王卓男，高 敏
2016年，课题组基于数字技术就全国范围内的辽代砖塔系统地展开了普查与研究工作，现已获取近百处辽塔的精准数据，包括点云模型截图、无人机倾斜摄影立面图、数码摄像照片等，基本可实现对建筑全方位、多角度的观测。
数字技术作为一种高精技术手段，近年来被广泛应用于古建筑保护与研究领域。数字手段的介入，无疑能够为相关研究的开展给予有力帮助。本文对基于数字技术的辽代砖塔保护与研究应用实践进行论述，希望为业内提供一定的借鉴。
1.1 辽代砖塔概况
现存辽代砖塔（可简称“辽塔”）百余处（包括残塔等），多位于辽宁、京津冀、内蒙古、山西及吉林地区。截至2022年2月，课题组已获取其中86处的精准数据（表1）。
表1 已获取数据的辽代砖塔分布与数量情况单位：处①
辽代砖塔主要包括密檐式塔、楼阁式塔、花塔和覆钵式塔，其中以密檐式塔居多，楼阁式塔次之，花塔和覆钵式塔较少。梁思成就中国砖石塔各阶段的建筑特征，将其演变过程分为古拙期（500-900年）、繁丽期（1000-1300年）、杂变期（1280-1912年）3个时期。辽代砖塔盛于繁丽期，以宏大的建筑体量、秀美的塔身雕饰以及较多的遗存数量受到业内的广泛关注。
1.2 业内早期相关研究概况
关于辽代砖塔，辽、金、宋史书以及部分地方志中有一些粗略记载，《马可·波罗游记》等游记文学作品当中也有提及，但整体而言相关记载并不充盈。
19世纪末，以伊东忠太为首的众多日本学者针对东北地区的辽代砖塔开展了调查工作，成果包括《满洲的佛塔》《辽代佛塔概况》《辽金时代的建筑与佛像》等论著。德国学者柏石曼凭借摄影技术，采集到部分佛塔的影像资料，部分成果呈现于一书中。对于中国的辽塔研究工作而言，该阶段海外学者的研究具有重要启发和推动作用。
梁思成对辽代砖塔进行了较为系统的考察研究，《蓟县观音寺白塔记》《天宁寺塔建筑年代之鉴别问题》《河北省西部古建筑调查纪略》《中国古塔》等学术论著中均有论及辽代砖塔的部分，自此辽代砖塔研究真正进入由中国人主导的科学调查研究阶段。在此过程中，中国学者们依托传统的测绘与信息采集技术，留下了一批珍贵的文字、影像和图纸资料。
傅熹年在《中国古代城市规划建筑群布局及建筑设计方法研究》中展示了部分楼阁式辽塔的早期测绘图纸，并公开了部分建筑数据。基于此，傅熹年探讨了辽塔以檐柱高为模数控制塔身整体尺度的设计方法。张汉君、张晓东、陈伯超等多位学者均围绕辽代砖塔展开过细致的研究。张汉君针对辽释迦佛舍利塔和万部华严经塔进行研究，指出辽塔应具有某种类似“营造法式”的营造制度。张晓东则大规模梳理了数十座辽塔的建筑信息，并对其进行基础分类。陈伯超、赵兵兵、张鹏飞等学者从艺术、技术等不同角度对辽塔进行了系统研究，并著有《辽代砖塔》一书。
随着辽代砖塔所独具的重要研究价值的逐渐显现，研究辽塔的论文数量也逐渐增多，但测绘手段的先进性与上述两阶段相比，却不见明显提高，大多仍是基于传统测绘手段获取建筑信息，其间难免存在覆盖范围有缺失、信息准确性受资料多元化影响等问题。在一定程度上，二维图纸难以满足多方位的观测需求。
近年来，数字技术在建筑领域已被广泛应用。地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）等空间信息技术在信息获取、处理、管理和分析上有着强大的优势，在古建筑与遗产保护领域能够提供显著帮助。数据获取的全面与动态、数据挖掘的定量与定性、信息展示的直观性、信息应用的便捷性等更是支撑数字技术在古建筑领域具有广阔发展前景的核心驱动力。
课题组在进行古建筑研究及相关工作时，将以获取建筑信息为目的的测绘等工作称为“外业”，将数据整理与学术研究工作称为“内业”。“外业”是“内业”的重要基础，测绘所得的建筑数据是对辽塔保护展开、科研工作的核心与前提。而数字技术对于“内业”“外业”均有所助益，不仅能够提高工作效率，而且能够使测绘精度得到大幅度提升，是传统的测绘手段所难以达到的。但其间也有许多需要注意的方面，测绘仪器的选用、搭配和数据精准度的把控这两个方面最为重要，是具体应用时需要格外注意的。
