200多岁国宝修复如新

在首都博物馆馆前广场的东北角，矗立着一块高6.7米的巨大石碑，它是目前北京最大的石刻文物、首都博物馆的镇馆之宝——乾隆御制碑。碑上刻有少见的乾隆正楷手书《皇都篇》和《帝都篇》，由满汉两种文字写成，它们是研究和展示北京历史和文化的重要文献。而北京东城区红庙街一处民居院內的那块有200多年历史的正阳桥疏渠记方碑，也是乾隆亲书，它记载了当年北京城南的一次“疏渠建桥”工程。

2022年夏天，我加入北京建筑大学建筑遗产数字化与虚拟修复课题组，参加“修复石刻文物，助力中轴线申遗”的暑期社会实践项目。对《正阳桥疏渠记》碑及《帝都篇》《皇都篇》方碑（这两块碑被专家称为“天桥双碑”）的赋存环境进行整体调研，围绕对石碑石刻智能化病害提取机理研究、数字拓片自动生成、文字提取识别与虚拟修复等内容，赋予古碑新的生命力。

项目之初，我们利用地理信息平台对天桥双碑及周边护城河水系——金鱼池、龙须沟，从乾隆年间到如今的历史变迁脉络进行梳理与可视化分析，构建了星空地一体化的空间考古观测与认知方法。继而又对石碑制作工艺流程与天桥地区空气污染物进行统计，辅助判别材质工艺与环境对石碑生存现状产生的影响。此外，利用文化遗产时空知识图谱构建技术，梳理了天桥双碑在时间、空间、事件的发展脉络，厘清中轴线文化遗产时空演变特征与人文、历史、自然环境关系。

从设备箱中取出XRF荧光光谱分析仪，准备对石碑进行相关观测（和冠欣 摄）

北京建筑大学测绘与城市空间信息学院董友强老师正与我们讨论采集到的石碑点云数据（和冠欣 摄）

有了对天桥双碑历史、宏观的认识后，我们才正式开启对石碑的修复之旅。

将石碑搬到电脑上

正阳桥疏渠记方碑位于今北京市东城区红庙街 78 号天桥路口东北，该碑建于清乾隆五十六年（1791 年），碑身方形，碑首为四角攒尖式，碑座为束腰须弥座式，上刻精美浮雕，覆仰莲瓣及云、龙、菩提叶等纹饰。碑体通高 8 米，各面宽 1.45米。顶端是三层飞檐的宝盖。

我们扛着三维激光扫描仪，高精度摄影测量相机以及手持检测设备，还未走进胡同时，高处的碑顶已映入眼帘。但随之问题也接踵而至，石碑置于6米×6米的居民区空地内，周围的胡同窄巷，仅能供一人单向同行。数据采集现场由于场地小，石碑高，数据采集难度极大，仪器与采集对象之间的距离，直接影响其扫描范围与精度，我们无法根据以往经验架设测站。为了保证目标点云数据的密度质量，我们不得不围绕石碑进行仪器架设并进行多角度多方位的倾斜摄影测量。将三维点云进行拼接融合后生成不规则三角网模型，删除碎片与浮点数据，裁剪边缘数据，模型补洞等一系列操作后，碑体三维模型才搭建完成。通过计算机技术可以实现旋转，等比例缩放来适应不同需求的展示。

虽然高精度点云数据可以较好展示其整体结构特征，但在其纹理与雕饰等细节特征处存在一定的局限性。利用高精度相机获取到的正射影像可以通过纹理贴图的方式还原其实景颜色信息，但由于搭载相机的导轨架无法进入狭窄的入口，我们不得不用自己的身体当拍摄“支架”，同时还需要面对长时间保持同一高度姿势的挑战。在简单勘察设置好重叠度与拍摄路线后，我们就投入到正射影像的采集工作中了，利用脚下树枝来固定每次移动的间隔，确保每一景影像之间的连贯性，我们终于实现了将石碑“搬”到电脑上。

为石碑体检

来自北京市考古研究院、北京建筑大学、中国科学院空天信息创新研究院、首都博物馆的各位专家与老师不仅就天桥双碑的历史以及《北京中轴线文化遗产保护条例》给我们进行了生动的授课，更拿出手持“体检设备”，现场手把手演示教学。在学习了基础操作后，我们迫不及待开始对石碑进行“全科体检”。

通过将手持电子显微镜垂直贴于碑体放大观察，我们发现肉眼难以探测到的石碑空洞、颗粒、裂痕等损伤。有些石碑病害如细小的划痕与裂隙，用肉眼难以辨识，如果无法及时检测发现，在自然风化作用下会对碑体持续造成不可逆的损伤，后果不堪设想。

碑体微生物病害处模型渲染图（国洲乾 摄）

通过点云拼接与纹理贴图后生成的实景三维模型（国洲乾 摄）

碑顶三维建模展示图（国洲乾 摄）

手持热红外扫描仪用于检测碑体含水率，结合前期我们对天桥地区空气污染物的调研，可以进一步研究酸雨等硫化物对石碑造成病害机理研究。

老师还演示了我从来没有见过的回弹仪，这是用于检测石碑的结构强度的。结合自身对石质类文物盐分光谱检测领域的课题经历，我使用XRF荧光光谱分析仪对石碑进行了相关观测与点位采集。利用X射线荧光原理，被测位置所含的不同元素会对发射光谱释放不同的能量特性，通过捕捉转化特定信息，在设备窗口的光谱曲线中对比其峰高，从而确定所含每一种元素的成分与含量占比。

经过多种仪器轮番上阵的“体检”，我们发现受自然与人为因素影响，天桥双碑碑文出现不同程度的裂纹以及磨损，导致文字无法用肉眼辨识，需要利用数字化手段对碑文进行提取与虚拟修复。

数字化修复

由于担心传统拓片方法会对石碑刻造成二次损坏，项目决定以数字拓片的方式来呈现修复结果。

首先，我们要对石碑中文字图片进行整理，建立样本集。在对尚可识别的文字进行扫描提取后，制作数据标签并进行人工标注。对那些难以用肉眼分辨的文字，通过计算机图像处理技术，增强突出文字边缘等建立基于能量函数与神经网络的拓片自动化生成模型，最后再将影像进行二值化，以灰度图的形式来增强文字笔画的清晰表达效果，使文字更完整醒目跃然纸上，实现虚拟修复。

电子显微镜屏幕上显示出清晰的石碑结构纹理辅助判别病害类型与受损情况（和冠欣 摄）

修复数字拓片前后对比（国洲乾 摄）

之后，我们项目组将制作VR、AR展示短片，将珍贵的文物石碑、石刻，全面、立体、生动而又可互动地展示给更多的人看。

作为一名大二学生，我之前对测绘专业的认知还局限在测量与绘图，要么就是扛着经纬仪、水准仪去进行闭合导线测量。这次的实践，让我意识到测绘科学与技术应用面很广，除了在智慧城市、自然规划、能源监测等方面的应用，在建筑遗产数字化保护中也有较大的应用前景。

随着多元学科的交互发展，摄影测量与遥感同计算机视觉、图像处理结合日益紧密，测绘在文物的实景建模、信息增强、病害提取、成分检测、虚拟修复等领域均有用武之地。我很开心可以踏入文物数字化保护的大门，利用所学技能助力中轴线申遗。

责任编辑：刁雅琴