基于三維掃描技術的云岡石窟病害監測方法

云岡石窟作為世界文化遺產，其保護工作具有重要意義?；谌S掃描技術的云岡石窟本體病害監測方法，采用三維激光掃描獲取高精度的點云數據，通過計算機對比當前與歷史模型數據，計算病害的變化量，實現了病害的可視化、量化分析及動態監測，為云岡石窟的保護和修復提供了科學依據和技術支持。

云岡石窟位于山西大同，是著名的石窟文化遺產，具有極高的歷史、科學和藝術價值。然而，由于長期受到自然環境和人為因素的影響，云岡石窟出現了多種病害，如表層風化、鹽害、裂隙等，使其保護工作面臨嚴峻挑戰。傳統的病害監測方法存在精度低、效率低、容易對文物造成接觸性損傷等缺點，難以滿足現代文物保護需求。近年來，三維掃描技術的快速發展為石窟病害監測提供了新的解決方案。

云岡石窟病害現狀

云岡石窟的病害類型復雜多樣，目前已發現的主要病害分為三大類：表面風化、鹽害、危巖體與結構失穩。

粉末狀風化指石質文物表面的酥粉剝落現象。調查發現，云岡石窟第4窟洞窟內粉末狀風化的部位都有一層白色粉末狀或絮狀風化產物。通過離子色譜對采集樣本進行分析，結果顯示，四面墻體與中心柱內陰離子以 S0₄^2- 為主，陽離子以Ca²⁺ ， Na⁺ 與 Mg²⁺ 為主。結合窟內各壁面取樣礦物組分分析結果，確認主要為石膏 (caS0₄?2H₂0) 、泄利鹽 (MgS0₄?nH₂O) ）。造成粉末狀風化的主要原因，可推測為水的入滲，砂巖中可溶鹽離子逐步使砂巖中的膠結物（鈣質、泥質等）溶蝕，形成的氫氧化鉀和二氧化硅呈溶液或溶膠狀隨水遷移，難溶的高嶺石呈粉末狀殘留在石雕品上，形

成粉狀風化病害。

鱗片狀風化指石質文物表層片狀剝落的現象。砂巖中石英的膨脹系數約為長石的1倍，因此由多種礦物組成的巖石受溫度變化影響，其體積的膨脹、收縮存在差異，在它們的接觸面上將產生應力，從而破壞它們之間的結合能力。這樣，巖石出現縱橫交錯的裂縫，有些裂隙平行于巖石表面，形成片狀風化。另外，夏季遭暴曬的石雕突受暴雨澆淋，膨脹性礦物遇水膨脹，加速破壞石刻巖體顆粒間的聯結和巖體表層與里層的聯結，使石刻巖體表層疏松產生裂縫，多造成石雕的鱗片狀剝落。

孔洞狀風化指石質文物表面溶解風化、軟質夾雜物溶解脫落，而在石質文物上形成孔洞的風化現象?？锥醇毿∶芗移叫杏趯永矸植?，往往出現于層理密布、軟硬相間夾層處?？锥礌铒L化的形成與砂巖性質具有密切關聯，部分砂巖在形成時會帶入一些泥質物，這些泥質物呈核狀、串珠狀，易風化，風化后就呈孔洞狀。此外，孔洞狀風化處常伴有鹽分析出，當鹽分反復結晶析出時，對砂巖內部顆粒形成拉、壓應力作用，同時加速膠結物流失，當內部結核體率先從巖層剝離時，便在石窟表面形成孔洞狀風化。

板狀風化。崖壁表層巖體受溫差應力、凍融作用脹縮力、可溶鹽反復結晶作用力等影響，造成一定厚度范圍內（0.5~5厘米）的表層巖體粘結力減弱，與原巖體脫離，產生空鼓、孔隙、空穴起翹。這種風化破壞形式進一步發展，會發育成片狀、板狀風化破壞。

圖1云岡石窟主要病害類型

鹽害病害常附著于較為疏松的巖石表面，呈白色粉末狀。據推測，鹽害的形成機理是由于云岡石窟巖體以鈣、鎂質膠結的長石石英砂巖為主，遇酸后膠結物將生成瀉鹽 (MgS0₄?7H₂O)? ）、石膏(CaS0₄?2H₂O ），顆粒中的長石轉換為高嶺土，并釋放 Na⁺ 離子，進而形成芒硝 (Na₂S0₄?10H₂O) 等次生礦物。在可溶鹽晶體富集帶，可溶鹽的反復結晶與溶解對文物的破壞也不容忽視。 MgS0₄ 通常在較低溫度和較高相對濕度的季節發生吸水膨脹現象，在高溫和干燥季節發生失水收縮現象。NaSO₄ 晶體形成的擠壓力約為0~40兆帕，溫度越低，晶體壓力越大； CaS0₄ 中結晶水的含量與溫度有關，在常溫下，硬石膏水化成石膏時，體積增大 31% ，產生0.15兆帕的膨脹壓力，極易把酥松巖石脹裂，形成粉狀或片狀剝落。

裂隙切割文物的造像層巖體及文物本體，在風化作用下，裂隙加寬，使文物本體和巖體與空氣接觸面明顯增大，風化速度加快，部分地段形成危巖。

構造裂隙切割較深，可形成地下水的儲存空間和導水通道。此外，因裂隙切割而形成的危巖，一旦崩落、滑塌、傾倒，巖體的新鮮面就會裸露在外，開始風化，隨著裂隙發育，在一段時間內會形成新的危巖。危巖的存在是巨大的危險源，其不僅危及人身安全，部分危巖體作為石刻的載體，潛在危巖的崩塌或破壞還會導致石刻文物消失。

