長城色彩折射的建造技藝、管理制度與民族智慧

李哲 張夢迪 伍小敏 拓曉龍 李嚴

關鍵詞：長城；建筑色彩；色彩地圖；人工智能；地域性材料

一、研究背景及問題

（一）長城色彩認知現狀

色彩是建筑領域中一個重要的視覺表達因子，可直接反映民族的文化內涵和藝術情感。首次視物，人類80%的注意力會被其色彩所吸引，因此色彩也被稱為人類的第一“視覺”[1]。中國傳統建筑格外重視色彩的表達藝術，以“傳統建筑、歷史建筑、古建筑”和“色彩、顏色、色調”等關鍵詞為主題在中國知網上檢索，可得到1800余條文獻。使用CiteSpace進行關鍵詞聚類分析可知，彩畫[2]、油漆色彩、歷史建筑色彩[3]等是當前傳統建筑色彩研究的重點（圖1）。將前者檢索詞換成“長城”則僅得到3條文獻，且并非討論長城本身的色彩。

“長城灰”作為冬、夏北京奧運會色彩符號之一，折射出的是公眾視野下長城本體材料色彩的單調；景區展示和旅游宣傳通常借用光線色溫變化或周圍自然景觀色彩來豐富長城色彩的表達。古代城池遺產亦是如此，城墻墻體多為青磚，色彩組成單一，只能作為“灰色背景板”，依托多種植物營造富彩環境。如南京明城墻，多以城墻灰為底色，探討植物等環境景觀色彩搭配方式[4]。

與古代城池不同的是，長城跨越中國北方廣大地理范圍、使用的地域性材料種類多樣，各地石料的天然色彩差異顯著，如此不應該只有“長城灰”一種色調；況且即使建造之初表面裝飾如抹灰也很難保存下來并構成景觀要素。目前僅在敦煌馬圈灣漢長城烽燧考古中發現極少量白、紅、藍粉刷顏色[5]，絕大多數長城為清水墻無飾面。

綜上，本文以石料色彩調查為突破口，以保存狀況最好的明長城為對象，進行長城全線的色彩調查與統計量化。

（二）長城色彩相關研究及問題

1.長城色彩及材料研究現狀

對長城的研究主要是從防御體系、軍事工程、建造技術等歷史文化科學價值入手，對其藝術價值則主要是對石刻樣式[6]、磚雕、碑刻風格[7]，或邊堡壁畫的研究[8]，對長城本體的藝術，尤其色彩藝術很少涉及。

針對長城石質材料的調查大多限于地質視角對成分的分析，如《長城志》中總結的砂巖質和青石質[9]，薛程認為歷代石砌長城主要由花崗巖、石灰巖、砂巖、頁巖和板巖組成[10]。對于石材色彩，僅有針對局部區段的研究，如對撫寧地區單個空心敵樓的紅色花崗巖條石描述性記錄[11]、秦皇島紅山采石場與重峪口長城石材之間的關聯[12]，缺少明長城全線色彩統計與內涵價值挖掘。

2.長城色彩研究的瓶頸

綜合相關文獻，發現明長城色彩特征尚待挖掘的主要原因：

（1）歷史文獻記錄不全。古籍、輿圖中對于長城建造形制的記載多是對其功能尺寸的描述。《明長城薊鎮圖》僅有底部條石基礎、中間磚塊砌筑、頂部鋪房的圖樣記錄（圖3），并未記錄色彩。《邊城御虜圖說》有記錄長城上青色磚墻和紅色箭窗，但缺少各個細部的色彩組成和全線大范圍的記錄結果。

（2）實測數據匱乏。明長城人工墻體6259.6千米，要形成全線的量化統計，需要全線連續實拍圖像作為支撐，這是難以量化全線色彩的數據瓶頸。

為此，本文借助無人機和圖像類人工智能手段，建立了一種圖像采集和主色調自動提取的方法，解決崎嶇地形下長城圖像數據獲取和海量圖像的信息挖掘問題；并對明長城全線開展調查，獲取全線色彩分布情況并嘗試歸納基于色彩的石料搭配使用方式；基于材料成分還原選料、運料的歷史場景；結合史料挖掘長城工程質量標準與建設意圖。

