200多歲國寶修復如新

在首都博物館館前廣場的東北角，矗立著一塊高6.7米的巨大石碑，它是目前北京最大的石刻文物、首都博物館的鎮館之寶——乾隆御制碑。碑上刻有少見的乾隆正楷手書《皇都篇》和《帝都篇》，由滿漢兩種文字寫成，它們是研究和展示北京歷史和文化的重要文獻。而北京東城區紅廟街一處民居院內的那塊有200多年歷史的正陽橋疏渠記方碑，也是乾隆親書，它記載了當年北京城南的一次“疏渠建橋”工程。

2022年夏天，我加入北京建筑大學建筑遺產數字化與虛擬修復課題組，參加“修復石刻文物，助力中軸線申遺”的暑期社會實踐項目。對《正陽橋疏渠記》碑及《帝都篇》《皇都篇》方碑（這兩塊碑被專家稱為“天橋雙碑”）的賦存環境進行整體調研，圍繞對石碑石刻智能化病害提取機理研究、數字拓片自動生成、文字提取識別與虛擬修復等內容，賦予古碑新的生命力。

項目之初，我們利用地理信息平臺對天橋雙碑及周邊護城河水系——金魚池、龍須溝，從乾隆年間到如今的歷史變遷脈絡進行梳理與可視化分析，構建了星空地一體化的空間考古觀測與認知方法。繼而又對石碑制作工藝流程與天橋地區空氣污染物進行統計，輔助判別材質工藝與環境對石碑生存現狀產生的影響。此外，利用文化遺產時空知識圖譜構建技術，梳理了天橋雙碑在時間、空間、事件的發展脈絡，厘清中軸線文化遺產時空演變特征與人文、歷史、自然環境關系。

從設備箱中取出XRF熒光光譜分析儀，準備對石碑進行相關觀測（和冠欣?攝）

北京建筑大學測繪與城市空間信息學院董友強老師正與我們討論采集到的石碑點云數據（和冠欣?攝）

有了對天橋雙碑歷史、宏觀的認識后，我們才正式開啟對石碑的修復之旅。

將石碑搬到電腦上

正陽橋疏渠記方碑位于今北京市東城區紅廟街?78?號天橋路口東北，該碑建于清乾隆五十六年（1791?年），碑身方形，碑首為四角攢尖式，碑座為束腰須彌座式，上刻精美浮雕，覆仰蓮瓣及云、龍、菩提葉等紋飾。碑體通高?8?米，各面寬?1.45米。頂端是三層飛檐的寶蓋。

我們扛著三維激光掃描儀，高精度攝影測量相機以及手持檢測設備，還未走進胡同時，高處的碑頂已映入眼簾。但隨之問題也接踵而至，石碑置于6米×6米的居民區空地內，周圍的胡同窄巷，僅能供一人單向同行。數據采集現場由于場地小，石碑高，數據采集難度極大，儀器與采集對象之間的距離，直接影響其掃描范圍與精度，我們無法根據以往經驗架設測站。為了保證目標點云數據的密度質量，我們不得不圍繞石碑進行儀器架設并進行多角度多方位的傾斜攝影測量。將三維點云進行拼接融合后生成不規則三角網模型，刪除碎片與浮點數據，裁剪邊緣數據，模型補洞等一系列操作后，碑體三維模型才搭建完成。通過計算機技術可以實現旋轉，等比例縮放來適應不同需求的展示。

雖然高精度點云數據可以較好展示其整體結構特征，但在其紋理與雕飾等細節特征處存在一定的局限性。利用高精度相機獲取到的正射影像可以通過紋理貼圖的方式還原其實景顏色信息，但由于搭載相機的導軌架無法進入狹窄的入口，我們不得不用自己的身體當拍攝“支架”，同時還需要面對長時間保持同一高度姿勢的挑戰。在簡單勘察設置好重疊度與拍攝路線后，我們就投入到正射影像的采集工作中了，利用腳下樹枝來固定每次移動的間隔，確保每一景影像之間的連貫性，我們終于實現了將石碑“搬”到電腦上。

為石碑體檢

來自北京市考古研究院、北京建筑大學、中國科學院空天信息創新研究院、首都博物館的各位專家與老師不僅就天橋雙碑的歷史以及《北京中軸線文化遺產保護條例》給我們進行了生動的授課，更拿出手持“體檢設備”，現場手把手演示教學。在學習了基礎操作后，我們迫不及待開始對石碑進行“全科體檢”。

通過將手持電子顯微鏡垂直貼于碑體放大觀察，我們發現肉眼難以探測到的石碑空洞、顆粒、裂痕等損傷。有些石碑病害如細小的劃痕與裂隙，用肉眼難以辨識，如果無法及時檢測發現，在自然風化作用下會對碑體持續造成不可逆的損傷，后果不堪設想。

碑體微生物病害處模型渲染圖（國洲乾 攝）

通過點云拼接與紋理貼圖后生成的實景三維模型（國洲乾 攝）

碑頂三維建模展示圖（國洲乾 攝）

手持熱紅外掃描儀用于檢測碑體含水率，結合前期我們對天橋地區空氣污染物的調研，可以進一步研究酸雨等硫化物對石碑造成病害機理研究。

老師還演示了我從來沒有見過的回彈儀，這是用于檢測石碑的結構強度的。結合自身對石質類文物鹽分光譜檢測領域的課題經歷，我使用XRF熒光光譜分析儀對石碑進行了相關觀測與點位采集。利用X射線熒光原理，被測位置所含的不同元素會對發射光譜釋放不同的能量特性，通過捕捉轉化特定信息，在設備窗口的光譜曲線中對比其峰高，從而確定所含每一種元素的成分與含量占比。

經過多種儀器輪番上陣的“體檢”，我們發現受自然與人為因素影響，天橋雙碑碑文出現不同程度的裂紋以及磨損，導致文字無法用肉眼辨識，需要利用數字化手段對碑文進行提取與虛擬修復。

數字化修復

由于擔心傳統拓片方法會對石碑刻造成二次損壞，項目決定以數字拓片的方式來呈現修復結果。

首先，我們要對石碑中文字圖片進行整理，建立樣本集。在對尚可識別的文字進行掃描提取后，制作數據標簽并進行人工標注。對那些難以用肉眼分辨的文字，通過計算機圖像處理技術，增強突出文字邊緣等建立基于能量函數與神經網絡的拓片自動化生成模型，最后再將影像進行二值化，以灰度圖的形式來增強文字筆畫的清晰表達效果，使文字更完整醒目躍然紙上，實現虛擬修復。

電子顯微鏡屏幕上顯示出清晰的石碑結構紋理輔助判別病害類型與受損情況（和冠欣 攝）

修復數字拓片前后對比（國洲乾 攝）

之后，我們項目組將制作VR、AR展示短片，將珍貴的文物石碑、石刻，全面、立體、生動而又可互動地展示給更多的人看。

作為一名大二學生，我之前對測繪專業的認知還局限在測量與繪圖，要么就是扛著經緯儀、水準儀去進行閉合導線測量。這次的實踐，讓我意識到測繪科學與技術應用面很廣，除了在智慧城市、自然規劃、能源監測等方面的應用，在建筑遺產數字化保護中也有較大的應用前景。

隨著多元學科的交互發展，攝影測量與遙感同計算機視覺、圖像處理結合日益緊密，測繪在文物的實景建模、信息增強、病害提取、成分檢測、虛擬修復等領域均有用武之地。我很開心可以踏入文物數字化保護的大門，利用所學技能助力中軸線申遺。

責任編輯：刁雅琴