環秀山莊假山遺產監測探究

程洪福

胡伏原*

遺產監測作為遺產保護管理的基礎性工作，科學合理、及時有效的數據采集與分析預警對遺產保護管理、決策研究的重要性日益提升，越來越受到廣泛關注。遺產地管理部門必須以《保護世界文化和自然遺產公約》《中國世界文化遺產保護管理辦法》和《中國世界文化遺產監測巡視管理辦法》等國際公約、法律法規為依據，建立科學完善的監測體系，為遺產保護管理提供技術與數據支持。近年來，學術界、行業主管部門、遺產地管理單位對所屬的園林文化遺產開始了監測研究與實際監測工作，取得了較多成果[1]。張月超通過借鑒風險管理理論，利用風險識別、風險分析和評價及風險應對等程序，初步構建我國世界文化遺產地的監測體系[2]。韓濤利用ArcGIS對人工和系統自動化互相補充方式采集的杭州西湖數據進行了可視化，并基于文物保護的預警模型在系統中給予實時和趨勢預警[3]。施敏潔以城湖空間、自然山水、景觀格局、特色植物、西湖十景和文化史跡為對象，為杭州市園林文物局提供了統一的GIS基礎服務，實現了西湖文化景觀的六大要素監測預警[4]。王子乾以頤和園為例，構建了中國古代建筑遺產自然環境監測指標體系[5]等。以上研究表明，園林建筑遺產監測已充分運用測繪、三維掃描等技術，監測方法與技術手段較為成熟。園林水質監測也遵循相應的國家標準和規范。

假山是中國園林造園藝術中復雜程度最高、難度最大的部分，為古今造園家所共識[6]。中國歷史園林假山遺產分布面廣、數量龐大、資源豐富。環秀山莊、耦園、片石山房、個園、寄暢園、豫園、頤和園、故宮御花園等園林假山是我國古代園林疊山藝術的典型例證和珍貴標本。假山的材料不規則、結構異形、堆疊技藝極為特殊，天氣變化、植物生長、人類活動、沉降等均有可能導致假山產生裂縫、傾斜，甚至坍塌。因此，假山是園林遺產要素中異常脆弱的元素，其監測方法應有別于建筑、水質等要素的標準化、程式化監測。楊晨等基于三維點云技術對上海豫園假山開展空間特性與假山遺產價值研究[7]。古麗圓等運用無人機航拍與三維數字技術結合的方法，通過攝影測量對頤和園須彌靈境假山進行數據采集與三維模型構建的試驗性探索，其研究指出僅利用無人機近景攝影測量方法對復雜程度高的假山數據采集存在信息缺失的局限[8]。喻夢哲等選取環秀山莊局部假山、耦園假山為對象，運用三維激光掃描和近景攝影測量技術開展歷史園林假山測繪技術的適宜性研究[9]。梁慧琳運用三維激光掃描、近景攝影等多種數字化測繪技術與BIM技術對環秀山莊假山進行測繪和解析，分析假山構造、堆疊工法與紋理皴法[6]。前述研究表明，學術界、遺產管理單位對園林假山遺產實際監測工作的重視程度日益提高，也開展了相關初步研究[6-11]，但目前為止對假山的監測僅僅側重于假山基本要素記錄、單一數據采集與闡釋，而地下基礎、震動、峰石樹體傾斜、環境等關鍵數據明顯缺乏，針對假山的綜合性動態變化監測、趨勢研判等尚處于空白，監測的系統性、有效性與智能化水平有待提高。

環秀山莊湖石假山被譽為“中國園林現存假山第一佳構”[12]。鑒于目前對假山這一獨特遺產的監測尚缺乏體系化研究，因此，選取環秀山莊開展假山專項監測系統設計，嘗試通過跨學科合作途徑，整合運用多學科方法與技術，采用相機、沉降/裂縫傳感器、三維掃描儀、雷達、地震儀等多種設備協作，多源數據相結合的綜合性動態監測方法，探討假山遺產監測的技術路徑與體系構建，為類似假山遺產監測提供可資參考的理念和方法。

1 列入世界文化遺產以來的假山監測概況

2005年以來，蘇州市世界文化遺產古典園林保護監管中心聯合環秀山莊管理單位實施假山本體基本要素采集、裂縫、沉降測繪監測。監測顯示，假山東南側臨水區域存在不均勻沉降、裂縫現象，樹根隆起導致假山局部產生裂縫。針對監測反饋的問題，遺產管理單位對假山采取局部封閉管理、加強巡查與監測、修剪樹木等措施。這表明，假山監測的成效初步顯現，不僅為遺產管理決策提供數據支撐，也為后續監測積累了經驗。受限于對假山遺產的認知局限、經費投入等因素，環秀山莊假山遺產監測仍存在監測方法單一、系統性不強、數據漏項、數據有效性偏低、實時性與智能化程度低等缺陷①，對于綜合研判假山整體健康狀況及演變趨勢的作用有限，不能滿足遺產保護管理的實際需求，在很大程度上影響監測有效性的發揮。