2.1 测绘仪器的选用与搭配
三维激光扫描技术是测绘工作主要使用的数字技术，此项技术最先发展于20世纪90年代，其最大优势是突破了单点测绘的局限，具备激光测距、扫描及内部控制与校正等功能，能够快速得到建筑的三维数据，具有高效率、高精度的技术优势，根据三维点云模型可以对建筑数据进行精准度量。
三维扫描仪理想的状态是在地面进行水平角度的架站式作业，故对建筑高处及顶部的数据，难免存在获取不全面的问题。通过多年的尝试与钻研，课题组认为无人机倾斜摄影技术在一定程度上可以弥补此缺失。
无人机倾斜摄影是近几年新兴的一项技术，虽然在获取数据的精准度方面略逊于三维扫描仪，但具备空中定点悬停、多姿态调整相机角度等功能，可以灵活采集近地及空中目标物体的立面影像，故能够补充三维扫描仪难以获取的顶部数据。不仅如此，倾斜摄影对目标物体的表面影像采集效果极佳，可以对建筑进行360°无死角环绕实时观测，建筑的材质、纹理及残损情况等均能较真实地反映出来，故能提供另一种实时观测建筑现状的功能，对建筑状态观测等相关研究与保护工作大有助益。
课题组最初采用此两项技术进行辽塔数据采集时，使用的设备是徕卡C10和大疆精灵3，测绘单个辽塔的时间通常为4-5 h，机器搬运不易，十分耗费时间和精力。经技术迭代，近两年课题组在进行“外业”工作时使用的设备为徕卡RTC360和大疆御2，已基本可以将时间控制在2 h内，工作效率不断提高（图1）。
图1 课题组早年及现今所用数字技术设备
根据现实情况搭配使用三维数据扫描技术与无人机倾斜摄影技术，可完整获取不同体量、形制、残损情况等辽代砖塔的完整建筑信息。这既是一种新的表达方式，又比原始手绘图纸精准，信息量也更大。此外，再配合数码摄像输出高精度的建筑立面、细部等图纸，就基本能够实现对建筑全面且宏观的展现。
图2分别为庆州白塔的点云模型截图、倾斜摄影模型截图和无人机拍摄鸟瞰图。在具体的研究工作中，凭借此3类图纸可展开不同针对性的研究。点云模型在数据测量、尺度获取方面具有显著优越性，倾斜摄影模型则可实现线上建筑观测，细部的结构做法、材料的纹理与质感等都能较好呈现。建筑各角度立面展现、细节残损情况以及与周边环境的关系等，可通过摄影图纸展现。
图2 庆州白塔各数据技术展示
目前，基于86处辽代砖塔的建筑信息库已基本包括上述全部内容，能够满足现阶段宏观、微观等不同层次以及形制、构造等多角度的针对性研究需求。当前技术仍较繁琐，还需在未来不断实践，学习这些技术在古建筑工作中的应用方法，在精准与高效之间找到平衡点。
2.2 数据精准度把控
为确保科研成果的可借鉴性，在采集数据的精准度方面，不但在“外业”工作时坚定地选择精准度最高的数字技术，在“内业”工作中也尽可能发挥主观能动性对其加以宏观掌控。
首先发挥三维扫描仪在获取数据精准度方面的显著优势，通过合理设置标靶，多次、全面采集建筑的数据信息，而后在“内业”工作时借助全站仪、RTK等设备对模型进行多次调整、核对，以使数据精准度达到最佳，最终将其拼接成完整的点云数据模型。据此能够测量辽塔的总高、平面、面阔、塔檐及任一细部构件的精准数据，为研究工作提供坚实基础。
对于遗存至今的辽塔而言，有一些难以规避的现实因素会导致建筑数据发生变化，如时间变迁带来的构件损毁、地坪抬高与沉降以及近现代的修缮工程等。除此之外，建筑基准的不统一也是较大的影响因素。这也是在现今关于辽代砖塔的研究中，部分资料对同一辽塔高度所引数值存在差异的重要原因。因此，在对现存辽代砖塔高度进行系统梳理时，首先对塔高的测量范围作具体界定，即以现有台明或地坪和明确的塔顶建筑构件为测量基准给出高度，后续所作不同角度的针对性研究均是基于此基准，尽可能规避度量基准不统一对科研工作的干扰。
