南京城墙监测方法初探

王天文 尹吉丽 张琪 许礼林 孙勃岩

关键词：南京城墙；监测方法；监测预警；预防性保护

南京城墙是现存最长、规模最大、保存原真性最好的古代城垣，始建于元至正二十六年（1366年），全部完工于明洪武二十六年（1393年），由内向外形成皇城、宫城、京城、外郭四重城墙环套的格局。城墙总共长度约35千米，目前保存比较完整的城墙长度约25千米，其他约10千米为遗迹和遗址状态，在城墙外侧还有护城河遗迹（图1）。

砌筑城墙的材料和工艺历经几百年的时间，受自然环境影响，城墙自身强度降低，产生了风化剥落、松动、空鼓等各项病害，严重威胁南京城墙的真实性和完整性；此外，城墙还受到一定程度的人为因素影响，改变了原有结构以及城墙与山体之间的原有结构，导致城墙安全系数降低。基于此，亟需研究预防性保护手段、采集相关数据，指导城墙保护管理机构进行城墙日常维护、保护工程实施、游客管理等工作，达到防范风险效果、提升遗产保护管理水平的目的。

目前国内预防性保护的研究与实践仍处于起步探索阶段[1]，国家文物事业发展规划中明确提出预防性保护策略[2]，监测作为预防性保护体系的一项重要工作，旨在通过系统采集和分析不可移动文物相关信息数据，了解其材料和结构的损毁变化规律，及早发现不良症状，为科学制定保护方案和保护管理计划提供必要的数据和可靠依据[3]。

一、适用监测技术方法研究

根据2019年对南京城墙勘查与调查结果，南京城墙受降雨、温度等自然因素影响，以及旅游、城市建设等人为因素的影响，存在裂隙位移、风化剥落、墙砖松动、墙面空鼓等病害，部分区域存在坍塌隐患。为全面提升监测管理水平，科学判断城墙病害发展情况及潜在威胁，南京城墙保护管理中心组织开展了南京城墙监测研究工作，从本体病害、自然环境、社会环境以及保护管理等方面确定了南京城墙的监测指标体系，并启动南京城墙监测预警平台建设项目[4]，综合利用地理信息技术、物联网技术、互联网技术、5G技术，采用测绘、布设传感器、研制监测信息化系统工具等方式，开展南京城墙的监测工作。

现代测绘技术在文物保护、文物搬迁、考古挖掘中应用也较为广泛，其中三维激光扫描仪技术在文物行业应用最为广泛。诸如布达拉宫、苏州园林、石峁遗址、各类石窟寺等大量文化遗产在不改变文物原状的基础上，已利用三维激光扫描技术留取文物最真实的资料[5]。

随着科技不断发展，传感器技术应用广泛，在文物监测中的应用场景越来越多。早在1960年代，敦煌莫高窟即使用传感器监测窟区的气象参数[6]，拉开了传感器在我国文物监测中应用的序幕。随着传感器技术不断发展、我国文物监测需求的不断深化，传感器技术在微环境监测、水质监测、土壤水分监测、本体病害监测、结构监测等方面取得了重要应用成果，为遗产保护提供了数据支撑。

信息系统支撑我国的文物监测工作目前也已取得一定成果，中国世界文化遗产监测预警总平台于2014年上线运行[7]，综合反映大多数遗产地的总体保护状况和管理状况，其中中国世界文化遗产“监测云”，为遗产地日常巡查提供信息化工具，促进了遗产地监测工作的开展，提升了遗产地监测数字化水平。

针对南京城墙特点，需要对上述相关适用的技术方法、工艺流程进行深入研究，以确保能准确地获取南京城墙本体现状信息，为判断病害发育、遗产保存状况提供支撑。

二、南京城墙监测方法实践

（一）测绘监测

测绘监测方法是一种高精度的无损监测手段，具备作业区域大、专业性高的特点，适用于大范围、典型病害的专项监测。利用测绘技术定期对南京城墙进行稳定性监测分为两部分，分别为全站仪监测和三维激光扫描监测。