2 基于假山整體變化趨勢研判的健康狀況監測

2019年，環秀山莊管理部門組織相關單位、科研院所在借鑒敦煌莫高窟、頤和園、故宮、杭州西湖、重慶等地監測經驗的基礎上[11，13-15]，整合運用深度學習人工智能算法、相機主動精確重定位、探地雷達、高密度面波法、地脈動(微振動)觀測、物聯網等多技術、多源數據相結合的綜合性監測方法開展環秀山莊假山健康狀況監測試點(表1)，全方位采集假山各類數據并進行綜合分析，探索建立假山遺產專項監測預警體系。

2.1 監測內容與監測方法

2.1.1 建立WEB智能數據采集與分析系統

為提升假山遺產監測數據采集效率，增強數據處理分析功能，構建假山監測預警機制，本次監測基于物聯網技術實時獲取假山沉降、裂變等數據(監測方案如圖1所示)，專門開發“環秀山莊假山智能監測分析系統”。該系統具備實時采集、網絡數據傳輸、分析、查詢、數據導出、實時預警等功能，并預留其他類型數據上傳端口。遺產管理工作人員可通過PC終端或手機獲取實時監測數據，為遺產現場管理、決策研究提供便利。

2.1.2 假山沉降監測

一是建立環秀山莊遺產本體永久沉降觀測基準點2個，該基準點納入蘇州城市整體沉降監測網絡。二是在假山范圍內設立可與蘇州城市沉降觀測網絡進行坐標系轉換的沉降監測點，其中5個點為靜力水準儀傳感器監測點②，其余為沉降測繪監測點。通過建立遺產本體與蘇州城市沉降監測系統關聯的數據網絡，不僅獲得遺產本體沉降數據，更有利于綜合分析園林與城市整體沉降的變化關系，監測數據更具參考價值。

2.1.3 假山范圍遺產要素記錄

本次監測采用數碼拍照與三維掃描技術相結合的方法采集基礎信息，完善遺產基礎數據。三維掃描外業掃描使用Faro Focus掃描儀，內業處理采用Faro Scene軟件。2次以上三維掃描可實現點云數據交互比對，分析研判假山變化情況。

圖1 環秀山莊假山監測系統方案示意圖

表1 環秀山莊假山健康狀況監測情況一覽表

2.1.4 假山裂縫監測

由于裂縫變化較為緩慢，肉眼很難觀測，傳統游標卡尺測量方法存在人工成本高、誤差率高、監測數據反饋時效性差等缺陷，無法精確統計并分析裂縫變化的速度與趨勢。本次監測借鑒相機主動精確重定位技術在敦煌、頤和園等遺產地文物監測的成熟經驗[13]，運用該技術與傳感器實時監測相結合的方法，開展裂縫變化監測，共設立裂縫傳感器監測點10個(圖2)、圖像監測點10個(圖3)。

2.1.5 假山峰石、樹體傾斜監測

本項目實施前，假山峰石、樹體傾斜未納入監測范圍。但根據園林管理經驗看，峰石傾斜狀況直接關系遺產和游客人身安全。樹木生長對假山遺產既有正面，亦有負面影響。植物配置是疊山藝術的重要內容，假山因植物而更具雅趣和生境。多年來，假山區域樹木的樹根已嵌入山體，與假山融為一體，成為假山遺產的重要組成部分。但是，樹體傾斜直接危及假山本體安全，對其開展跟蹤監測十分必要。本次監測運用相機主動精確重定位技術開展峰石、樹體傾斜狀況監測試驗(圖3-4)，為后續監測積累數據和經驗。

2.1.6 假山地下基礎穩定性監測

多年來，假山地下基礎未納入遺產定期監測范疇，該類型數據處于空白狀態，存在數據漏項的明顯缺陷。因此，必須開展假山地下基礎穩定性監測，為綜合分析假山變化趨勢積累基礎數據。本次監測采用無損探測技術，運用探地雷達法與高密度面波法開展假山基礎探測(圖4)，探明假山地下地質情況，并分析其對假山山體穩定性的影響。

2.1.7 假山震動監測

各種氣象狀態下的震動是影響假山山體穩定性的重要因素。大風、大雨等惡劣天氣時段，樹木擾動對假山震動的影響需重點關注。因此，有必要搜集不同氣象狀態下的假山震動數據，分析震動對假山山體穩定性的影響程度。本次監測選取無風無雨、大風天、下雨天3種氣象狀態，采用地脈動(微振動)觀測法對假山主體具有代表性的3棵樹木周邊區域開展震動監測(表2)，采集不同氣象狀態對假山山體固有頻率及振幅影響的基礎數據，綜合分析假山山體不同區域的穩定程度與抗干擾能力。

