大足石刻数字测绘探索与实践

内容摘要：当前以三维激光扫描技术和多基线数字近景摄影测量技术为代表的测绘科学新技术在文物保护和展示利用等方面得到了较为广泛的应用。本文介绍了大足石刻世界遗产地文物测绘与数字化的现状，并对测绘成果在文物保护、考古调查及数字化展示等方面的应用进行了分析，初步探讨了针对石窟寺及石刻类文物测绘信息化及其成果应用所面临的问题和挑战。

关键词：大足石刻，数字测绘，探索与实践

一 引言

大足石刻是大足区境内摩崖造像的总称，始凿于初唐（７世纪中叶），历经晚唐、五代、北宋，兴盛于南宋（１２世纪），延续至明、清（１５-１９世纪），石刻题材以佛教为主，兼有道教及中国石窟艺术中不可多得的儒、释、道三敎合一造像。大足石刻点多面广，全区境域２７个街、镇均有石刻分布，现存造像５万余尊，被公布为各级文物保护单位的达７５处，是中国古代晚期石窟艺术的代表。１９９９年１２月大足石刻被列人《世界遗产名录》。

大足石刻作为室外文化遗存，多以摩崖造像的形式展现，又为开放空间，历经千百年的干湿、冷暖交替，风吹日晒，雨雾侵浊等自然因素作用，造成造像岩体风化、失稳、崩塌等损害。尤其是近年来，由于气候、环境污染等诸多因素的影响，石刻病害更加复杂，大足石刻目前已进入高速风化期，石刻自然破坏有加速的趋势。因此，为确保这一珍贵的历史文化遗产永续流传下去，开展大足石刻的测绘与信息留取是大足石刻石质文物保护的一项重要基础性工作。

二 大足石刻测绘历程及成果应用

大足石刻测绘工作可以分为两个阶段。

第一阶段为传统测绘阶段。首次传统测绘工作开展于１９４５年，以杨家骆为首的民国大足石刻考察团考察大足石刻时，遵循科学考古之方法，先后对北山佛湾、宝顶山大佛湾石窟进行了人工测量，绘制了“大足宝顶宋石刻部位图”（图１）和“大足龙岗唐宋石刻部位图”（图２）等。其成果收录人《民国重修大足县志》，在大足石刻科研保护史上书写了重要篇章。本次测绘是大足石刻史上的首次测绘，部位图基本反映了石窟建筑的空间位置关系、龛窟造像分布以及石窟构筑物建设等基本情况。但囿于当时的历史条件，该次测绘所得的部位图仅算“考古示意图”，不属于真正意义上的考古测绘。其后，为配合开展大足石刻考古专题研究工作，先后对宝顶山大佛湾、小佛湾等石窟内的部分龛窟进行了人工测量，参照正投影图片，绘制了少量龛窟的线划图。

图１ 大足宝顶宋石刻部位图

图２ 大足龙岗唐宋石刻部位图

１９８６年，中国文物保护科学技术研究所、建设部综合勘察研究院利用近景摄影测量技术对北山、宝顶山石窟进行测绘。本次测绘获得北山佛湾、宝顶山大佛湾各龛窟的立面图，提升了大足石刻档案资料建设的科技含量。但是囿于当时的技术条件，各龛窟平面图、剖面图则未测绘，其成果精度低，且图件为纸质形式，未能全面反映石窟建筑的空间结构以及造像本体信息（图３）。１９９２年由重庆建筑工程学院建筑系（现重庆大学建筑城规学院）对北山、宝顶山石窟造像和古建筑进行全面测绘，获取了包括两处石窟总体立面、平面图以及重要龛窟的平、立、剖面图（图４），其测绘成果进一步充实了大足石刻基础资料，也对大足石刻保护和申遗工作提供了一定的支撑。

