睢祎平，张 磊，乔 栋，许 琳

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003）

焦山石窟寺位于山西省大同市城西高山镇十里河北边的山坡上，距离市中心约33km，迄今已有1600年左右的历史。该建筑呈阶梯式，是一座窟寺结合的寺院，内有焦山寺石窟。底层是窑洞，二层是寺院中心，正面九洞三殿，东西各有禅房，山门与东禅房并列，上层是北魏晚期窟龛，至高点处建有六角砖塔明塔。其地层岩性较为常见，所属区域为黄土半掩区，基岩仅出露于沟谷两侧；其地层结构较为典型，属中生代中侏罗纪统上部和第四系中上部地层。同时石窟的地质构造复杂，存在褶皱与断层。焦山寺部分石窟内还存有佛像，且大都保存完好，具有重要的历史文化价值和保护意义。石窟文物由于其体量及不可移动性，大多处于露天或半露天的保存状态，受外部各种因素的影响以及与周边环境不断交互作用下，文物的劣化情况愈发严重。焦山寺石窟在不同因素的影响下，已出现程度不均的不同类型的病害，这些病害对其结构稳定性以及本身的安全性构成了较大威胁。焦山寺石窟作为省级重点保护文物，其存在是先人智慧的结晶，是中华历史的缩影，因此对其进行病害特征调查以及病害成因分析具有重要意义。

一、Matlab图像处理技术

（一）Matlab图像处理原理

Matlab图像处理就是将图像中点的灰度置为0（黑）或者255（白），使得整个图像呈现出黑白分明的效果。选取合适的阈值，对将要进行处理的图片按照亮度等级进行分级处理，最终得到可以反应图像局部和整体特征的二值化图像。[1]二值化图像处理常被用于对岩体图像的处理当中，最为显著的效果就是清晰地显示出岩体中裂隙的位置以及其严重程度。

(二)图像处理流程

进行二值化图像处理，首先进行图像分割，焦山寺石窟岩体中存在许多深度不一的裂隙，现场拍摄因缝隙的自身透光度差所以得到的图像具有明显的颜色变化特征，因此选取基于阈值的分割法。图像中大于阈值的像素点定义为0（黑），小于的部分定义为255（白）。选取的阈值会直接影响到分形维数，后者是定量描述图形复杂性和不规则性的关键指标。[2]阈值将直接影响分形维数，阈值增大，分形维数也增大。同时为确保成像质量，就要确定合理的分形维数。选取最佳阈值对图像进行二值化处理，可以清晰地反映出岩体表面的孔隙、断裂和裂隙情况以及其存在位置。[3]采用Otus法进行最佳阈值选取最为合适，针对焦山寺石窟现场拍摄的图片进行二值化图像处理流程如下（图1）。[4]

图1 图像二值化处理流程图

(三)图像处理结果

选取一个网络上较为典型的岩体图片作为演示，经过Matlab软件在设定阈值下经二值化处理后得到相应图片（图2）。根据下面两幅图的对比，二值化图像处理将图片只分为黑白两个部分，即编程中将图片只定义为0和255两部分，[5]直观地反映了该岩体中裂隙存在的位置以及裂隙的形状及严重程度。

图2 焦山寺石窟围岩图像处理结果

二、石窟图像识别及病害情况特征分析

（一）石窟外壁图像识别及分析

在焦山寺现场勘查发现此处分布层次化破损情况较为严重的危岩体，[6]对现场拍摄图片做出二值化图像处理，得到了较为清楚的危岩体破损情况（图3）。对二值化后的图片进行分析，图片中黑白分明地显示了岩体的破损情况以及破损程度。

图3 焦山寺一处危岩体二值化处理

通过对地理位置以及周遭环境的分析发现，风的吹蚀使得岩体表面工程力学强度降低，岩层被侵蚀成片状或者小块脱落，形成了许多凹凸不平的蜂窝状。[7]风蚀使得岩体表面已有的壳体脱落或处于半脱离状态，在其他外力影响下逐层脱落。由于岩体内部局部存在软弱夹层，风蚀作用使已有节理、裂隙进一步加深，不断地切割岩体，破坏其完整性，影响其稳定性，对岩体的物理和化学风化作用将改变岩体的矿物成分、结构构造，降低抗风化能力，从而影响其稳定性。[8]

周边勘查到岩体严重的破损情况，岩体中夹杂着碎石堆积群，在此前的修缮工程中，为了维护岩体的稳定性防止其发生坍塌，在岩体发生裂隙最严重的碎石群表面覆盖了一层混凝土。[9]但随着时间推移，在风蚀的常年作用下，表面覆盖的混凝土层逐渐脱落，原本被保护的岩体就会直接暴露在日照和风蚀条件下，其结构更容易被破坏，使对其整体稳定性的保护效果越来越弱，[10]当混凝土层完全脱落时，原本最为脆弱的部分更容易受到破坏，有可能导致整个岩体发生崩塌现象。