2.1.8 假山環境監測

本次監測設立假山環境觀測點，實時采集水位、風力風向、溫濕度等環境數據，為綜合分析假山影響因素積累基礎數據。

2.2 監測數據分析

環秀山莊假山健康狀況監測項目于2019年11月底完成，結合監測數據分析，初步形成如下結果。

2.2.1 假山范圍遺產要素信息采集

通過數碼攝影與三維掃描技術相結合的方法采集基礎信息，獲得基準點坐標數據、單點點位坐標數據、假山三維點云模型以及OBJ格式的網格模型，進一步完善假山遺產信息數據庫。

2.2.2 假山沉降

圖3 假山監測點位和情況(3-1 假山主峰西側、南側裂縫圖像監測點；3-2 假山主峰內側洞室裂縫圖像監測點；3-3 半潭秋水一房山南側、假山主峰北側裂縫圖像監測點；3-4 假山峰石、樹體傾斜圖像監測點位圖；3-5 裂縫圖像監測點3監測示意圖；3-6裂縫圖像監測點3局部裂隙變化輔助觀測圖)

圖4 假山地下基礎探測點位分布

圖5 假山沉降傳感器監測數據(2019年12月8日)

定期測繪與傳感器實時監測數據表明：假山豎向位移呈整體下沉趨勢，且假山主體存在向西南方向偏移的趨勢，整體沉降和位移情況相對穩定。沉降傳感器監測數據顯示：1)假山監測區域存在每天固定時間段沉降并恢復穩定的規律性變化現象③；2)不同點位波動值較小(均在0.2mm內)，但變化波動值不完全一致(圖5)。針對第一種情況，初步判斷為園林建設控制地帶內市政道路及周邊單位汽車通行因素，具體原因有待進一步監測和分析；針對第二種情況，需持續關注并積累假山沉降、裂縫的長時段監測數據。

2.2.3 假山裂縫

通過圖像與傳感器相結合的監測方法，假山裂縫監測數據顯示其中2個點位發生裂縫變化(圖像監測點3和圖像監測點7)，變化值分別為0.5和0.1mm，變化十分微小，其變化由局部位移引起，僅對假山局部造成影響，目前暫未發現因山石結構變動引起的裂隙變化。下一步將開展持續性監測，積累裂縫變化長時段數據，并開展裂縫與沉降數據的關聯度分析。

2.2.4 假山峰石、樹體傾斜

運用相機主動重定位技術開展的假山峰石、樹體傾斜監測數據顯示，半潭秋水一房山亭北側峰石東西朝向相機傾角相差0.097 2°，南北朝向相機傾角相差約0.047 6°?？紤]相機重定位誤差，若相機坐標差異值超出0.15°方可判定為存在傾斜變化。當前監測結果明顯低于儀器誤差值，初步判定為峰石存在向東傾斜、向南傾斜風險，需長時段監測和分析比對數據才能做出更為確切的傾斜趨勢判斷。樹木傾斜監測結果顯示，樹體未發生明顯傾斜變化，需開展持續性觀測。

2.2.5 假山地下基礎

通過運用探地雷達法與高密度面波法對假山各區域地下基礎的探測結果顯示如下。

1號點位地下土層分布均勻，雷達圖電磁波反射信號幅值較弱，波形均勻，地下整體密實。兩側探查電磁波反射信號高度相似，土層變化幾乎為零，地下結構穩定，土體密實。

2號點位圖像顯示局部位置為脫空，現場復核為通道下方邊緣靠近水體部分的空氣，其他圖像顯示通道下方土體不存在異常情況，基礎結構良好。

3號點位地下基礎淺層0.3～0.8m存在顆粒狀圖像，但根據雷達圖波形特征排除脫空、空洞及富水可能性，初步推測為假山基礎施工過程中的墊石工藝處理，有待進一步研究。相較于其他4處檢測區域，該區域地下結構組成復雜，淺層可能存在墊石或類似結構(圖6)，需持續監測其變化情況。

4號點位地下基礎均勻密實，且前后2次探查結果高度相似。探查結果顯示，該區域土層相對密實，初步判定為地下基礎最為穩定的區域。

5號點位電磁波反射出現連續有規則信號，且幅值波動較小，初步判定為地下隱藏石塊或構筑物。該區域地下整體狀況密實，前后結果對比顯示地下結構穩定。

監測數據顯示，各區域地下基礎雖相對穩定，但區域間仍存在一定差異。經綜合比對分析，各監測點位地下基礎綜合穩定性由高到低排序為：4號點位＞5號點位＞2號點位＞1號點位＞3號點位。需持續監測3號點位周邊區域的地下基礎情況，綜合研判其變化趨勢。

