承德永佑寺避暑山莊后序碑紅外熱像

周 霄，付永海，李 黎

（中國文化遺產研究院，北京 100029）

承德永佑寺位于避暑山莊東北角，萬樹園東側，建于乾隆十六年（1751年），是避暑山莊內九處寺廟之中規模最大的一處。它坐北朝南，沿中軸線依次排列山門、牌坊、天王殿、正殿、后殿、舍利塔及御容樓等建筑。現永佑寺除舍利塔及四座石碑外均已無存［1］。其中避暑山莊后序碑正對山門，受關注程度最高。該碑立于乾隆四十七年（1782年），主要材質為鸚鵡巖。2013年2月開始，中國文化遺產研究院對永佑寺內現存石質文物病害狀況進行全面調查評估。發現避暑山莊后序碑馱碑赑屃西側尾部存在較大開口裂隙，這可能對石碑的穩定性造成影響。為了對裂隙狀況進行了解，先后采用了內窺鏡、超聲波檢測法進行檢測，由于赑屃裂隙走向復雜，故現有的內窺鏡技術很難對裂隙做出全面評價。同時由于赑屃外部形狀不規則，超聲波檢測技術雖然對其取得了檢測結果，但是數據的解析較困難，結果的可靠性無法判斷，因此需要引入別的檢測方法進行驗證。

紅外熱像檢測是基于物體的熱輻射性，通過記錄或觀察試件表面缺陷和基體材料不同的熱特性所引起的溫度變化，利用表面溫度場分布來獲取研究對象缺陷信息的一種檢測方法［2］。將紅外熱像技術用于文物病害的探測在國外已有30多年的歷史，主要用于古建筑健康狀況和病害檢測，壁畫墻體的空鼓病害檢測、文物不同部分的濕度檢測、文物結構和保存狀態的檢測等［3－4］。國內文物保護領域也有多家單位將紅外熱像技術運用在病害探測和修復保護效果評價方面，如西安文保中心利用紅外熱像技術檢測大足石刻千手觀音凝結水的分布狀況［5］；敦煌研究院使用探地雷達結合紅外熱像技術對西藏壁畫和敦煌石窟壁畫進行過空鼓探測［6］。中國文化遺產研究院也在布達拉宮西印經院、大昭寺及扎塘寺壁畫病害調查中使用紅外熱像技術進行過空鼓缺陷檢測的嘗試；花山巖畫最初的病害調查中也使用了紅外熱像儀［7］。但是，目前將紅外熱像技術應用到文物病害探測的研究實例大都是做某一時刻溫度分布的直觀比較，對文物表面溫度進行全天監測和動態分析的研究方面的報道，迄今為止在國內外還沒有，筆者借助24h溫度場變化圖像，對赑屃內部裂隙及水份進行分析。

1 測試目的

永佑寺避暑山莊后序碑馱碑赑屃西側尾部存在較大開口裂隙，可能對石碑的穩定性造成影響。由于赑屃形狀不規則而且體積巨大，目前的技術很難直接測試裂隙在赑屃內部的走向及深度。由于石材的熱傳導系數小，待測對象體積巨大，常規的即時紅外熱像檢測無法反應內部裂隙的影響。因此采用紅外熱像儀對其進行監測，借助24h內溫度場變化圖像，對赑屃內部裂隙及水份影響進行分析，如圖1～3所示。

圖1 永佑寺避暑山莊后序碑西側熱像圖

圖2 永佑寺避暑山莊后序碑東側外觀

圖3 永佑寺避暑山莊后序碑東側熱像圖

2 測試儀器及方法

測試采用德國Infra Tec紅外熱像儀，每6min采集一張熱像圖，連續采集240 張。測試時間從2013年11 月01 日17：00 到2014 年11 月02 日17：00，經歷自然環境的升溫和降溫過程。其中起始測量氣溫為9.2℃，截至測量氣溫為10.4℃，極端最低氣溫－2.3℃，極端最高氣溫10.4℃。測試時間前15日內無降水，空氣濕度在10%～20%之間。

3 測試結果分析

3.1 水份影響分析

從2013年11月01日17：10分拍攝的碑西側熱像圖中可以看出，后序碑西側整體溫度場分布基本依照自然規律，從南到北溫度逐漸降低；對應可見光圖像可以看出，溫度異常部分主要是由于雕刻、陰影、植被等因素的影響。基座部分無低溫異常區，因此可以推測整個雕刻西側基本不受地下水影響。

從2013年11月01日17：30分拍攝的碑東側熱像圖3可以看出，碑體已經基本達到熱平衡，呈現南北兩側溫度偏低，中間部分溫度稍高的狀態。整體赑屃的溫度分布也基本平衡，圖3中的溫度異常區基本都是由于雕刻部分凸起所導致的高溫區，和青苔、石材破損處所導致的低溫區，只是在圖3的圓圈內有低溫異常區。其位置對應圖4 中的標注位置。在可見光圖片中可以看出標注位置覆蓋有少量深灰色物質，現場踏勘表明該處無異常物質，略有潮濕。經分析考慮，由于該位置離基座較近，判斷可能受地下毛細水上升作用的影響。

