3D激光扫描，可以帮巴黎圣母院恢复原貌吗?

巴黎圣母院3D激光扫描数据模型

文/陈璐

林赛·库克（Lindsay Cook）度过了疯狂的两周。4月15日巴黎圣母院大火开始蔓延后，一则推特迅速在网络上传播开。这条消息声称美国瓦萨学院的建筑历史学家安德鲁·塔隆（Andrew Tallon）生前使用激光扫描仪扫描了整座教堂的内部和外部结构，这将使巴黎圣母院永远在数字世界中得以完好保存，并且有助于其修复重建。

不幸的是，塔隆已在2018年11月因患脑瘤去世，作为他的同事、学生，这个项目的另一位重要负责人库克，便成为各方关注和询问的对象。大家都很关心，这些激光扫描数据，真的能够帮助巴黎圣母院在修复时恢复到原貌吗？

激光扫描数据可以干什么

“我认为激光扫描不太可能被用来重建屋顶，比较火灾前和火灾后大教堂的结构状况会更有意义。”在接受本刊采访时，库克指出，“如果他们用木头重建屋顶，我会非常惊讶。我认为更有可能是使用一种更现代的材料。”

在此次大火中受损的屋顶可以追溯到13世纪，使用了1160年到1170年之间砍伐的橡木，它最早于1220年建成，是巴黎圣母院最古老、最原始建筑的一部分，而且因为当年砍了几乎一整座森林的树木才建成，所以这个屋顶与高塔结构又被称为“森林”。然而，由于这场灾害，这片“森林”化作灰烬。

在过去五年左右的时间里，塔隆教授使用激光扫描仪，从建筑内外50多个地点，以细致的3D点云捕捉了整座教堂的内部和外部。他所创建的这十亿个点数据详细地揭示了普通照片无法显示的巴黎圣母院建筑结构的细微差别。而如果把这些数据与合适的软件结合起来，就可以用来创建大教堂的三维立体模型。

“他选择使用激光扫描的原因是，可以让你以一种其他形式的表现方式，特别是数码的表现方式，去捕捉哥特式的建筑结构。”库克告诉本刊，“即使一些发现实际上也可以通过肉眼观察，但他能够以一种更好的方式来更清楚地表现它们。安德鲁总是喜欢说，他不仅为巴黎圣母院，也为其他大教堂通过激光扫描制作出了它们第一个真正准确的建筑平面图。你可以在这些平面图中，看到它的肋拱有多像蜘蛛或者是一个完美X。”

实际上，塔隆曾在一段视频中告诉美国《国家地理》，这个项目就像“一个巨大的侦探谜题”，“这真的可以追溯到我小时候，一个九岁的孩子看着这座巨大的石头建筑——圣母院，问‘他们是怎么做到的？’”

安德鲁·塔隆（左一）在巴黎圣母院现场

所以塔隆将巴黎圣母院作为他论文中最主要的研究对象之一。他对巴黎圣母院的建筑很感兴趣，尤其是它的飞扶壁。这是一种常见于哥特式建筑，通常以半个拱券的形式出现的结构，它能够以轻盈的结构支撑起建筑，使其达到前所未有的高度。这也是为什么用直升机洒水灭火不适用于巴黎圣母院的原因。

美国哥伦比亚大学的中世纪艺术史名誉教授斯蒂芬·默里（Stephen Murray）曾和塔隆一起工作。一些学者认为，巴黎圣母院的飞扶壁是大教堂建成后添加的。但默里写了一篇文章，认为巴黎圣母院目前的飞扶壁形式是双层飞扶壁，它直接穿过了两个走廊，然后抵达中殿上层。他认为这是建筑中的原始结构，大约始于11世纪60年代。

塔隆支持这个理论。他的证据是，通过对建筑进行激光扫描，发现巴黎圣母院里面，尤其是唱诗席的几何形状非常完美，它非常的直立、规则。他说，激光扫描可以感知建筑物的沉降及其随时间的移动，每一栋建筑都在移动，当太阳从一边加热时，地基就会变形。所以了解建筑的移动方式可以揭示它最初的设计，以及当建筑没有按计划实施时，建筑师所做出的一些选择。

塔隆指出，若是没有飞扶壁，天花板上的拱顶应该把墙壁向外推，但是800年来，建筑的上部如此直立和规则，没有过一丁点儿的移动。这表明默里关于飞扶壁形状的理论是正确的，它从12世纪以来就一直在那儿，把墙向内推，创造一个稳定的力量平衡。

尽管塔隆的这一论据仍有争议，但这是他对激光扫描感兴趣的开始。激光扫描带来了关于巴黎圣母院一些令人惊讶的新信息。学者们长期以来一直怀疑，在塔楼建成之前，西侧立面的施工曾经暂停过一段时间。而塔隆弄明白了其中原因。激光扫描的数据显示，西立面上国王画廊的雕像在过去发生了移动，偏离了铅垂线一英寸（2.54厘米）。塔隆认为这是因为西立面所在的土壤不坚实，开始向北倾斜，导致施工不得不暂停下来，直到建筑师们确信北边地面不再向下倾斜。

“据我所知，这确实是一个从未有人观察过的发现，这很令人惊讶。”库克对本刊赞叹道，“这是一个令人难以置信的声明，因为它不仅是一座如此显眼的标志性建筑，在过去至少几百年里，许多学者都一直在用其他方式思考它，并不完全是现代学术意义上的思考，而是一直在观察这座建筑，写关于它的文章，谈论它，思考它，已经有几百年了。”

