古建文物 在数据中“新生”

学生们在瞿昙寺进行壁画数据采集工作

一群中学生，在游学时无意间捡到一只“手”，以为是从千手观音上掉下来的，不知如何是好。正巧，他们遇到了北京建筑大学的建筑遗产保护与发展关键技术研究团队，便跟着研究生和老师们进入到文物遗产保护的世界。这一过程中，孩子们了解到数字化修复、永续留存等工作背后的意义，也完成了自身从随性顽劣到责任担当的转变……

还有一个月，这部由北京建筑大学与北京科学中心等单位合作创作的科普剧《千年石刻 万年传情》就将与公众见面。其中的研究人员原型以及主要呈现的技术内容，正是取材于建筑遗产保护与发展关键技术研究团队。在这里，有一群科研工作者，他们“按图索骥”，却让文物修复工作更加精准高效。

修复

历时十年 专注千手观音的每一只手

“想借着这部剧，让更多的人尤其是青少年，对文保工作产生兴趣，知道数字化修复、永续留存大概是什么意思。”谈及科普剧的筹备，团队负责人李爱群教授笑言，为了将这些专业内容通俗地进行传达，大伙儿下的功夫可不比日常研究少。

对公众而言，这些内容乍听上去确实略显“高深”。李爱群介绍，在北京，团队参加的项目有卢沟桥数字化修复保护。由于风化磨损或人为破坏，桥上的雕纹局部、狮子等会有图案不清晰，甚至残缺掉落的状况，团队的任务就是要恢复其原本形态样貌。

这种“修复”很好理解，那么“数字化”是怎么回事呢？团队骨干侯妙乐教授解释，通常而言，文物建筑各部位间会有一些规律可循，而整座卢沟桥也有保存相对完好的部分。通过三维激光扫描完好部分，结合桥体特征的对称分布等，就能将缺损部位用软件自动化重建出来。“简而言之，用完好部位的信息，‘倒推’或者说‘猜测’缺损部位状态，是一种数理统计、回归分析的方法。”

在团队耗时最久、投入心血最多的重庆大足石刻千手观音抢救性保护项目中，数字化修复得到更为淋漓尽致的表达。

据悉，这尊南宋年间的千手观音造像原本有1024只手，修复前可见约830只手，保存相对完好的有400只左右。团队就是以这400只保存完整的手为基准，观察待修复手处在整龛观音的什么位置，寻找它的对称相似手去类比空间特征。再通过完好手的五个手指之间的回归关系，算出待修复手的长度、手指弯曲度等等……

从预研究、立项到2016年结题验收，这一项目团队整整做了十年，为每一只手留存下修复前、中、后三个时间维度的数据。在侯妙乐看来这十年很值得，“不仅做了科研，更是整个测绘学、地理信息科学、土木结构、建筑学和文物保护专业的高度融合，还培养了一批测绘和文物保护人才。”

留存

结构捋清 珍稀文化遗产进数据“保险箱”

承担文物数字化修复任务的同时，团队的另一个重点工作方向是将文物数据进行“永续留存”。概括而言，就是趁文化遗产状态尚好时，多层级留取其信息，以备将来有修复需求时应用。

今年4月，巴黎圣母院的一场大火，让“永续留存”进入公众视野。浓烟滚滚中，跨越760年光阴的尖塔坠落，多少法国人民掩面哭泣……但某种程度上巴黎圣母院又是幸运的，早在2015年，艺术历史学家安德鲁·塔隆曾借助三维激光扫描技术详尽地记录下这一伟大教堂的全貌。这场大火后，巴黎圣母院的三维模型存档将成为重建的关键。

在国内，除了边修复边进行数据留存的大足石刻千手观音项目，最近团队还与中国文化遗产研究院和北京帝测科技股份有限公司合作，专门完成了西藏布达拉宫的“永续留存”。

通过数月的无人机拍摄与三维激光扫描，布达拉宫整个结构第一次被“捋”得清清楚楚。理论上讲，在建筑技巧能达到的前提下，利用这些留存的数据，它可以被一比一精准复制。这意味着布达拉宫从此进了数据“保险箱”，若它今后需要修复，就能得到最大限度地复原。