图３ 北山玉印观音近景摄影测绘成果

图４ 北山观无量寿佛经变相龛立面图

２００２－２００８年，由大足石刻研究院考古人员在２０世纪８０年代的近景摄影成果基础上，采用传统的石窟测绘方法，对北山佛湾石窟南区第１-１００号和北区第２３７－２４９号进行了实测，获取了包括北山佛湾石窟的总体立面图、总体平面图以及各龛窟的平、立、剖面图（图５）。本次测绘工作是在国内著名考古专家的具体指导下完成的，遵循了考古测绘的基本规范，测绘成果客观全面，精度相对准确。本次考古测绘延续时间长，获取成果丰，满足了考古研究之需，在总体规模和质量上，较之前各次测绘皆有所扩充和提升。

图５ 北山第９号龛立、剖面图

第二阶段为现代数字测绘阶段。由于大足石刻造像体量较大，形态多样，造像形态各异，加之地形复杂等特点，过去的传统测绘成果往往不全面、不准确、不规范、无法满足保护和研究的需要。利用现代测绘手段对石刻文物尽可能实现全面的、准确的、真实的信息留存及服务于保护、研究与利用，无疑是一项迫在眉睫的重大工作。地面三维激光扫描与多基线数字近景摄影测量技术作为测绘领域的最新技术手段，能够快速、完整、高精度地获得原始测绘数据，重建扫描实物；并且已经在文物本体信息留取、考古测绘、文物保护与数字展示等领域得到了局部应用，彻底改变了传统的单点测量方式，从而也开启了大足石刻现代数字测绘的新局面。

２００８年开始，基于宝顶山大佛湾千手观音抢救性保护工程项目的开展需要，中国文化遗产研究院、北京建筑大学等单位利用三维激光扫描技术，对宝顶山千手观音造像进行测绘，客观记录文物本体现状，真实反映了造像形态、结构等信息。本次测绘工作首次运用三维扫描技术对单体文物进行全面的测绘，在千手观音的保护修复过程中，通过三维激光扫描实现了原始石刻信息的永久存档（包括高精度几何信息和色彩信息）、用于复原展示（包括复制品制作和数字展示）、提供形态和尺寸数据（包括面积、体积、残损率等精确量算），为其他相关保护工作提供模型和数据源（包括修复效果跟踪监测、病害检测、信息数据库管理系统建设），可提供虚拟修复模型和相关尺寸数据（包括提供修复方案参考和辅助决策），为实际修复提供参考（包括缺损部位的形态参考，可提供多角度真实尺寸的二维图件），为保护工程的开展奠定了坚实基础。２０１３年４月，大足石刻研究院联合中国文化遗产研究院、北京帝测科技股份有限公司开展了大足石刻三维数字化与保护应用试点项目，重点结合大佛湾石刻保护工程及文物数字化展示相关需求，探索三维激光扫描技术在石窟寺及石刻类文物保护工程应用中的科学模式。主要以大足石刻中具有代表性的宝顶山大佛湾石刻作为试点对象，重点研究海量数据的三维数据的处理与优化，三维数据在大佛湾石刻保护、研究中的应用结合。在对第２９号圆觉洞进行精细扫描基础上，先后完成了大佛湾全部龛窟造像的测绘，获取了大佛湾整体三维模型、部分等值线图、考古线划图、各龛窟立面图等数字化成果（图６）。建立了监测基准框架，在大佛湾环境监测站埋设４个监测基准点，在大佛湾内埋设３６个监测点。同时，测设了高精度ＧＰＳ网，联测上述监测点获取了每个点的三维坐标；建立了大佛湾文件管理数据库系统（图７）。

图６ 宝顶山圆觉洞西侧威德自在菩萨

线划图三维测绘与数字化成果

图７ 大佛湾数据库管理系统登录界面

自２０１０年至今，大足石刻研究院联合武汉华宇世纪科技发展有限公司运用多基线数字近景摄影测绘技术，有计划、分步骤地对北山佛湾、多宝塔、南山、石门山、石篆山以及宝顶山周边宋代石窟进行测绘。先后获得的矢量线图（图８）、等值线图（图９）、正射影像图（图１０）等数字成果，涵盖了各处石窟连续立面图、平面图以及各个龛窟的平、立、剖面图，全面、客观、精确、全息记录了各处石窟的现状。