图4 焦山寺一处岩体破损二值化处理

现场勘查发现石窟墙体出现了严重的空洞与裂隙。长期的流水侵蚀导致了岩体中巨大空洞的形成。[11]石窟墙体出现空洞对其结构的稳定性造成了巨大破坏，空洞与裂隙容易导致上层石窟因负重形成塌陷，对石窟造成破坏。同时此前修补加固工作在岩石空隙中填补的混凝土已经开始逐渐脱落（图6），随时间的推移，在风蚀与雨水的长期侵袭下，岩石缝隙中的填充物逐渐脱落，这会导致石窟外壁的稳定性进一步下降，对其安全造成威胁。[12]

图5 岩体出现空洞

图6 岩体填充物流失

现场勘查发现，开凿于寺庙墙壁上半露天的佛像被侵蚀情况最为严重，部分佛相表现为形体缺失与模糊化（图7）。

图7 露天佛像风化情况图

（二）寺庙内部图像识别及分析

现场勘查发现寺庙内部的石窟存在较为严重的岩体脱落与开裂情况。裂隙发育是石窟破坏的一个重要因素，也是大多石窟普遍存在的病害形式。在窟顶发育的裂隙严重威胁到洞窟的结构稳定性（图8）。洞窟围岩发育的裂隙主要有两种，一是地质历史年代中由于构造运动而产生的构造裂隙；二是在开凿洞窟后产生的卸荷裂隙。[13]这些裂隙互相交错，将岩石割成大小不等的碎块，在外力及风化作用影响下，洞窟从外向里逐渐崩塌，区内危岩险石随处可见。[14]

图8 焦山寺内部裂隙二值化处理

调查寺庙房间内部情况发现，支撑房屋的悬挂式钢索结构对石窟本体造成了一定程度的损害，随着时间推移，当其钢索支撑出现问题时，其对石窟本身也许会造成二次伤害[15]。采用简单立柱式支撑结构可以更好地起到对房屋的支撑作用，并且会避免对石窟本体的直接损害（图9），同时采用混凝土进行缝隙灌浆，可以最大程度地保持其原有的古朴性。为保持寺庙内部阴凉且干燥的条件，寺庙房梁上装设了挡板，减少了室内石窟中佛像因长期阳光照射而形成的损害。[16]而目前观察到，这些挡板出现了破损与缺失的问题（图10）。

图9 墙壁采用悬挂结构图

图10 屋檐挡板缺失情况

现场勘查发现室内佛像也存在一定的病害情况，主要表现为佛像本体出现裂缝，以及形体出现模糊化和缺失的现象（图11）。可以在保留原有古朴性的前提下，进行适当的修补工作。[17]

图11 室内佛像病害情况图

（三）明塔及周边图像识别及分析

明塔位于焦山寺山顶制高点，为明代六角塔，三层楼阁式砖塔，砖塔通高11.29m，占地面积18.87m2。砖塔砌于山体顶部岩体上，南低北高，高差较大，砖塔所在地山风较大。塔基周边岩石常年受风侵蚀，北及北西侧风化尤为严重，局部岩石在风化剥蚀作用下脱落或坠落，岩石临空面已贴近砖塔塔基。砖塔南立面以南岩石平台风化严重，裂缝发育，雨水下渗，沿边部位岩石层层剥落。塔基周边病害分为塔基平面裂缝与塔基北侧岩石残损两部分。塔基北侧及北西侧在长时间风化及人为影响作用下形成了较大的临空面，该区域岩石风化剥性严重，岩块较为破碎，局部呈片状，临空岩壁上软弱夹层分布较多，裂缝分布面积较广。整体看，塔基北侧临空面高约164m，北西侧临空面高度大，最大高度3.3m。整个北侧及北西侧临空面裂缝发育，且相互交割，裂缝最大宽度达60cm，裂缝最大深度达11m（图12）。

图12 明塔周边情况图

该处岩体直立陡峭的临空条件易形成较强的重力卸荷作用，形成崩塌危岩；朝向临空面的卸荷裂隙与岩体中的层面、裂隙、洞窟开挖空间等交叉组合，切割成大小不等的破碎块体，造成洞窟围岩渐次崩塌，从而影响整个洞窟的稳定性。[18]在降雨、地震、风化作用及其它外部营力的作用下，使岩体强度减小、危岩与母岩连接减弱，逐渐脱离崖体，发生崩塌。崩塌是石窟的主要破坏形式之一，严重影响着窟体的完整性、稳定性及人员的安全。[19]石窟所在岩体地层产状陡倾，由于地壳抬升剥蚀，形成单斜构造的山体。受地区新构造运动影响，岩体中构造裂隙发育，与陡倾岩层的层理面相互垂直切割，导致洞窟前室围岩的垮塌。[20]同时裂隙和张开的层理面为崖面顶部大气降水渗入洞窟提供了通道，雨水渗漏直接对墙体产生破坏。危岩体的不断崩塌将会破坏洞窟形制的完整性。[21]

现场勘查发现明塔塔身还出现比较明显的缝隙，这使得明塔本身的防风防雨性能变差，使得明塔内部更易受到风化与雨水的侵袭，同时其整体结构的稳定性也会因为缝隙发育而变差（图13）。

