睢祎平，張 磊，喬 棟，許 琳

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003；2.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西 大同 037003）

焦山石窟寺位于山西省大同市城西高山鎮(zhèn)十里河北邊的山坡上，距離市中心約33km，迄今已有1600年左右的歷史。該建筑呈階梯式，是一座窟寺結合的寺院，內有焦山寺石窟。底層是窯洞，二層是寺院中心，正面九洞三殿，東西各有禪房，山門與東禪房并列，上層是北魏晚期窟龕，至高點處建有六角磚塔明塔。其地層巖性較為常見，所屬區(qū)域為黃土半掩區(qū)，基巖僅出露于溝谷兩側；其地層結構較為典型，屬中生代中侏羅紀統上部和第四系中上部地層。同時石窟的地質構造復雜，存在褶皺與斷層。焦山寺部分石窟內還存有佛像，且大都保存完好，具有重要的歷史文化價值和保護意義。石窟文物由于其體量及不可移動性，大多處于露天或半露天的保存狀態(tài)，受外部各種因素的影響以及與周邊環(huán)境不斷交互作用下，文物的劣化情況愈發(fā)嚴重。焦山寺石窟在不同因素的影響下，已出現程度不均的不同類型的病害，這些病害對其結構穩(wěn)定性以及本身的安全性構成了較大威脅。焦山寺石窟作為省級重點保護文物，其存在是先人智慧的結晶，是中華歷史的縮影，因此對其進行病害特征調查以及病害成因分析具有重要意義。

一、Matlab圖像處理技術

（一）Matlab圖像處理原理

Matlab圖像處理就是將圖像中點的灰度置為0（黑）或者255（白），使得整個圖像呈現出黑白分明的效果。選取合適的閾值，對將要進行處理的圖片按照亮度等級進行分級處理，最終得到可以反應圖像局部和整體特征的二值化圖像。[1]二值化圖像處理常被用于對巖體圖像的處理當中，最為顯著的效果就是清晰地顯示出巖體中裂隙的位置以及其嚴重程度。

(二)圖像處理流程

進行二值化圖像處理，首先進行圖像分割，焦山寺石窟巖體中存在許多深度不一的裂隙，現場拍攝因縫隙的自身透光度差所以得到的圖像具有明顯的顏色變化特征，因此選取基于閾值的分割法。圖像中大于閾值的像素點定義為0（黑），小于的部分定義為255（白）。選取的閾值會直接影響到分形維數，后者是定量描述圖形復雜性和不規(guī)則性的關鍵指標。[2]閾值將直接影響分形維數，閾值增大，分形維數也增大。同時為確保成像質量，就要確定合理的分形維數。選取最佳閾值對圖像進行二值化處理，可以清晰地反映出巖體表面的孔隙、斷裂和裂隙情況以及其存在位置。[3]采用Otus法進行最佳閾值選取最為合適，針對焦山寺石窟現場拍攝的圖片進行二值化圖像處理流程如下（圖1）。[4]

圖1 圖像二值化處理流程圖

(三)圖像處理結果

選取一個網絡上較為典型的巖體圖片作為演示，經過Matlab軟件在設定閾值下經二值化處理后得到相應圖片（圖2）。根據下面兩幅圖的對比，二值化圖像處理將圖片只分為黑白兩個部分，即編程中將圖片只定義為0和255兩部分，[5]直觀地反映了該巖體中裂隙存在的位置以及裂隙的形狀及嚴重程度。

圖2 焦山寺石窟圍巖圖像處理結果

二、石窟圖像識別及病害情況特征分析

（一）石窟外壁圖像識別及分析

在焦山寺現場勘查發(fā)現此處分布層次化破損情況較為嚴重的危巖體，[6]對現場拍攝圖片做出二值化圖像處理，得到了較為清楚的危巖體破損情況（圖3）。對二值化后的圖片進行分析，圖片中黑白分明地顯示了巖體的破損情況以及破損程度。