与修复相比，永续留存更着眼于未来。“现在还没有一个标准，什么样的文物应该优先去做永续留存。”一想到不少文化遗产可能在尚未进行数据留存的过程中慢慢降到“无法可修”的地步，或遭遇意外，李爱群总是有种紧迫感，“也希望更多的人能加入进来。”

还原

无需取样 可知文物表面颜料配比

侯妙乐致力于文物“几何形态”的留存和数字化修复，与她同属一个实验室的吕书强，则专注于文物表面的色彩还原。

“打个比方，观音手指的形态、长短等确定后，至于手指表面涂了什么，就是我们的活儿了！”吕书强解释，大部分古代文物的表面都是用矿物颜料绘制，不同物质的光谱反射也不同。基于这个原理，团队使用遥感手段“高光谱”成像技术，来获取文物表面的反射光谱。通过光谱来研究或者说猜测，古人到底用的什么颜料，配比如何，从而对书画、壁画以及表面有色彩的彩塑等进行修复。

与以往技术相比，高光谱成像技术依据的也是文物表面残余的色彩。但传统手段需要从文物表面再取样“一点点”拿到实验室分析，高光谱成像技术则如同拍照，不需实际取样，对文物没有损害，且分析效率更高。

2015年，高光谱成像技术走进首都博物馆，为40多幅古字画进行了数字化留存、颜料分析。更神奇的是，高光谱仪器获取了馆藏书画400至1000微米光谱范围的数据，共发现300多处人类肉眼无法甄别的隐含信息。

去年起，团队数次远赴青海省海东市乐都县的瞿昙寺，为已有600余年历史的寺内壁画采集高光谱数据，目前项目仍在紧张进行中。吕书强表示，实际上高光谱研究到现在也只有七八年，但从应用评价及项目申报情况而言，已显现出了巨大潜力。

认同

复制装配 近20米高云冈石窟“动起来”

实验室通过数理分析方法进行文物遗产保护的道路，这些年来越走越宽。“刚开始感受还不是这样，那会儿确实是‘冷门’。”侯妙乐回忆，自己2005年博士毕业前后，球面的表达方式还是经纬度格网，但她想用一种更精确的方式去推算，就使用了球面四元三角网。“大概意思就是用三角形将球面铺满，全部都是计算、数学。”她坦言，抽象的计算跟实际很难产生联系，不禁让人怀疑，自己做的这些到底有什么用？

而当她去现场第一次做数字化修复，这些疑问消失了。那是一尊17米、近6层楼高度的潼南大佛。放在以往，只能拍些平面照片，用皮尺测量数据。“我们用三维激光扫描、近景摄影，高精度且无缝地将大佛显示出来。”

有了海量数据，还需挖掘提取出针对特殊需求的有用数据。“那尊大佛的发髻都差不多掉了，我们通过数据第一次搞清了发髻的走向，将缺损部位计算了出来。”侯妙乐回忆，那一次“初出茅庐”的团队，从现代技术中推断出的结论，跟现场凭一辈子直觉经验来判断的老专家们的预估，只差了几毫米，这令大家都很兴奋。“老专家们相当于为自己的判断找到了数据支撑，我们更高兴了，原来我们做的这个东西，真的能对修复工作有帮助！”

近年来，伴随各地对文保工作的重视，实验室的技术得到更加广泛的应用。就在去年，团队负责人李爱群带领实验室通过高精度三维信息留取术、艺术价值表皮分区划分、多维数字化快速成型与制造等技术，完成了世界首例可装配3D打印超大型文物等比例复制工程——山西大同云冈石窟第十八窟原比例、高精度复制。

作为云冈石窟中规模最大、最复杂、艺术价值极高的一窟，云冈第十八窟整体高度近20米。而实验室相当于用“3D打印”复制了一座，这意味着云冈石窟的展示不再受限于地理位置，更多的人将能领略到云冈石窟的震撼魅力。