二、明長城全線圖像采集及色彩統計方法

（一）明長城全線圖像與三維數據庫

使用無人機沿長城線逐段超低空慢速飛行（約15～25公里/小時），在30～50米相對高度從長城頂部及內側、外側三個方向拍攝，獲得重疊率不低于70%的連續高清圖像集（分辨率為厘米級），再利用攝影測量軟件將圖像轉化為三維數據，實現墻體（包括樓、臺）本身與內、外側微地形的三維測量；在此基礎上，引入人工智能技術實現對海量圖像的智能目標識別、篩選、分類、檢索。目前已覆蓋約5500公里主要墻體遺存段，200萬張照片總存儲容量約15TB，明長城墻體保存相對完整的區段目前均已納入覆蓋范圍。

（二）色彩自動提取方法

目前在計算機圖像領域，通常使用K-means聚類算法批量提取整幅圖像的主色調，用以快速統計某一地區的建筑色彩[13]。但該方法無法區分建筑與環境、材料與材料間的色彩差異，因而本文借助深度學習中的語義分割算法，嘗試劃分明長城上不同材質區域，實現針對性提取主色調任務。

首先，需要建立長城上不同材質的語義分割模型。本文隨機選取了350張含有長城空心敵樓及墻體的圖像，用LabelMe②軟件標記出不同材料的位置，再使用平移、左右翻轉、對比度亮度隨機調整等方法，將圖像擴充至5～6倍，用改進的MaskR-CNN網絡架構③，選取ResNet50為網絡骨干，在4個GPU（NVIDIA 2080Ti）上進行了80個epoch訓練，最終得到了精度（AP）為82%的模型，過濾周邊環境的同時實現對長城圖像按材質劃分。

之后，基于材質分割結果，再用K-means算法提取出不同區域的主色調。下面以條石為例進行說明，將分割出來條石圖像的顏色空間由RGB格式轉換成HSV格式④，然后用K-means算法提取出色彩聚類中心，即為該條石的主色調（圖4）。該方法還可以提取出磚、毛石等的主色調。

用該方法對全線圖像處理，并關聯無人機拍攝圖像時寫入的經緯度信息，可得到明長城全線色彩分布概貌（圖5），為獲取更為精準的色彩統計結果，還需要二次采集圖像并校色處理。

（三）對重點地段二次采集圖像數據

從全線色彩分布圖中選取具有代表性的色彩段，采用精細化攝影測量進行二次調研測繪。對于人員可以直接到達的位置，可以手持校色板、用無人機拍攝；對于人員難以直接到達的崎嶇地段，借用無人機懸掛校色板并多機互拍，實現免攀爬張貼校色板并采集圖像。經內業校色處理后得到消減日光色溫干擾的圖像。

三、明長城全線色彩調查結果

（一）全線色彩分布結果

從全線色彩分布圖可看出：長城大多數區段色彩微差，但在石砌長城區段（包括上磚下石的磚墻段）色彩是很豐富的，在河北、北京、甘肅地區尤其富彩。此外，敵樓與墻體作為長城的最主要建筑物，兩者相比墻體的石材色彩更豐富，而空心敵樓的石材色彩更統一。

（二）典型色彩搭配方式結果

針對全線最富彩的墻體段和敵樓建筑，呈現帶有校色處理的二次精細采集成果。按照不同色彩搭配方式可分為以下四個大類（圖6）：

（1）單色搭配

單色除運用在某一建筑條石基礎外，還會通體砌筑單色條石；或所有石質元素（基礎與細部構件）、或敵樓與墻體使用同一種顏色。劉家口段長城還存在幾座敵臺連續使用同質同色的條石基礎。

（2）雙色搭配

雙色搭配常見的為紅白或黃白組合。搭配方式可分三種：相鄰單體建筑之間異色（比如馬面和敵樓異色），墻體與敵樓異色；單體建筑表現垂直方向上，條石基礎以上的石質構件色彩統一，與基礎異色；水平方向上條石基礎內外異色，形成圍合感。

（3）多色搭配

多色搭配中較常見的為“虎皮墻”形式，比如北京石匣鎮西側條石拼花的敵樓及墻體基礎，甘肅段多種深色毛石砌筑的彩色墻體。全線唯一的多色特例是河北撫平平頂峪村3號敵臺，條石基礎為深藍灰—粉紅—藍灰—白的四色搭配，其中以藍灰色作為主色，形成疊色（圖7）。