圖3 焦山寺一處危巖體二值化處理

通過對地理位置以及周遭環(huán)境的分析發(fā)現，風的吹蝕使得巖體表面工程力學強度降低，巖層被侵蝕成片狀或者小塊脫落，形成了許多凹凸不平的蜂窩狀。[7]風蝕使得巖體表面已有的殼體脫落或處于半脫離狀態(tài)，在其他外力影響下逐層脫落。由于巖體內部局部存在軟弱夾層，風蝕作用使已有節(jié)理、裂隙進一步加深，不斷地切割巖體，破壞其完整性，影響其穩(wěn)定性，對巖體的物理和化學風化作用將改變巖體的礦物成分、結構構造，降低抗風化能力，從而影響其穩(wěn)定性。[8]

周邊勘查到巖體嚴重的破損情況，巖體中夾雜著碎石堆積群，在此前的修繕工程中，為了維護巖體的穩(wěn)定性防止其發(fā)生坍塌，在巖體發(fā)生裂隙最嚴重的碎石群表面覆蓋了一層混凝土。[9]但隨著時間推移，在風蝕的常年作用下，表面覆蓋的混凝土層逐漸脫落，原本被保護的巖體就會直接暴露在日照和風蝕條件下，其結構更容易被破壞，使對其整體穩(wěn)定性的保護效果越來越弱，[10]當混凝土層完全脫落時，原本最為脆弱的部分更容易受到破壞，有可能導致整個巖體發(fā)生崩塌現象。

圖4 焦山寺一處巖體破損二值化處理

現場勘查發(fā)現石窟墻體出現了嚴重的空洞與裂隙。長期的流水侵蝕導致了巖體中巨大空洞的形成。[11]石窟墻體出現空洞對其結構的穩(wěn)定性造成了巨大破壞，空洞與裂隙容易導致上層石窟因負重形成塌陷，對石窟造成破壞。同時此前修補加固工作在巖石空隙中填補的混凝土已經開始逐漸脫落（圖6），隨時間的推移，在風蝕與雨水的長期侵襲下，巖石縫隙中的填充物逐漸脫落，這會導致石窟外壁的穩(wěn)定性進一步下降，對其安全造成威脅。[12]

圖5 巖體出現空洞

圖6 巖體填充物流失

現場勘查發(fā)現，開鑿于寺廟墻壁上半露天的佛像被侵蝕情況最為嚴重，部分佛相表現為形體缺失與模糊化（圖7）。

圖7 露天佛像風化情況圖

（二）寺廟內部圖像識別及分析

現場勘查發(fā)現寺廟內部的石窟存在較為嚴重的巖體脫落與開裂情況。裂隙發(fā)育是石窟破壞的一個重要因素，也是大多石窟普遍存在的病害形式。在窟頂發(fā)育的裂隙嚴重威脅到洞窟的結構穩(wěn)定性（圖8）。洞窟圍巖發(fā)育的裂隙主要有兩種，一是地質歷史年代中由于構造運動而產生的構造裂隙；二是在開鑿洞窟后產生的卸荷裂隙。[13]這些裂隙互相交錯，將巖石割成大小不等的碎塊，在外力及風化作用影響下，洞窟從外向里逐漸崩塌，區(qū)內危巖險石隨處可見。[14]

圖8 焦山寺內部裂隙二值化處理

調查寺廟房間內部情況發(fā)現，支撐房屋的懸掛式鋼索結構對石窟本體造成了一定程度的損害，隨著時間推移，當其鋼索支撐出現問題時，其對石窟本身也許會造成二次傷害[15]。采用簡單立柱式支撐結構可以更好地起到對房屋的支撐作用，并且會避免對石窟本體的直接損害（圖9），同時采用混凝土進行縫隙灌漿，可以最大程度地保持其原有的古樸性。為保持寺廟內部陰涼且干燥的條件，寺廟房梁上裝設了擋板，減少了室內石窟中佛像因長期陽光照射而形成的損害。[16]而目前觀察到，這些擋板出現了破損與缺失的問題（圖10）。

圖9 墻壁采用懸掛結構圖

圖10 屋檐擋板缺失情況

現場勘查發(fā)現室內佛像也存在一定的病害情況，主要表現為佛像本體出現裂縫，以及形體出現模糊化和缺失的現象（圖11）?？梢栽诒Ａ粼泄艠阈缘那疤嵯?，進行適當的修補工作。[17]