圖4 永佑寺避暑山莊后序碑東側北部細節圖片

3.2 赑屃內部裂隙分析

對赑屃內部進行紅外熱像檢測，檢測結果如圖5所示，各標識點溫度為：P1為3.15°C，P2為3.36°C，P3為4.60°C，P4為3.62°C，P5為3.02°C，P6為3.19°C，P7為3.64°C，P8為3.11°C，P9為3.30°C。

圖5 永佑寺避暑山莊后序碑西側熱像圖

從圖6中可以看出，赑屃尾部有一明顯低溫區，對應可見光圖片可以看出，該低溫區是由于赑屃尾部的裂隙造成的。該熱像圖采集時間為早9點，整個雕像剛剛經歷了一個夜晚的降溫過程，已經與周圍環境達到熱平衡。該裂隙位于雕像西側，基本不受陽光影響，因此從圖5中可以看出整個熱像圖溫度基本均勻。整個低溫區沿著開口裂隙擴展，影響區域較大。從圖5 中可以看出，P1、P2和P3基本位于同一水平線上，P4位于開口裂隙下方。以降溫過程作為分析依據，主要是因為升溫過程受陽光入射角度影響，受熱不均勻。而從上午5：00之后溫度曲線進入升溫過程。從圖6 的各個標識點時間－溫度分布曲線上可以看出，降溫過程中降溫速率k呈現如下規律：

kP1＞kP2＞kP3且kP3≈kP4，P3處已經是正常部位，這說明開口裂隙的下方已經基本不受影響，整個裂隙并未向下延伸。P1附近有開口裂隙，所以散熱快，降溫的速率就快；P2處的降溫速率比P1略小又大于P3及P4處，說明P2處也受開口裂隙的影響，但是P2處的石材要厚于P1處，所以降溫速率要小于P1處，從表面來看P2到開口裂隙的距離要大于P1，因此kP1應該明顯大kP2，而目前只是略大，因此推測開口裂隙在內部向東南部發展。

圖6 P1、P2、P3、P4標識點降溫過程時間－溫度分布曲線

圖7 P3、P4、P5、P6、P7標識點降溫過程時間－溫度分布曲線

從圖5中可以看出，P8和P9基本位于同一水平線上，P4位于開口裂隙下方和P7位于同一水平線。從圖7的各個標識點時間－溫度分布曲線上可以看出，降溫過程中降溫速率k呈現如下規律：kP5≈kP6＞kP3且kP3≈kP4≈kP7，P3處已經是正常部位，這說明開口裂隙的下方即P7、P4處已經基本不受影響，整個裂隙并未向下延伸。P5與P6受裂隙的影響基本相當，但是P6處的石材要厚于P5處，因此推測開口裂隙在內部向P6處發展即東南部發展。

從圖5中可以看出，P8和P9基本位于同一水平線上，P4位于開口裂隙下方和P7位于同一水平線。從圖8的各個標識點時間－溫度分布曲線上可以看出，降溫過程中降溫速率k呈現如下規律：kP9＞kP8＞kP3且kP3≈kP4≈kP7，P3處已經是正常部位，這說明開口裂隙的下方即P7、P4處已經基本不受影響，整個裂隙并未向下延伸。P9處受裂隙的影響大于P8，因此推測開口裂隙在內部向P8處發展即東南部發展。

圖8 P3、P4、P7、P8、P9標識點降溫過程時間－溫度分布曲線

4 結論

（1）永佑寺避暑山莊后序碑馱碑赑屃西側不受地下毛細水影響，東側北部下方有毛細水影響的跡象。

（2）由于熱擴散的作用，內部裂紋的影響在表面會衰減；所以紅外熱像技術很難精確測量內部的走向及深度，只能定性地測量出裂縫在內部的走向。按照目前的數據分析馱碑赑屃西側尾部開口裂隙在內部向東南部發展，基本不向下發展。因此該裂隙不會對碑體的穩定性造成影響。

［1］陳長文，金開誠.承德避暑山莊與外八廟［M］.長春：吉林文史出版社，2010：35－36.

［2］李國華，吳立新，吳淼，等.紅外熱像技術及其應用的研究進展［J］.紅外與激光工程，2004（6）：227－231.

［3］GRINZATO E，BISON P G，MARINETTI S.Monitoring of ancient buildings by the thermal method［J］.Journal of Cultural Heritage，2002（3）：21－29.

［4］AVDELIDIS N P，MOROPOULOU A，THEOULAKIS P.Detection of water deposits and movement in porous materials by infrared imaging［J］.Infrared Physics，2003（44）：183－190.

［5］蘇美亮，方云，周偉強，等.千手觀音凝結水的紅外熱成像檢測技術［J］.物探與化探.2013（4）：295－300.

［6］汪萬福，趙林毅，楊濤，等.西藏古建筑空鼓病害壁畫灌漿加固效果初步檢測［J］.巖石力學與工程學報，2009（2）：3776－3780.

［7］吳育華，劉善軍.巖畫病害的紅外熱成像檢測技術初探［J］.文物保護與考古科學，2010（5）：12－16.