（4）飽和度褪暈

飽和度褪暈其實是多色搭配的一種特殊形式。在不同種類色彩石料的交接點上，若采用生硬分界、色彩突兀轉折，則表觀效果折扣。于是有些區段的工匠會采用“褪暈”的做法，將兩種色彩的石料通過逐塊篩選、逐漸過渡的辦法，達到非常自然的色彩交接效果。例如平頂峪長城墻體砌筑，就是將原本紅、藍色彩飽和的石材組合鮮艷墻體，通過逐漸使用較為不飽和的紅、藍石塊，過渡到暖灰色單一石墻，達到有序過渡的褪暈效果，在暖灰色墻體段則沒有一塊紅/藍飽和石料。如果在建造之初沒有特意做過材料色彩篩選，很難達到此種統一的色彩秩序，體現了古人在營造長城時對彩色石材的嫻熟選用以及細膩處理。

四、明長城建筑色彩成因與色彩搭配方式蘊含的價值

（一）地域性材料賦存奠定彩色長城資源基礎

傳統建筑多為就地取材。長城橫跨整個中國北方的廣袤國土，研究長城石料色彩也是對各地巖石豐富種類的揭示。通過將富彩石材樣本加工成厚0.3毫米的透光切片并在電子顯微鏡下觀察（圖8），可以確定石材的種類、晶體結構等信息。發現越是“富彩”段的長城使用的石材種類也更多，均涵蓋了沉積巖、巖漿巖、變質巖三大巖石類型，折射出所在地區的豐富地質運動。最為富彩的平頂峪長城就得益于秦皇島柳江盆地遠古時曾發生的大規模巖漿侵入活動[14]。

進一步分類統計可知，空心敵樓的石墻裙多使用色調一致且均為細粒等粒結構的沉積巖；雜色拼花的墻體上多使用斑狀非等粒結構的巖漿巖。由于后者內部縫隙大，加工過程易崩解，且前者細粒等粒結構強度也高于后者[15]，外觀也更細膩，因而推測古人已掌握了材料物性，并有意識篩選高質量沉積巖精細加工為條石，應用于造型更復雜、要求更高的敵樓，將不易加工的石材粗制為毛石應用于拼花墻體。

從成色原因看，石料色彩與不同金屬離子價態及含量具有耦合關系。通過將富彩石材樣本研磨成粉末并做X射線光譜分析，鑒別其中的顯色成分，例如最為多見的深紅色敵樓石材為砂質白云巖，因含赤鐵礦而顯深紅色；淺肉紅色的石材為含鉀長石的長石砂巖；白色、灰色、藍灰色敵樓所用石材皆為石灰巖，因含有不同程度的白云石（含鈣鎂）、石墨（含碳）等而明暗不同（圖9）。

（二）歷史學角度下的彩色長城成因

1.邊墻等級標準奠定彩色墻體基礎

根據長城碑刻記載[16]，明朝將墻體分列三等：一等以方整條石為基礎，墻內外兩側用磚或條石砌筑；二等外側用磚或條石砌筑，內側用毛石砌筑虎皮石墻面；三等內外兩側均用毛石砌筑虎皮石墻面。嚴格的分級標準，明確條石、毛石的使用場合，進而形成了彩色斑斕的“虎皮墻”和色彩統一、尺度規整的條石段墻體。

隨著長城全線圖像采集從明代擴展到漢代、北朝、唐代等更多朝代，從明長城沿線外延到遠及新疆、內蒙古等地，各朝代長城越來越多的雜色拼花“虎皮墻”被發現，證明雜色拼花其實是自古一貫傳承的做法，并非明代獨創，也并非鮮見。比如內蒙古額濟納旗的漢代烽燧，其表皮存在各色混雜的石材（圖10），只有此時的烽燧尚無有意識的色彩規劃手段，遠不及明長城色彩搭配手法之豐富。

從石材使用的量化情況也能看出純色敵樓建設之艱辛。按實測條石數據的中位數（長1米、寬0.35米、高0.25米）和參考文獻[10]中考證的條石最小重量（2300千克/每立方米）計算，以平頂峪村3號敵臺為例，底部條石基礎長12.5米、寬10.2米、高3米，僅表皮就需要528塊條石、至少152噸石料。而古人需要人工肩扛運送石料至敵臺所處的山脊處，建造非常艱難。且純色石料應是在滿足石料無裂縫隱殘的基本需求之上二次挑選而來，可見古人對于長城敵樓建造藝術性的追求。