全站仪监测是利用全站型电子测距仪，通过电子测距技术和电子测角技术，对具有典型病害特征的区域进行城墙稳定性的监测。全站仪监测首先要进行基准网布设，作为城墙稳定观测的工作基点，为其他各外部监测系统提供基准（参考系），用以检测其稳定性和城墙绝对位移量。然后选择能体现形体变化表征以便于监测的部位，布设形变监测点。最后使用全站仪固定站点、仪器进行观测，获得監测点的相对三维坐标，通过重复获取多期监测数据，分析城墙的局部变形情况。

三维激光扫描是研究城墙定量风化剥落深度的重要方法，不需接触被测城墙，通过获取监测对象高精度三维坐标、形成点云数据，再通过一系列专业的内业处理，建立三角网模型（图2），形成被测对象的三维模型。

利用上述方法建立的三维模型，在待研究区域划分多条剖面线，提取剖面线起伏线，选取特征点，分析城墙表面风化、剥落深度。将剖面线上风化程度最小的点位设定为本条剖面线的风化基准点，量测剖面线上其他各特征点距基准点的距离，获得风化深度的数值。基于通过同一剥落区域多次扫描及计算结果，可判断风化、剥落病害发育情况及发育速度，为城墙病害研究、保护工程的开展提供数据支撑。

（二）传感器监测

针对南京城墙病害多、类型复杂的特点，对危险性较高的病害安装了传感器进行监测。

臌胀病害监测采用的是多维度变形测量装置。

该设备基于连续测斜原理，由数个长度为1米的刚性传感器分节构成，传感器之间头尾串联形成一个阵列传感器，传感器节点之间采用可自由弯曲的柔性节连接，每节传感器都可以监测该区域XY二维方向位移值，从而达到监测城墙臌胀形变的效果。

裂缝病害监测采用振弦式裂缝计。该设备的振弦式传感器构件与一个经过物理处理并消弭应力的绷簧连接，绷簧两头分别与钢质振弦、传递杆相连，产生在钢质振弦上的张力与拉力成比例，裂缝的开合度通过数据差异准确地体现出来。

沉降病害监测采取静力水准系统，使用高精度磁性位移传感器来测量被监测点沉降的变化。多台磁浮子液位传感器由一根通液管和通气管连接在一起，传感器输出为数字接口，当监测位置产生相对于基准点沉降或抬升时，监测位置储液灌液位相继发生变化，液位变化带动内部的浮子随之改变并被内部的敏感器件所感应输出数据。

传感器设备监测采用物联网技术、5G技术，具有数据自动采集、实时传输等特点，能够提高文化遗产监测的时效性。

（三）信息化支撑

南京城墙监测平台利用多数据源管理整合能力，将已有的监测设备，相关业务数据统一集成管理，提高了数据源丰富性和多维性，使监测成果更详实更广泛。

项目基于中国世界文化遗产监测预警总平台监测云，根据南京城墙日常人工巡查的工作内容及特点，研制南京城墙人工巡查APP，定制南京城墙人工巡查任务，通过手机APP采集监测项的病害照片、文字信息、人工测量信息等监测数据，直接获取日常巡查数字化监测的数据内容、数据采集时间、采集人及数据位置。人工巡查利用智能通讯设备、巡查APP以及定位技术，既解决了传统人工巡查数据数字化问题，也保证了数据的及时性和精准度，同时提升了采集工作的信息化水平，真正做到智能管理、责任到人、精准巡查的要求。

三、病害监测效果

目前在南京城墙已安装裂缝计111只、静力水准仪16套、多维度变形测量装置48套。数据采集频率为正常情况8小时一次；雨中、雨后一周内4小时一次；当触发预警后2小时采集一次。对城墙局部区域变形和城墙整体形变实施测绘监测。局部区域变形监测，对83处城墙病害较为严重区域进行每年14次全站仪测绘，3处城墙病害较为严重区域进行每年4次三维扫描测绘。整体形变监测对城墙全段进行每年2次沉降测绘工作。监测工作开展至今，已形成百万余条监测数据和多期测绘报告。数据显示目前南京城墙本体相对稳定。