圖11 室內佛像病害情況圖

（三）明塔及周邊圖像識別及分析

明塔位于焦山寺山頂制高點，為明代六角塔，三層樓閣式磚塔，磚塔通高11.29m，占地面積18.87m2。磚塔砌于山體頂部巖體上，南低北高，高差較大，磚塔所在地山風較大。塔基周邊巖石常年受風侵蝕，北及北西側風化尤為嚴重，局部巖石在風化剝蝕作用下脫落或墜落，巖石臨空面已貼近磚塔塔基。磚塔南立面以南巖石平臺風化嚴重，裂縫發(fā)育，雨水下滲，沿邊部位巖石層層剝落。塔基周邊病害分為塔基平面裂縫與塔基北側巖石殘損兩部分。塔基北側及北西側在長時間風化及人為影響作用下形成了較大的臨空面，該區(qū)域巖石風化剝性嚴重，巖塊較為破碎，局部呈片狀，臨空巖壁上軟弱夾層分布較多，裂縫分布面積較廣。整體看，塔基北側臨空面高約164m，北西側臨空面高度大，最大高度3.3m。整個北側及北西側臨空面裂縫發(fā)育，且相互交割，裂縫最大寬度達60cm，裂縫最大深度達11m（圖12）。

圖12 明塔周邊情況圖

該處巖體直立陡峭的臨空條件易形成較強的重力卸荷作用，形成崩塌危巖；朝向臨空面的卸荷裂隙與巖體中的層面、裂隙、洞窟開挖空間等交叉組合，切割成大小不等的破碎塊體，造成洞窟圍巖漸次崩塌，從而影響整個洞窟的穩(wěn)定性。[18]在降雨、地震、風化作用及其它外部營力的作用下，使巖體強度減小、危巖與母巖連接減弱，逐漸脫離崖體，發(fā)生崩塌。崩塌是石窟的主要破壞形式之一，嚴重影響著窟體的完整性、穩(wěn)定性及人員的安全。[19]石窟所在巖體地層產狀陡傾，由于地殼抬升剝蝕，形成單斜構造的山體。受地區(qū)新構造運動影響，巖體中構造裂隙發(fā)育，與陡傾巖層的層理面相互垂直切割，導致洞窟前室圍巖的垮塌。[20]同時裂隙和張開的層理面為崖面頂部大氣降水滲入洞窟提供了通道，雨水滲漏直接對墻體產生破壞。危巖體的不斷崩塌將會破壞洞窟形制的完整性。[21]

現場勘查發(fā)現明塔塔身還出現比較明顯的縫隙，這使得明塔本身的防風防雨性能變差，使得明塔內部更易受到風化與雨水的侵襲，同時其整體結構的穩(wěn)定性也會因為縫隙發(fā)育而變差（圖13）。

圖13 明塔塔身裂隙二值化處理

該區(qū)域病害現狀主要表現為北側臨空面的巖石殘損。由于塔基處于山頂，常年遭受西北風的強烈剝蝕，崖壁在風化剝蝕作用下逐漸剝落，常年累月造成北側面巖石嚴重缺失。北側臨空面距離塔基條石的最小水平距離僅有13cm，且臨空面軟弱層局部風化形成凹陷，凹陷最大深度約43cm。如果任其持續(xù)發(fā)展，一旦巖體在持續(xù)風化作用下發(fā)生變形，極有可能造成北側塔基失穩(wěn)。

焦山寺石窟的北側崖體臨空面較大，風化作用顯著。洞窟賦存崖面沿巖層層間裂隙風化嚴重，且礫巖、砂巖、泥巖差異風化明顯，導致崖體破碎，凹凸不平，多處局部呈板狀懸空凸出，下部失去支撐，形成小型塊狀、板狀的懸臂式危巖，在外力持續(xù)影響下，可能發(fā)生傾倒、墜落等破壞。危巖崩塌后露出的新崖面繼續(xù)遭受風化作用，形成逐層向后發(fā)展的溯源崩塌，向深部蠶食巖體，嚴重影響洞窟穩(wěn)定性。[22]