2.戚繼光、譚綸將敵樓色彩藝術推向巔峰

明中期，譚綸曾上奏“舊日，墩臺石不加斫，甃不用磚，灌不用灰”[17]，指出長城以往修建方式粗糙。在戚繼光創制空心敵臺后，為提升敵臺建造質量，譚綸制定分級嘉獎手段：“從公查驗，定其（敵臺）極于工致者，列為上上等，加給犒賞銀五十兩，次為上等，加給犒賞銀四十兩，次為中等”[18]。高額的獎賞誘惑下，將士與工匠開始追求樣式的精美度，“乃不期諸將一聞列等，競求壯麗，礱石磨磚”[19]，最終長城“制作久而彌精，心思熟而愈巧，高堅宏麗”[20]。軍事史料與長城遺存的色彩統計結果相互印證，揭示了明朝將領對邊墻高標準追求和其在“彩色”長城建設中起到的推動性作用。正因為“高堅宏麗”的工程質量評價標準，才造就古代軍事工程在材料色彩方面的巔峰水平。

3.“以色立威”是根本目的

軍事工程的“麗”并非僅為了好看?？招臄硺谴蠖嘟ㄔ陂L城內外交通要道的兩側山脊之上，規整的純色石材遠處即可觀望，色彩便成為尺度之外第二建設重點。高大壯麗、顏色有序的建筑居高臨下，可彰顯極致的工程質量、背后不可撼動的國力，起到震懾潛在敵人的目的，防止“虜人得志，蔑視我邊墻為不足畏，連年聚眾拆入”[21]。

（三）明長城色彩及搭配方式蘊含的價值

基于量化長城色彩、歸納搭配手法、推測成因的研究結果，可發現色彩所蘊含的長城若干價值：

（1）從色彩統計結果：明長城全線存在多種色彩，且有色彩恢宏的“富彩”段，彰顯了中國古代軍事工程充分利用材料原真性色彩的裝飾理念，體現了長城色彩差異性與豐富性。

（2）從色彩搭配方式：群體到細部多層級色彩統一和諧是長城色彩藝術的基本訴求。彩色石材選擇性運用與有規律排布說明了古人以最高效費比達到了最佳藝術效果，充分反映了古人的美學素養和高超的營造智慧。

（3）從色彩成因：石材地域性賦存是“彩色”長城的客觀條件，明朝彰顯帝國實力、震懾止戰的現實需求則是“彩色”長城的驅動因素，色彩所揭示的歷史場景不僅體現了明代將領嚴謹治軍精神，也反映了勞動者強大的創造力和建造水平。

五、結語

基于無人機低空采集和深度學習技術，首次繪制“長城色彩地圖”、量化長城全線多彩屬性和地理分布特征，首次揭示出長城的材料多彩特征。

深入分析石料色彩在組合、過渡、篩選中蘊含的秩序，通過數千公里的實物遺存調查和跨地域比對，嘗試回溯長城建造的歷史場景、探求古代工匠在色彩層面的施用法則和藝術追求、長城建造主管將官制定質量標準、獎勵體系的良苦用心和實際意義，破解“高堅宏麗”標準中最后一字的真實含義，從而串聯了從管理到實施層面的證據，證明空心敵樓的色彩藝術達到古代軍事工程的巔峰水平。

對長城材料色彩的研究填補了這一世界文化遺產的缺環，以期扭轉“長城灰”的固有認知，進一步增強長城的公眾魅力。

在遺產本體研究、保護和展示層面，此種研究方法也可為長城建造制度、營造工藝、材料構成等研究所借鑒；獲得的彩色長城相關石料樣本也可整飭后用于博物館展示（圖11），以“彩石”代全線墻體，濃縮長城的藝術精華。

石材色彩調查只是后續深入研究的開端，未來以材料的藝術或理化屬性入手，可繼續加深長城學與歷史學、地質學的緊密關聯，在當前長城國家文化公園建設的大背景下，增強各地長城的地理標識作用，將長城深層融入大地景觀，挖掘未開發長城段的游覽潛力、突顯長城串聯我國北方各地山川景區的環境線索價值、游覽潛力。