基于三維激光掃描技術的病害監測

三維激光掃描是一種高精度測繪技術，能非接觸、精確地記錄文物病害信息。借助三維激光掃描技術可以記錄云岡石窟第4窟表面大量密集點的三維坐標、反射率等信息，反映石刻文物表面真實現狀。同時，通過計算機處理文物的三維點云信息，借助精確點云數據對石窟寺文物進行虛擬三維重建，提取石刻文物顯著幾何特征，輔助病害勘察出具數字正射影像圖，實現石窟寺文物信息多元化表達。

選用Rige1VZ-400站式三維激光掃描儀對石窟壁面進行數據采集，掃描精度2毫米，用于表征砂巖質文物表面風化速度的方法參照專利CN105043962A《一種定量測量砂巖質文物表面風化速度的方法》。具體操作為：根據第4窟的位置設置控制點和觀測方向；通過全站儀測定控制點的坐標并建立控制網；通過三維激光掃描儀在2022年3月7日對待測文物進行首次掃描，得到第4窟點云數據，將控制網的坐標導入三維激光掃描儀，對點云數據進行數據拼接匹配，同時將此次掃描得到的數據定義為初始模型；第一次測量結束后，以6個月為周期，對第4窟進行多次掃描，時間結點分別為2022年9月3日、2023年3月9日、2023年9月5日，得到點云數據，將控制網的坐標導入三維激光掃描儀，對點云數據進行數據拼接匹配，將再次掃描得到的數據定義為測試模型；對點云數據進行處理，得到文物的表面特征幾何參數；對初始模型和測試模型的表面特征參數數據進行比較，得到文物監測周期內單位表面積的體積變化量或單點形變量。

對云岡石窟第4窟東壁、西壁、南壁、北壁、窟頂、塔柱—東、塔柱一西、塔柱—南、塔柱—北、第4-1窟東壁、西壁、北壁、窟頂進行風化監測，疊加分析四個周期的三維模型數據，選取第4窟典型病害裂隙、粉末狀風化、片狀風化、鹽害等病害所處位置多處進行周期對比分析，辨別其變化原因，并選取各壁面變化明顯位置分析其影響因素。

一是風化監測數值表征。針對2022年4月9日、2023年11月7日對第4窟不同壁面的監測數據結果進行比對分析，第4窟、第4-1窟共監測16個風化點，其中第4窟北壁有3個3D比較點出現風化現象（如圖2所示），3D比較點1風化量：7.1立方毫米、3D比較點2風化量：5.1立方毫米、3D比較點3風化量：2.2立方毫米，共計14.4立方毫米，為風化最嚴重的壁面。這與我們日常對落沙搜集稱重所得規律吻合，分析其原因，應是北壁存在2個以上滲水點，山體后方降水通過滲水通道逐步使砂巖中的膠結物（鈣質、泥質等）溶蝕并隨水的流動向巖面遷移富集，進而造成嚴重風化。第4窟及第4-1窟外立壁共6個3D比較點出現風化現象（如圖3所示），風化量共8立方毫米，風化較為嚴重。風化原因可能為外沿無遮擋，水汽交換頻繁，且毗鄰南壁有一道東西貫通裂隙。由降水量和滲水圖像監測，當降水量超過15毫米，便有可能發生裂隙滲水，雨量較大時裂隙部位甚至會出現“雨簾”。內外作用使風化更為明顯。

二是不同時間點攝影圖像對比。

三維掃描技術為云岡石窟病害監測提供了高精度、非接觸式的解決方案，能夠快速獲取石窟表面的詳細幾何信息和病害特征。通過多次掃描數據的對比分析，可以精確量化病害的變化量，為病害的發展趨勢提供科學依據。然而，三維掃描技術也存在一定的局限性。例如，掃描設備的精度和分辨率受環境因素（如光照、濕度）的影響，可能導致數據采集出現誤差。此外，對于復雜結構或遮擋區域的掃描，可能存在數據缺失或不完整的情況，需要結合其他技術手段進行

圖2左：2022年4月9日北壁數字正射影像圖右：2023年11月7日北壁數字正射影像圖

圖3左：2022年4月9日外立壁數字正射影像圖右：2023年11月7日外立壁數字正射影像圖

補充。

本文通過對云岡石窟第4窟的多次掃描數據進行分析，發現風化病害在不同區域的表現存在顯著差異。例如，外立壁的風化量相對較小，而窟內表層的風化量較大，這可能與窟內環境的濕度、溫度變化以及鹽類結晶等因素有關。此外，裂隙區域的風化速度明顯高于其他區域，表明裂隙的存在加速了風化進程。這些數據不僅有助于理解病害的形成機制，還可以為保護措施的制定提供針對性的建議。例如，對于裂隙區域，可以考慮采取防滲水措施以減緩風化速度；對于鹽害嚴重的區域，可以研究降低鹽分含量的方法。

本文通過三維掃描技術對云岡石窟第4窟的病害進行了詳細的監測與分析。結果表明，云岡石窟第4窟的主要病害包括表面風化、鹽害、裂隙及危巖類病害等。其中，表面風化表現為粉末狀、鱗片狀、孔洞狀和板狀風化；鹽害主要集中在潮濕環境中；裂隙及危巖類病害對石窟的穩定性構成潛在威脅。

基于三維掃描技術的病害監測方法能夠高精度地記錄病害的變化量，為病害的量化分析提供可靠的數據支持。通過多次掃描數據的對比分析，可以清晰地識別出病害的發展趨勢，為保護措施的制定提供科學依據，同時也存在一定的局限性，未來應結合多源數據融合、自動化病害識別、長期動態監測等技術手段，進一步提升石窟保護的科學性和有效性。

（作者單位：云岡研究院）