图８ 北山多宝塔立面图（部分）

图９ 石门山第８号窟主尊等值线图

图１０ 北山第１３０号龛正射影像图

综上，大足石刻摩崖造像的测绘与数字化工作基本可分为两类：一类为基本形态的测绘，另一类则为影像记录。基本形态的测绘主要包括传统的拉尺丈量、经纬仪测量、水准仪测量、全站仪测量、光学近景摄影测量、数字近景摄影测量、三维激光扫描；而影像记录则主要有素描、传统胶片照相（包括黑白与彩色）、数码照相及ＤＶ录像等。以多基线数字近景摄影测量和地面三维激光扫描为代表的测绘技术与数字化手段，不仅为大足石刻留下了珍贵的原始资料，其成果也为大足石刻的保护科研、展陈利用、档案资料建设、数字博物馆建设、遗产监测等提供可靠的数据资源和支撑。

三 数字测绘及成果应用所面临的问题和挑战

1.海量数据处理及管理仍需进一步研究

石窟寺及石刻一直是文物保护和考古的主要研究对象之一，是研究历史、宗教、艺术、工艺技术、社会生活和中外文化交流等问题的重要历史资料。无论是从建造技术和绘画水平本身，还是从其中所蕴含的历史文化信息来看，石窟寺及石刻都具有极高的保护和研究价值。要研究其建筑结构和造像形态，准确的数字测绘是石窟寺文物考古必不可少的基本工作之一。但是处理庞大的点云数据过程中，如何快速优化数据、准确进行纹理贴图等仍需进一步的研究。此外，要管理如此海量的数据，仅依靠目前流行的商业数据库来完成入库、存储及管理工作还远远不够，必须借助最先进的数据分割、索引及数据组织技术来实现。

2.数字成果应用还有待于进一步发掘

现代高新测绘技术为加强文物保护前期勘测工作提供了有力支撑，三维激光扫描、多基线数字近景摄影测量技术以其高精度、高效率、无损等优势逐渐被文博工作者认同，且应用渐广。然而，目前普遍存在数据利用率过低，数字化成果广泛应用还有待于进一步发掘和研究。如何快速、高效、精确地利用丰富的数据源，以及多源数据融合真实再现三维立体模型，使文物测绘工作更系统化、自动化，也是今后考虑的一个方向。由于数据成果使用者的关注点不同而导致数据成果的要求有所差异，如文物保护规划人员对整体性要求较高但尺寸精度要求较低，而考古研究人员注重细微雕刻艺术而强调较高精度，两者需要的模型和图件也都存在一定差异。

3.测绘成果需要技术和艺术的融合

三维激光扫描、多基线数字近景摄影测量技术等数字测绘技术作为数字化的一种手段，在遵循测绘实事求是的原则下，需要与艺术相融合。石窟寺及石刻文物作为雕塑艺术，涵盖了雕塑、绘画、建筑等多个传统艺术门类，测绘成果应当符合并体现出应有的艺术特征与规律。针对不同的应用领域，精心设计、艺术加工、拓展思路、加强利用、再创辉煌，是石窟寺及石刻类文物数字化的必然趋向。

四 结语

综上所述，以三维激光扫描技术和多基线数字近景摄影测量技术为代表的测绘科学新技术在文物保护和展示利用等方面得到了较为广泛的应用，并受到了越来越多的关注和重视，研究人员不仅将其作为快速准确的记录和存档工具，更将其作为有效的研究辅助手段加以利用，数字测绘科学将不断为文物保护、研究等领域提供崭新的研究视角和思维方式。总的来说，现代数字测绘技术在文物保护和考古工作中的应用日渐成熟，新技术的引入促使文物保护和考古发掘工作越来越注重多方法相结合、多学科相融合，在今后的研究和应用中定会充分发挥各技术的优势，取得更理想的效果。