安德鲁·塔隆生前在巴黎圣母院内部进行激光扫描工作

为什么需要对古迹进行数字化扫描

大火结束的第二天，欧盟委员会负责通信网络、内容和技术的总干事罗伯托·维奥拉（Roberto Viola）在推特上写道：“我睡着了，希望能从噩梦中醒来。欧洲充满了奇迹，没有人能把我们带回过去。数字化对我们和未来几代人都很重要……我们失去了一部分历史。”

维奥拉的推特与一周前的一项声明有关。当时，包括法国在内的24个欧洲国家同意合作“推进文化遗产数字化”，更好地利用最先进的数字技术，应对欧洲丰富的文化遗产面临的风险，提高其使用率和知名度以及公民参与度，并且支持历史文化遗产在其他领域的溢出效应。

这将包括在全欧洲范围内推动创建关键历史文物和遗址的复杂虚拟模型。维奥拉曾公开表示，他希望欧洲的每一处主要的文化遗产都能数字化，这样一来，如果它们遭到自然或人为灾难的破坏时，就能得到修复，同时也能发现裂缝和其他结构弱点。

“我知道我是对的，但我不知道到底有多正确”，维奥拉在接受美国每日野兽网（The Daily Beast）采访时谈到了将古代建筑数字化的必要性，“我希望塔隆博士能看到他的工作有多重要。”

不过，要对每一座易受破坏的历史建筑进行数字化扫描，这是一个漫长的过程，可能还需要花费几十年的时间。虽然塔隆最开始为中世纪哥特式建筑进行激光扫描只是出于一种业余的兴趣，但他的热情最终赢得了资助，瓦萨学院为他提供了数字存储的途径，其中一些扫描件的副本还被收藏在哥伦比亚大学。去年11月塔隆去世时，这些数据被用于由默里主持的一个名为“绘制法国哥特地图”（Mapping GothicFrance）的联合项目中。

“这是一个愉快的意外，但如今我们有一个真正的公共档案可供未来使用。”库克告诉本刊，她和塔隆、默里合作的“绘制法国哥特地图”是她现在进行的主要项目，“我现在是巴黎圣母院的专家，但激光扫描是属于安德鲁独立的工作，我在自己的研究中采用了不同的方法。虽然我完全依赖于从安德鲁的激光扫描中获取的材料。”

库克向本刊表示巴黎圣母院大火这件事，至今都令她处于一种非常奇怪的感觉之中，“这是我长久工作的对象。我从未设想过，我生命中有一天会无法再回到这座建筑中去，我无法再去核查我的任何问题、任何观察或任何假设。”

“这座建筑永远不会是原来的那座。”库克和本刊说，“我曾经以为我的一生都能接触到它。如果在保护、修复和保存方面没有什么变化，随着时间的推移，建筑的面貌会发生轻微的改变，但这不是根本上的改变。所以我真的没有想过，在我有生之年将看到巴黎圣母院发生类似于19世纪那样的巨大改变。”

19世纪法国大革命时期，圣母院教堂曾遭受过巨大的损害。1844年，建筑师维奥莱·勒·迪克（Eugène Viollet-le-Duc）主持了一场重大的修复工程，重现了圣母院久违的光彩，并添加了许多如今巴黎圣母院的重要要素。比如这次被大火烧毁的这座300英尺高的尖塔便是他在这次修复中添加的。

“所以在火灾发生后拥有这些图像档案显得特别珍贵。”库克再次感慨道。目前，世界上只有10%的历史遗迹是数字化的。

在塔隆去世之前，他还作为慈善机构“巴黎圣母院之友”的创始人在号召其他人一起为这座大教堂的修复工作捐款。在他去世后，为了纪念塔隆教授，塔尖附近的圣安德鲁雕像将被修复，所以在教堂起火四天前它被拆除下来，结果得以在这场大火中幸存下来，但遗憾的是，这个结构的主体受到了严重破坏。

针对法国总统马克龙宣传的五年修复计划，库克和本刊分享了她的观点，“我认为这个野心太大，太仓促了。我希望有一个国际学者团体在这个时候聚集在一起，推动政府放慢速度，踩下刹车，确保他们已经清点了大楼里所有的一切，烧焦的木头、拱顶上掉落的石头，真正了解他们所拥有的一切，并在开始思考之前对其进行普查，确保那些物品都被保存下来。比如这次的玫瑰玻璃窗，虽然奇迹般地保存了下来，但它仍然很脆弱。从现在开始，我们不要去破坏任何不是被大火摧毁的东西，我们不需要让它变得更糟。”

（本文亦感谢瓦萨学院助理教授徐津的帮助）巴黎圣母院中幸存的部分珍贵藏品

火灾发生后，虽然一些艺术品下落不明，但大多数都没有受损。然而，因为救火过程中烟雾、水、铅熔物等各种因素的影响，从火场中抢救出的一些艺术品以及看似完好的建筑部件，都有可能受到了很大的伤害。对此，法国文化部部长弗朗克·里埃斯特（Franck Riester）宣布，部分艺术品将被送往卢浮宫，在那里进行除湿、保护、保存和修复。

这座位于巴黎圣母院南翼钟楼的大钟，重达13吨，其历史可以追溯到1681年。在法国历史上的重要时刻，人们都会敲响这座大钟。

三面巨大的玫瑰窗历史悠久，可以追溯到1225年，为巴黎圣母院标志性象征。其下是著名的巴黎圣母院大管风琴，最初建于1403年，拥有5排键盘、109个音栓和近8000根音管。

这件用金线将荆棘编织起来的环状冠，是巴黎圣母院最珍贵的文物。只在每个月的第一个星期五和大斋节期间的每个星期五向公众展出。 巴黎圣母院安德鲁库克建筑激光扫描科技新闻