若要对数据的精准度进行宏观把控，不仅需要选择合适的数字手段进行“外业”工作，而且需要在“内业”工作中细致地修正与拼接，还要在具体的科研工作中建立统一的度量基准，这样才能保证建筑数据的精准度可以满足科研任务的多种需求。
课题组自2016年至今发表了多篇相关硕士学位论文和期刊论文（表2）。早年注重研究个例塔的形制做法以及类型塔的比例、形制等方面，近年则侧重研究微观的细部构件做法。二者对于数字技术的需求不同：前者需要极精准的数据作为支撑，后者则更偏重基于高精影像资料的细部做法观测。
表2 辽代砖塔课题部分学术论文
此外，辽代砖塔的保护与修缮工作也非常重要。内蒙古赤峰市武安州塔曾引起业内外诸多人士的热切关注，现将其修缮前后的数据采集工作内容简述于下，以探讨数字技术在辽塔研究与保护中的具体应用。
3.1 塔体比例及细部构件形制研究
2019年始，课题组就类型塔的塔体比例关系展开相关研究。基于辽中京道境内辽塔分布较为集中且具有鲜明的地域性特征，曾选取此京道内14座密檐式塔展开研究。确定以塔身及塔檐部分为核心的研究基准后，通过对塔高与塔平面、塔立面各部比例、塔各细部比例一一比较，发现14个研究样本的核心塔身与塔檐部分具有相同的比例关系，且塔身面阔与塔身下皮至顶层檐口的高度以及塔身至塔檐高度之间均存在较为固定的比例规律。而后以既有结论为基础，将塔身、塔檐数据分别与塔身至塔檐高度进行比对，以及将塔身至塔刹下高度与倚柱高度对比，最后得出辽中京道内大多数密檐式塔的塔身与塔檐的比例关系为1∶3，而且多以倚柱高为模数控制塔身至塔刹下高度的制式规律的结论。
2021年开始尝试研究辽代砖塔细部构件的形制做法，首先开展的是楼阁式塔铺作法式研究。通过倾斜摄影模型，详尽梳理了现存6座辽代楼阁式塔的铺作形制信息，进而探究其构造做法与数理规律，最后就其时代性进行总结。经研究发现辽代楼阁式塔铺作形制以双抄五铺作居多，且铺作层与塔高之间约呈1∶5的关系。辽代楼阁式塔的铺作形制较为统一，构造精巧，技艺娴熟，数理规律内蕴恒定且具备时代特征，整体法式严明。
2022年初，继续就辽塔之细部做法作针对性研究，选取较典型的50余座辽密檐式塔，就其塔身壁面内容，展开构成模式角度的专题研究，最终得出其特征具有明显南北差异的结论。
以上两类研究虽均涉及建筑或构件的形制与比例关系，但研究类型塔的相关制式规律时需要以大量、翔实的数据资料为依托，通过各角度的数理分析得出相关结论。在此过程中，研究所用的均为精准度最高的三维激光扫描数据。而细部构件形制的研究则更注重对构件的全方位观测，通过细致的观察与判断得出结论。受设备条件的影响，三维扫描技术对高处数据的获取难度较大，因此这方面的需求是点云数据模型难以完全满足的，仍需依托倾斜摄影模型以及大量的数码摄影照片实现。无人机倾斜摄影技术可依据建筑模型通过平视、俯视以及仰视等角度对建筑细部进行观测，且对于建筑材料纹理、现状质感等方面的呈现，均具有单色点云模型难以企及的细部效果。
对辽代砖塔进行研究时，所凭借的数字技术会根据研究内容的不同而有所偏重。但整体而言，以三维激光扫描和无人机倾斜摄影两大技术为依托，基本可以满足当下大部分研究需求。
3.2 武安州塔观测
武安州塔位于内蒙古自治区赤峰市敖汉旗，坐落于新惠镇南塔乡白塔子村西武安州城遗址北侧的教来河对岸，比邻山丘南面河流，始建年代无考。武安州塔于2013年5月被列为第七批全国重点文物保护单位。
课题组于2017年对武安州塔进行首次以数字手段为核心的测绘工作，由此获取了比较完整的三维点云模型和倾斜摄影模型，通过截取点云模型后得到平面、立面、剖面及屋顶面等全套的武安州塔建筑图纸，据此对其进行数理研究，并凭借倾斜摄影模型对该塔的残损现状及基本形制有了大体判断。
3.2.1 数理关系
彼时武安州塔的密檐仅存11层半，顶层塌毁大半，一层大檐几乎全部脱落。密檐总高度约22.06 m，约占塔整体高度的72.3%，现存密檐在不算塔刹的情况下比值接近四分之三，明显大于现存多数辽塔占全塔五分之二的比例关系，同时又比唐塔密檐部分的比例小，故应属两者之间的过渡形式，具有早期辽塔的特征。