图13 明塔塔身裂隙二值化处理

该区域病害现状主要表现为北侧临空面的岩石残损。由于塔基处于山顶，常年遭受西北风的强烈剥蚀，崖壁在风化剥蚀作用下逐渐剥落，常年累月造成北侧面岩石严重缺失。北侧临空面距离塔基条石的最小水平距离仅有13cm，且临空面软弱层局部风化形成凹陷，凹陷最大深度约43cm。如果任其持续发展，一旦岩体在持续风化作用下发生变形，极有可能造成北侧塔基失稳。

焦山寺石窟的北侧崖体临空面较大，风化作用显著。洞窟赋存崖面沿岩层层间裂隙风化严重，且砾岩、砂岩、泥岩差异风化明显，导致崖体破碎，凹凸不平，多处局部呈板状悬空凸出，下部失去支撑，形成小型块状、板状的悬臂式危岩，在外力持续影响下，可能发生倾倒、坠落等破坏。危岩崩塌后露出的新崖面继续遭受风化作用，形成逐层向后发展的溯源崩塌，向深部蚕食岩体，严重影响洞窟稳定性。[22]

图3-16 明塔北侧病害情况图

三、焦山寺石窟病害原因归纳分析

经过对焦山寺石窟的现场勘查，以及将所拍摄图片根据所选的合适阈值进行二值化处理并加以分析得出，石窟目前存在的病害特征有诸多诱因，归纳总结可主要分为如下几个因素。

地形因素：焦山寺南侧为河谷，东西侧均为冲沟，北侧为延伸山梁，整体呈中间高，三边低。独特的地形造就了焦山寺大面积山体均为陡崖，现坡度大部分均在60°以上，临空面积大，致使临崖岩体具有独特的应力特征，为裂缝的发育及岩体的残损形成提供了天然的地形条件。

地层因素：焦山寺工作范围内地层岩性主要为侏罗系云冈组地层，该区域主要为粉砂岩、砂岩，夹有砂质泥岩软弱层及交错的层理面且夹有很多铁质脉体或其他结核。第一，砂岩岩层特有的风化差异性再加之地形因素，会在岩体周边形成诸多倾斜节理裂隙或卸荷裂隙，为危岩体的形成提供条件。第二，砂岩中众多的交错层理及软弱面，在长时间风化作用下易沿着软弱面形成凹腔或致使岩体悬空，致使上部岩体应力状态发生变化，长时间作用下易形成向临空面的倾倒或坠落式崩塌。

构造因素：在漫长的地质历史中，受区域地质构造作用的影响，产生了许多结构性的裂隙，不同方向、不同性质的结构面相互切割，将原本完整的岩石切割成柱状、块体等不同形状，特别是靠近临空面的结构裂隙，控制了危岩体的形成。

围岩应力因素：洞窟开凿致使窟内围岩应力发生变化，导致局部应力集中，由于洞窟周边岩石存在节理裂隙及软弱不连续结构面，围岩应力的重分布乃局部应力的集中极有可能使洞窟顶或者窟壁沿节理裂隙或软弱结构面产生冒顶或结构失稳。[23]

风化因素：焦山寺石窟的开凿基本都是沿着软弱结构面或结构裂隙为边界进行开凿，窟壁岩石本身具有脆弱性及不均匀性，在长时间风化作用下易产生表面呈粉尘状脱落或表面酥碱；另外，由于岩石的风化差异性，致使窟壁产生很多风化裂隙，该类风化裂隙发育深度较浅，但其交互性强，相互交割将窟壁岩石分割成片状或板状，极易形成病害残损。

雨水因素：工作区内裂隙发育且缺少排水设施，任雨季降水大量渗入节理裂隙中，充填物或软弱层在长时间浸润作用下抗碱强度及侧向摩擦力均降低，导致岩石的应力状态发生直接变化，同时在可能产生的静水压力作用下，可能造成危岩体的失稳及裂缝进一步发育扩张，会进一步加剧窟内裂缝的发育，对片帮、酥碱、开裂等病害会起到推波助澜的作用。

地震因素：地震作用对石窟的影响主要为对原生结构裂隙的影响，地震会促使原有裂缝或不连续结构面规模扩大及在原有软弱结构面周边产生新的裂隙，并且地震会降低结构面的抗压能力。

人工因素：由于洞窟原有佛像风化消失或其他因素，早年当地相关部门或机构为了发展旅游事业，对焦山寺石窟进行过几次修缮，但是由于早年修复工程的不规范，某种程度上在修缮过程中对窟壁局部造成了二次损坏，另外在修缮过程中现代材料的使用也对洞窟造成了一些影响。[24]

结语

基于二值化图像处理技术对焦山寺石窟现场拍摄的图片进行二值化处理，经过处理后的图片可以直观地看到岩体中裂隙的位置以及裂隙的严重程度，达到了对复杂图片进行处理的技术要求。

对焦山寺石窟现场的勘探结果进行归纳分析，得出以下结论。目前石窟存在的主要病害包括风化，渗水，脱落，存在危岩体，人为非科学修复等。[25]

焦山寺石窟作为省级保护文物，具有重要的历史文化价值，对石窟现场勘查，归纳分析石窟的病害情况及诱因，对症下药才能做到对文物的有效保护。