2.2.6 假山震動

通過分析3種氣象狀態下各區域地脈動頻譜特征以及假山山體固有頻率和振幅的影響數據，監測結果如下(表3～5)。

區域1NS、EW方向監測點地脈動頻譜特性監測結果顯示：假山主峰西側黑松及周邊區域EW方向和NS方向響應不一致，NS方向變化大于EW方向?？赏茢嘣搮^域假山石塊存在南北位移可能，其中監測點3、4的二次固有頻率明顯大于其他區域，可以判斷該點位穩定性較差，需持續監測和關注。

表2 假山震動監測區域監測點數量分布

表3 區域1NS、EW方向監測點地脈動頻譜特性結果

區域2假山響應模態結果顯示，假山東側圍墻樸樹周邊區域在1級、2級、3級振動模態中EW方向與NS方向響應較為一致，可以判定該區域假山較為穩定。

區域3假山響應模態結果顯示，半潭秋水一房山亭南樸樹周邊區域1級、2級、3級振動模態呈現對稱響應特性，EW方向與NS方向響應較為一致。但17號監測點位的二次固有頻率大于周邊位置，該區域穩定性次之，但較區域1而言，總體較為穩定。

經過綜合比對分析假山震動數據發現，假山各區域穩定性、抗干擾能力差異較大，綜合穩定性由高到低排序為：區域2＞區域3＞區域1。3種氣象狀態對假山山體固有頻率和振幅影響的數據顯示，下雨天和大風天的山體平均震動頻率和振幅大于無風無雨天，大風天的山體平均震動頻率大于下雨天，下雨天山體平均振幅大于大風天。為進一步掌握震動對假山的長期影響，需加強各種氣象狀態下的震動監測，綜合研判其變化趨勢，并采取適度干預措施。

2.2.7 假山環境

通過選取2019年12月8日4：00、2019年12月8日11：00數據對比發現：假山區域溫度呈上升趨勢，濕度對應呈下降趨勢，符合現場實際情況。水位監測點1與水位監測點2均呈下降趨勢，下降值約為5cm。經分析比對假山沉降、裂縫數據發現：水位變化過程中，暫未發現假山沉降和裂縫變化趨勢。需持續關注水位、溫度、濕度、風力、風向、沉降、裂縫等數據的變化，積累長時段監測數據。

2.2.8 假山預警方法

本次監測主要通過對裂縫、沉降和水位實時傳感器數據分析，利用閾值方法進行預警。若裂縫、沉降相對變化值超過1mm則預警，由監測系統通知管理人員；若水位變化值低于假山指定數值10cm則預警，系統自動發送短信通知工作人員，需采取補水措施，并關注假山沉降、裂縫變化情況；若水位變化值高于假山指定數值5cm則預警，系統自動發送短信通知工作人員停止補水或采取排水措施。

圖6-1 假山地下基礎3號監測點南北方向探測結果(2019年10月30日)圖6-2 假山地下基礎3號監測點南北方向探測結果(2019年11月25日)

表4 3種氣象狀態下假山山體固有頻率對比

表5 3種氣象狀態對假山山體固有頻率影響程度

2.3 下一步監測建議

本次監測綜合運用多種方法和技術手段開展對裂縫、沉降、峰石樹體傾斜、地下基礎、山體穩定性及環境的監測，初步建立了較為完善的監測數據采集與分析系統。為進一步完善假山遺產監測預警體系，仍需完善假山勾縫材料黏度、樹木生長態勢等影響要素監測，深化震動、沉降、裂縫、環境等關鍵數據的全天候監測，并構建假山影響因素和趨勢演變模型，提升監測的智能化水平。

3 結語

環秀山莊假山不僅是蘇州園林，更是中國園林現存假山中復雜程度和堆疊難度最高的傳世卓品[6]。本文選取環秀山莊假山為研究對象初步構建了假山遺產專項監測預警體系，并開展綜合性監測試點，發現了假山的緩慢變化區域，綜合評估假山各區域的穩定性和抗干擾能力，為遺產保護提供了重要的基礎數據和科學依據，對其他歷史園林假山遺產監測亦具有較高的參考價值。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝蘇州科技大學電子與信息工程學院提供的幫助。

注釋：

① 尚未建立遺產本體與城市大環境數據關聯的沉降監測網絡，假山沉降、裂變、三維點云監測數據的對比參考價值、有效性偏低。

② 前期監測數據顯示，假山東南側臨水區域存在局部不均勻沉降現象。本次沉降監測綜合考慮水位、不均勻沉降等因素對假山的影響，在假山東南側臨水區域增設沉降傳感器監測點，實時獲取并分析沉降數據。

③ 監測結果顯示，每日5：00—20：00，假山沉降數據呈上下波動狀態，波動趨勢基本一致。20：00—次日5：00，沉降數據比較穩定，且波動較小。