编者语
预防性保护代表了近些年文化遗产保护的发展方向，在可移动文物保护领域预防性保护的技术方法和体系起步更早，而对于暴露在自然及建成环境中的不可移动文物，尤其像长城这样超大型线性遗产，预防性保护面临巨大挑战。难归难，总要起步。年北京首先在怀柔尝试了“长城环境振动灾害监测”研究，通过利用“北斗+加速度计”振动监测技术，获取穿越长城道路车辆对长城的振动影响，积累一年期间长城墙体相关震动频率、变形位移等数据信息。01
研究初衷
随着现代交通体系的不断发展，各类道路穿越长城现象日益增多。车辆及自然风、雨、雪的积累效应有可能造成长城遗存的形变、位移，甚至坍塌等损伤。目前关于振动对古建筑等文化遗产的影响评估主要参考《古建筑防工业震动技术规范》，但该规范是否适用于长城，尚缺少针对性的研究和实验，缺少真实的数据积累参照与分析。本次对北京明代砖石质长城的振动监测仅仅是一个起步的、探索性工作。
工作目标：对怀柔区河防口、亓连口、二道关段被现代城市道路穿越的长城进行振动监测。监测工作基于“北斗+加速度计”振动监测技术、大数据技术，构建长城环境振动灾害云监测技术库，实时感知长城振动和形变情况，积累长城受交通及自然影响的年振动数据。从而推动北京长城保护由“被动的抢救性保护”向“主动的预防性保护”逐步转变。
图1总体技术路线图
02
设备运行
设备安装：年6月在黄花城、亓连关、河防口三处长城敌台安装了监测设备。黄花城基站1台，监测站3台；亓连关基站1台，监测站1台；河防口基站1台，监测站1台，5个监测站，编号分别为63、64、65、66、67。另外，黄花城段安装车辆视频监控系统一套。
设备运行：截至目前，黄花城设备在线运行天；亓连关设备在线天；河防口设备在线天，各设备状态良好，数据质量符合监测要求。
利用“北斗+加速度计”监测设备采集了大量的GNSS（全球导航卫星系统）数据和加速度计数据。黄花城车辆视频监控系统采集到该路段车辆通行数据约G，另外还采集到气象数据约K。通过自研的长城环境振动灾害云监测系统平台对采集到的数据进行远程实时观察及处理。
图2黄花城段长城三维影像模型
03
数据获取
本次5个监测站获取的数据可以完整分析半年内长城受到振动影响以及整体变形情况。以65、66监测站为例：
65号监测站：半年GNSS时间序列见图3，可以看出，半年内GNSS数据趋势平稳。在水平方向上，向东最大位移量为3cm，向北最大位移量为5cm；在竖直方向上，出现抬升最大位移量为10cm。半年内，65号监测站在东方向最终偏移2.0cm，北方向最终偏移2.0cm，天方向最终偏移-4.0cm。
图号监测站6个月GNSS时间序列
66号监测站：9-12月连续4个月GNSS时间序列见图4，可以看出，66号监测站存在小幅度波动。在9月末和11月末出现明显移动，但原因不明，可能是温度导致的季节性周期波动。但限于仅有4个月数据，不足以分析温度导致的季节性周期波动。在水平方向上，向东最大位移量为4cm，向北最大位移量为5cm；在竖直方向上，天向偏移最大位移量为5cm。半年内，66号监测站在东方向最终偏移1.8cm，北方向最终偏移2.0cm，天方向最终偏移3.0cm。
图号监测站4个月GNSS时间序列
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数据分析
本次尝试利用获取的数据，建立模型，初步分析了车辆和天气变化对长城的影响。
车辆影响：
车辆振动数据分析主要考虑的因素包括：监测站与道路的距离、昼夜车流量、时间段、天气因素。
分析后可以了解到，无论白天或夜晚，距离道路最近的监测站可以观测到的影响都是最大，其最大位移4.5cm，最终位移1.17cm。显然，车辆行驶对长城有影响。
数据显示12月30日14:00-15:00期间通行车辆数量最多，为辆。截取加速度值相对平缓和风速较为平稳的时间段，可以看到车辆通行振动对长城有造成一定影响。
风力影响：
根据北京市气象台发布天气预报，年2.28-3.1日有大风蓝色预警，由此选择该时段加速度计数据进行分析。可以看出，4个监测站在2.28日晚-3.1日凌晨的加速度计数据均发生大幅度变化。
选择风力最大天气，并通过分析加速度计数据与阵风之间的相关性，对风振频率和噪声频率的分离，从而分析受阵风影响的加速度计数据的时间-频率-能量多维特征，结论是风力对长城同样产生影响。
降雪影响：
为了分析降雪影响，选取较大降雪天GNSS数据和加速度计数据进行分析，降雪日期为.11.6-7日、.1.20-21日、.2.12-2.13日。
综合3个降雪时段GNSS时间序列分析，发现在降雪过程中GNSS时间序列整体变化较为平稳，未发生明显形变。但是降雪后GNSS序列均在天方向发生明显沉降趋势，表明长城敌台在降雪后受雪水融化影响，土壤中深入雪水发生轻微下沉，从而导致长城基台发生不均匀沉降。
降雨影响：
通过获取的半年内的气象环境数据，在年9月至年2月期间内降雨主要集中在9月份与10月份，因此选取了三个降雨量较段大时间段内各监测站采集到的长城变形数据作为典型进行分析。
通过数据对比可以发现，长城受降雨影响整体形变趋势较为稳定，降雨过程中，无明显偏移趋势，但在天方向呈较小的沉降趋势。降雨对长城的形变有较小影响。
水库影响：
黄花城长城段位于黄花城水库附近，由此选取无风、无雨、无雪、且同一时间段的与水库距离不同的两处监测站的数据进行对比分析。
分析发现降雨导致水库容量增加，对山体的侧压力增大，距离水库较近监测站较距离水库较远监测站的数据发生了较大的位移变化。
05
初步结论
本次尝试对半年监测数据进行分析，可作为初步的认识和参考（待监测满一年，完整的数据将会做更详细的分析）。
降雨是长期影响长城形变的因素。连续的降雨导致土壤松软，长城地基有轻微的形变。降雨天气是年久的作用，对长城形变的累积影响大于其他因素。
降雪是在冬季影响长城形变的重要因素。降雪过程中长城未发生明显形变。但是降雪后显示明显向下沉降趋势，表明受雪水融化影响，地基变化导致长城可能发生不均匀沉降。
车辆通行是影响长城形变的次要因素之一。车辆通行造成地面震动，局部加速度值增大，从而导致长城所处山体轻微振动。长时间的车辆通行可能导致长城发生轻微变形。同时，车辆振动对长城形变产生的影响与距离有关，越靠近公路，其受车辆影响越大。
风速是影响长城形变的次要因素之一。大风等极端天气不仅会影响长城的稳固性，还会对监测设备的稳定性产生一定的影响。而且不同等级的风对长城振动造成的影响也不同。但是，风速影响造成的振动对象还不明确，所以风速的影响还需要进一步的研究分析。
水库影响长城变形是人为偶发活动影响因素。黄花城长城段一座中小型水库，降雨充沛的季节，水库蓄水量增大，增大了库体对山体和长城所处地质影响，导致微小形变。
感谢北京市怀柔区文物管理所对研究项目的大力支持超链接
古北口长城红色文化探访线路方案构想
文字：刘飞崔哲柳絮李文马运涛（北京建筑大学）
图照：刘飞等
编辑：汤羽扬傅鑫博
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