（一）裂缝病害变化特征分析

南京城墙以裂缝病害最为普遍，因此监测设备布设数量最多，图3为同一日期南京城墙不同裂缝宽度变化曲线。由图可知，条石砌墙和城砖砌墙的裂缝宽度变化趋势基本保持一致，22时至6时裂缝宽度相对最大，6时至11时裂缝宽度逐渐变小，11时至14时裂缝宽度相对最小，14时至22时逐渐变大。图4为一年时间内南京城墙TTN16号病害裂缝宽度变化曲线，由图可知，冬季至夏季期间，裂缝宽度逐渐减小，夏季至冬季期间，裂缝宽度逐渐增加。

（二）裂缝病害变化与温度的相关性

根据裂缝宽度变化，可判断裂缝宽度变化与温度有关，故而对裂缝宽度变化与温度进行相关性分析。图5为南京城墙裂缝病害宽度变化值与温度相关性分析图，相关系数R2为0.9632，显示城墙裂缝病害宽度变化值与温度达到显著相关水平，并且为负相关关系，即温度越高，裂缝宽度变化值越小。

（三）人工巡查成果

南京城墻保护管理中心组建了专业的人工巡查队伍，利用移动端APP，每周对巡视区域开展人工巡视（图6），巡查过程中如实上报巡查过程中发现的各类问题，及时提交到系统发出异常警报，并第一时间通知负责人处置。同时通过基准照比对，定期采集病害图片，形成同一病害不同时间序列的图像（图7），查看病害的变化情况，对明显变化的病害留存可追溯的图像资料档案。

四、结语

（一）优劣势分析

运用测绘、布设传感器、信息化支撑人工巡查的方式进行南京城墙本体病害的监测，通过运行与实践，显示三种监测方式各有优势与不足：

1.采用测绘的方式进行病害监测，对文物本体不会造成损伤，采集的数据精度较高，但其操作复杂，需要专业的团队来完成，且采集的数据具有较大存储要求和较高专业性，文物保护管理机构需通过采购第三方服务的方式获取，缺乏灵活性且及时性不够。该方法适用于本体病害调查、工程施工前的勘察工作以及大范围、典型病害的专项监测。

2.布设传感器进行病害监测是目前不可移动文物较为普遍的监测手段，在用电、网络条件有保障的情况下，具有采集自动化、数据实时性的特点。传感器设备数据的精确性以及设备使用寿命，对外部自然环境有一定依赖性，在潮湿、高温、寒冷等恶劣天气下，传感器易产生漂移①，需要对设备定时进行校正，运维成本较高。

3.利用信息系统支撑，进行人工巡查是一种较为简单实用的监测手段，在某种程度上能够弥补设备监测覆盖不全的情况，亦适用于对没有科学有效监测手段的病害进行持续性观测，存在数据规范性弱、主观性强的特点。采用信息化支撑的人工巡查的监测方式，结合相应的管理措施，在某种程度上能够调动管理机构对文物保护管理的主动性。

（二）经验总结

根据实际情况，运用多种监测手段相结合的方法开展对南京城墙的监测，发挥各类监测手段的优势，相互补充、相互支撑，采集各类监测数据，通过对数据分析来判断城墙的保护现状和病害发育规律，可为其他城墙类文化遗产监测提供参考。但无论采用何种先进、自动的监测设备，均无法完全替代保护管理人员的参与。科技化方法能够解决保护管理人员时间不持续、地点不可达的监测问题，是保护管理的一种有效支撑手段；信息化系统能够为保护管理人员的工作提供便利，使得数据更规范，但无法替代保护管理人员进行决策。因此，进行文化遗产监测要根据实际情况选择合适的监测手段，同时也要配备数据分析、日常巡查、文物保护等专业的人员，保护管理人员有效利用科技化的监测手段和信息化系统，才能对文化遗产进行更科学、更有效以及常态化的监测和保护。