由于塔身各处均有不同程度的塌陷，故感官上该塔塔体倾斜严重。为探明该塔塔身的偏移情况，进一步对武安州塔的塔基、塔身及各层塔檐的形心一一进行计算并连接。就其各层形心的位置，总结其整体偏移尺寸在20 cm左右（图3），与视觉上的偏斜程度相比，该倾斜幅度尚在可控范围内。该塔在遭到如此严重的毁坏与侵蚀后仍巍巍矗立于大地，与其较小的偏移幅度不无关系，侧面反映出辽代匠人纯熟的构筑技艺。
图3 武安州塔各层形心示意图
3.2.2 残损状况
依托倾斜摄影技术对建筑的残损情况进行较全面的了解，不仅可以观测到建筑任意位置的形制、材质，配合点云模型截图还可以对细部尺寸等量化内容进行度量。由于尚未经过研究，武安州塔整体残损情况较严重，塔身各面有多道宽度不等的裂缝。
塔身南面残存拱券式佛龛或券门，券门的后壁被破坏，可直接看到塔心室。但隅面的直棱假窗原制仍存在，一、二层檐下均设铺作层，形制皆为单抄四铺作，原制保存也较好（图4-a）。塔檐部分相对塔基与塔身而言较好，中下层塔檐砖叠涩的结构做法仍可分辨，但最上层檐部受损严重，大块砖料脱落以致建筑结构裸露在外，塔檐表面除角梁外还暴露着部分木结构（图4-b）。
图4 修缮前武安州塔的倾斜摄影模型截图
2021年年中，团队对修缮后的武安州塔再次进行倾斜摄影数据采集工作，并对新旧数据进行比较。修缮工作遵循了不改变文物原状的基本原则，对塔基与塔身部分裸露在外的砖料没有进行过多的修整，仅对正面的裂洞和隅面的直棂窗做填补、加固。另外，复原了顶层的塔刹底部和塌陷大半的檐部，对下面各层的檐部则做简单修葺。尽管一层大檐脱落严重，但修缮时未作过多干预，基本仍保持原状，故虽现武安州塔的塔檐呈现为12层，但其原制应为13层，符合辽塔施单数层塔檐的基本特征。整体而言，此次修缮工作以保护为主要目的。
图5分别为2017年（图5-a）与2021年（图5-b）采集到的倾斜摄影数据模型截图，明确且直观地反映了维修前后武安州塔的整体建筑信息，可据此讨论修复前后数据的差别。今后，可对武安州塔再进行数据采集工作，综合不同时间段积累而来的多套数据，进一步研究该塔的建筑形制与残损状况。
图5 武安州塔修缮前后倾斜摄影模型截图（左起依次为东、南、西、北截图）
基于多年的实践工作，课题组探讨了在不同条件下如何具体施用测绘方式，以满足辽代砖塔的全面研究需求。三维激光扫描的精度很高，却无法采集到高处数据；
无人机倾斜摄影技术虽在数据精准度方面局限于厘米级，但可帮助建筑现状定性，获取建筑顶部的数据，并实现贴近现实的近景摄影效果。适时将二者结合，可以达到最优的数据采集效果，输出完整的佛塔等较高建筑的数字模型。因此，在进行“外业”测绘工作时，多以三维扫描为精准核心，再配合以无人机倾斜摄影，并适时使用全站仪和RTK对数据精度进行调整。由此，在统一建筑测量基准的前提下，探索出了一种新的表达方式。
注释：
① 因存在双塔及多座塔、幢位于同一处的情况，故此处单位为“处”。
猜你喜欢 武安塔身精准度 以新理念培育区域竞争新优势人民论坛(2021年6期)2021-03-15透视：雪糕叠叠乐孩子(2020年8期)2020-08-13比萨斜塔为什么是斜的启迪与智慧·下旬刊(2019年9期)2019-01-19武安小米农村百事通(2017年17期)2017-09-29把脉培训农民需求面 提高农业培训精准度安徽农学通报(2016年20期)2016-12-26河北省山区县域谷子产业发展分析安徽农业科学(2016年5期)2016-07-10电工仪表测量中容易忽略的几个问题中小企业管理与科技·中旬刊(2016年6期)2016-06-20大雁塔安徽文学(2015年8期)2015-09-10压力表计量检定及校准方法探讨科技与创新(2015年2期)2015-02-11铁血尖刀北京广播电视报(2014年1期)2014-03-17