圖3-16 明塔北側病害情況圖

三、焦山寺石窟病害原因歸納分析

經過對焦山寺石窟的現場勘查，以及將所拍攝圖片根據所選的合適閾值進行二值化處理并加以分析得出，石窟目前存在的病害特征有諸多誘因，歸納總結可主要分為如下幾個因素。

地形因素：焦山寺南側為河谷，東西側均為沖溝，北側為延伸山梁，整體呈中間高，三邊低。獨特的地形造就了焦山寺大面積山體均為陡崖，現坡度大部分均在60°以上，臨空面積大，致使臨崖巖體具有獨特的應力特征，為裂縫的發(fā)育及巖體的殘損形成提供了天然的地形條件。

地層因素：焦山寺工作范圍內地層巖性主要為侏羅系云岡組地層，該區(qū)域主要為粉砂巖、砂巖，夾有砂質泥巖軟弱層及交錯的層理面且夾有很多鐵質脈體或其他結核。第一，砂巖巖層特有的風化差異性再加之地形因素，會在巖體周邊形成諸多傾斜節(jié)理裂隙或卸荷裂隙，為危巖體的形成提供條件。第二，砂巖中眾多的交錯層理及軟弱面，在長時間風化作用下易沿著軟弱面形成凹腔或致使巖體懸空，致使上部巖體應力狀態(tài)發(fā)生變化，長時間作用下易形成向臨空面的傾倒或墜落式崩塌。

構造因素：在漫長的地質歷史中，受區(qū)域地質構造作用的影響，產生了許多結構性的裂隙，不同方向、不同性質的結構面相互切割，將原本完整的巖石切割成柱狀、塊體等不同形狀，特別是靠近臨空面的結構裂隙，控制了危巖體的形成。

圍巖應力因素：洞窟開鑿致使窟內圍巖應力發(fā)生變化，導致局部應力集中，由于洞窟周邊巖石存在節(jié)理裂隙及軟弱不連續(xù)結構面，圍巖應力的重分布乃局部應力的集中極有可能使洞窟頂或者窟壁沿節(jié)理裂隙或軟弱結構面產生冒頂或結構失穩(wěn)。[23]

風化因素：焦山寺石窟的開鑿基本都是沿著軟弱結構面或結構裂隙為邊界進行開鑿，窟壁巖石本身具有脆弱性及不均勻性，在長時間風化作用下易產生表面呈粉塵狀脫落或表面酥堿；另外，由于巖石的風化差異性，致使窟壁產生很多風化裂隙，該類風化裂隙發(fā)育深度較淺，但其交互性強，相互交割將窟壁巖石分割成片狀或板狀，極易形成病害殘損。

雨水因素：工作區(qū)內裂隙發(fā)育且缺少排水設施，任雨季降水大量滲入節(jié)理裂隙中，充填物或軟弱層在長時間浸潤作用下抗堿強度及側向摩擦力均降低，導致巖石的應力狀態(tài)發(fā)生直接變化，同時在可能產生的靜水壓力作用下，可能造成危巖體的失穩(wěn)及裂縫進一步發(fā)育擴張，會進一步加劇窟內裂縫的發(fā)育，對片幫、酥堿、開裂等病害會起到推波助瀾的作用。

地震因素：地震作用對石窟的影響主要為對原生結構裂隙的影響，地震會促使原有裂縫或不連續(xù)結構面規(guī)模擴大及在原有軟弱結構面周邊產生新的裂隙，并且地震會降低結構面的抗壓能力。

人工因素：由于洞窟原有佛像風化消失或其他因素，早年當地相關部門或機構為了發(fā)展旅游事業(yè)，對焦山寺石窟進行過幾次修繕，但是由于早年修復工程的不規(guī)范，某種程度上在修繕過程中對窟壁局部造成了二次損壞，另外在修繕過程中現代材料的使用也對洞窟造成了一些影響。[24]

結語

基于二值化圖像處理技術對焦山寺石窟現場拍攝的圖片進行二值化處理，經過處理后的圖片可以直觀地看到巖體中裂隙的位置以及裂隙的嚴重程度，達到了對復雜圖片進行處理的技術要求。

對焦山寺石窟現場的勘探結果進行歸納分析，得出以下結論。目前石窟存在的主要病害包括風化，滲水，脫落，存在危巖體，人為非科學修復等。[25]

焦山寺石窟作為省級保護文物，具有重要的歷史文化價值，對石窟現場勘查，歸納分析石窟的病害情況及誘因，對癥下藥才能做到對文物的有效保護。