机倾角相差0.097 2°，南北朝向相机倾角相差约0.047 6°。考虑相机重定位误差，若相机坐标差异值超出0.15°方可判定为存在倾斜变化。当前监测结果明显低于仪器误差值，初步判定为峰石存在向东倾斜、向南倾斜风险，需长时段监测和分析比对数据才能做出更为确切的倾斜趋势判断。树木倾斜监测结果显示，树体未发生明显倾斜变化，需开展持续性观测。

2.2.5 假山地下基础

通过运用探地雷达法与高密度面波法对假山各区域地下基础的探测结果显示如下。

1号点位地下土层分布均匀，雷达图电磁波反射信号幅值较弱，波形均匀，地下整体密实。两侧探查电磁波反射信号高度相似，土层变化几乎为零，地下结构稳定，土体密实。

2号点位图像显示局部位置为脱空，现场复核为通道下方边缘靠近水体部分的空气，其他图像显示通道下方土体不存在异常情况，基础结构良好。

3号点位地下基础浅层0.3～0.8m存在颗粒状图像，但根据雷达图波形特征排除脱空、空洞及富水可能性，初步推测为假山基础施工过程中的垫石工艺处理，有待进一步研究。相较于其他4处检测区域，该区域地下结构组成复杂，浅层可能存在垫石或类似结构(图6)，需持续监测其变化情况。

4号点位地下基础均匀密实，且前后2次探查结果高度相似。探查结果显示，该区域土层相对密实，初步判定为地下基础最为稳定的区域。

5号点位电磁波反射出现连续有规则信号，且幅值波动较小，初步判定为地下隐藏石块或构筑物。该区域地下整体状况密实，前后结果对比显示地下结构稳定。

监测数据显示，各区域地下基础虽相对稳定，但区域间仍存在一定差异。经综合比对分析，各监测点位地下基础综合稳定性由高到低排序为：4号点位＞5号点位＞2号点位＞1号点位＞3号点位。需持续监测3号点位周边区域的地下基础情况，综合研判其变化趋势。

2.2.6 假山震动

通过分析3种气象状态下各区域地脉动频谱特征以及假山山体固有频率和振幅的影响数据，监测结果如下(表3～5)。

区域1NS、EW方向监测点地脉动频谱特性监测结果显示：假山主峰西侧黑松及周边区域EW方向和NS方向响应不一致，NS方向变化大于EW方向。可推断该区域假山石块存在南北位移可能，其中监测点3、4的二次固有频率明显大于其他区域，可以判断该点位稳定性较差，需持续监测和关注。

表2 假山震动监测区域监测点数量分布

表3 区域1NS、EW方向监测点地脉动频谱特性结果

区域2假山响应模态结果显示，假山东侧围墙朴树周边区域在1级、2级、3级振动模态中EW方向与NS方向响应较为一致，可以判定该区域假山较为稳定。

区域3假山响应模态结果显示，半潭秋水一房山亭南朴树周边区域1级、2级、3级振动模态呈现对称响应特性，EW方向与NS方向响应较为一致。但17号监测点位的二次固有频率大于周边位置，该区域稳定性次之，但较区域1而言，总体较为稳定。

经过综合比对分析假山震动数据发现，假山各区域稳定性、抗干扰能力差异较大，综合稳定性由高到低排序为：区域2＞区域3＞区域1。3种气象状态对假山山体固有频率和振幅影响的数据显示，下雨天和大风天的山体平均震动频率和振幅大于无风无雨天，大风天的山体平均震动频率大于下雨天，下雨天山体平均振幅大于大风天。为进一步掌握震动对假山的长期影响，需加强各种气象状态下的震动监测，综合研判其变化趋势，并采取适度干预措施。

2.2.7 假山环境

通过选取2019年12月8日4：00、2019年12月8日11：00数据对比发现：假山区域温度呈上升趋势，湿度对应呈下降趋势，符合现场实际情况。水位监测点1与水位监测点2均呈下降趋势，下降值约为5cm。经分析比对假山沉降、裂缝数据发现：水位变化过程中，暂未发现假山沉降和裂缝变化趋势。需持续关注水位、温度、湿度、风力、风向、沉降、裂缝等数据的变化，积累长时段监测数据。

2.2.8 假山预警方法

本次监测主要通过对裂缝、沉降和水位实时传感器数据分析，利用阈值方法进行预警。若裂缝、沉降相对变化值超过1mm则预警，由监测系统通知管理人员；若水位变化值低于假山指定数值10cm则预警，系统自动发送短信通知工作人员，需采取补水措施，并关注假山沉降、裂缝变化情况；若水位变化值高于假山指定数值5cm则预警，系统自动发送短信通知工作人员停止补水或采取排水措施。

图6-1 假山地下基础3号监测点南北方向探测结果(2019年10月30日)图6-2 假山地下基础3号监测点南北方向探测结果(2019年11月25日)

表4 3种气象状态下假山山体固有频率对比

表5 3种气象状态对假山山体固有频率影响程度

2.3 下一步监测建议

本次监测综合运用多种方法和技术手段开展对裂缝、沉降、峰石树体倾斜、地下基础、山体稳定性及环境的监测，初步建立了较为完善的监测数据采集与分析系统。为进一步完善假山遗产监测预警体系，仍需完善假山勾缝材料黏度、树木生长态势等影响要素监测，深化震动、沉降、裂缝、环境等关键数据的全天候监测，并构建假山影响因素和趋势演变模型，提升监测的智能化水平。

3 结语

环秀山庄假山不仅是苏州园林，更是中国园林现存假山中复杂程度和堆叠难度最高的传世卓品[6]。本文选取环秀山庄假山为研究对象初步构建了假山遗产专项监测预警体系，并开展综合性监测试点，发现了假山的缓慢变化区域，综合评估假山各区域的稳定性和抗干扰能力，为遗产保护提供了重要的基础数据和科学依据，对其他历史园林假山遗产监测亦具有较高的参考价值。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢苏州科技大学电子与信息工程学院提供的帮助。

注释：

① 尚未建立遗产本体与城市大环境数据关联的沉降监测网络，假山沉降、裂变、三维点云监测数据的对比参考价值、有效性偏低。

② 前期监测数据显示，假山东南侧临水区域存在局部不均匀沉降现象。本次沉降监测综合考虑水位、不均匀沉降等因素对假山的影响，在假山东南侧临水区域增设沉降传感器监测点，实时获取并分析沉降数据。

③ 监测结果显示，每日5：00—20：00，假山沉降数据呈上下波动状态，波动趋势基本一致。20：00—次日5：00，沉降数据比较稳定，且波动较小。