應(yīng)用案例應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)在西藏江孜縣歷史建筑上的病害調(diào)查2017.1.16應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)在西藏江孜縣歷史建筑上的病害調(diào)查西藏歷史建筑遺產(chǎn)

西藏歷史建筑歷史悠久，特點(diǎn)鮮明，有著突出的文化、歷史價(jià)值，屬于優(yōu)秀的文化遺產(chǎn)。

碉房建筑為最具有代表性的西藏建筑，在公元111年以前就有存在，它是石墻或土坯墻與木梁柱的混合結(jié)構(gòu)，外墻和內(nèi)墻承重，全部用塊石或土坯砌筑。典型的西藏碉房建筑草圖（左）與建筑外立面（右）。江孜當(dāng)?shù)亟ㄖ?/p>

江孜歷史建筑材料上因地取材，民居以土木結(jié)構(gòu)為主，極少數(shù)為石木結(jié)構(gòu)。民居墻體多為土坯砌筑，墻體基礎(chǔ)部分采用石砌。普遍使用黃土作為屋面材料，在等級(jí)較高的寺廟和貴族建筑中會(huì)使用阿嘎土。江孜加日郊老街街景（左）；當(dāng)?shù)匾蛔窬咏ㄖ暮煌翂Γㄓ遥＝ㄖ『?/p>

江孜當(dāng)?shù)靥幱诟吆０危?050米）。寒冷和干燥是其突出的氣候特征，降雨量少集中在7、8兩個(gè)月，并且西藏是多風(fēng)的地區(qū)，故風(fēng)化、侵蝕病害為當(dāng)?shù)亟ㄖ饕膯栴}，雨水也會(huì)使墻體潮濕，慢慢使夯土酥化并掉落。裂縫潮濕酥化掉落在歷史建筑的保存修繕過程中，前期的保存狀態(tài)調(diào)查，病害判斷尤為關(guān)鍵，直接影響了后期修復(fù)方式的采用。又因?yàn)闅v史建筑的突出價(jià)值，無損的技術(shù)手段需要優(yōu)先考慮。目前，世界上文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)先國家已經(jīng)將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段常規(guī)化，對(duì)建筑遺產(chǎn)進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)測(cè)研究，采用的技術(shù)包括三維激光掃描、紅外熱成像、地質(zhì)雷達(dá)、超聲波等等。三維激光掃描儀前期測(cè)繪以及病害調(diào)查紅外熱成像儀地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查目的在此之前，使用紅外熱成像技術(shù)對(duì)西藏歷史建筑的調(diào)查并無先例。

此次調(diào)查目的是想通過使用紅外熱成像技術(shù)調(diào)查、檢測(cè)之前肉眼不可見的病害，包括潮濕現(xiàn)象、隱藏構(gòu)件、裂縫空鼓等等，認(rèn)識(shí)此項(xiàng)技術(shù)在藏式建筑上的檢測(cè)效率。同時(shí)使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)歷史建筑進(jìn)行三維數(shù)字信息采集，提升對(duì)建筑物保存狀態(tài)的認(rèn)知。三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)紅外熱成像檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)三維激光掃描技術(shù)三維激光掃描儀對(duì)英國巨石陣進(jìn)行掃描

在歷史建筑的保護(hù)過程中，建筑測(cè)繪需要詳盡的信息，有利于資料的整理保留和修繕、研究。同時(shí)帶有復(fù)雜曲面和線條的文物很難用傳統(tǒng)的測(cè)量工具進(jìn)行度量和記錄，三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，將各種實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而快速復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖像數(shù)據(jù)，供復(fù)制、研究和信息檢索。使用設(shè)備三維激光掃描儀LeicaScanstationC10激光類型脈沖式掃描光斑≤4.5mm（50m范圍內(nèi)）光束直徑≤4mm（距離0.1m）測(cè)量范圍最大距離：≥280m，最小測(cè)距≤0.4m視場(chǎng)角水平方向360°，垂直方向≥270°數(shù)據(jù)獲取速率不低于48,000點(diǎn)/秒測(cè)量精度點(diǎn)位≤6mm，距離≤4mmFLIRT610探測(cè)器類型焦平面陣列紅外分辨率640x480像素?zé)犰`敏度<0.04℃（+30℃)空間分辨率IFOV0.68mrad鏡頭視場(chǎng)角25°x19°紅外熱成像儀

此次調(diào)查所使用的儀器為一臺(tái)Leica

ScanstationC10三維激光掃描儀和一臺(tái)FLIRT610紅外熱成像儀。紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像儀

紅外輻射一種電磁輻射，它的波段在電磁波譜上780nm-1mm之間，它不能引起人眼的視覺感知。所有溫度在熱力學(xué)絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)自身發(fā)射這種電磁輻射，根據(jù)普朗克定律，物體的紅外輻射強(qiáng)度與熱力學(xué)溫度直接相關(guān)。

紅外熱成像儀運(yùn)用其光學(xué)系統(tǒng)將物體發(fā)出的紅外輻射能收集起來，經(jīng)過一系列電子、數(shù)字信號(hào)處理，獲得顯示物體表面溫度分布的偽彩色圖像通過觀察圖像上的顏色分布來確定物體的溫度場(chǎng)分布。

紅外熱成像技術(shù)在20年前開始被國外學(xué)者應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)病害檢測(cè)中，它具有檢測(cè)速度快、實(shí)時(shí)結(jié)果顯示、對(duì)文物建筑完全無損的優(yōu)點(diǎn)，用來檢測(cè)外墻空鼓、表面剝落、屋頂滲漏、熱橋等病害問題。調(diào)查對(duì)象調(diào)查對(duì)象包括江孜當(dāng)?shù)孛窬?、莊園、以及寺廟三處優(yōu)秀歷史建筑遺產(chǎn)。格西拉康帕拉莊園白居寺格西拉康與三維激光掃描

格西拉康為江孜縣附近格西村里的一座建筑，原為當(dāng)?shù)刭F族、奴隸主的住所，現(xiàn)為當(dāng)?shù)卮迓涞乃聫R、集會(huì)所。建筑為二層樓、四方回字形、一樓供有佛像。四周的墻上繪有大型壁畫，目前毀損嚴(yán)重。

三維激光掃描儀對(duì)此建筑進(jìn)行了整體掃描，建筑內(nèi)外共設(shè)35個(gè)掃描站點(diǎn)，獲取的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)后期處理軟件中拼接，獲得了建筑物的完整點(diǎn)云模型，為進(jìn)一步的分析提供了有利的條件。格西拉康三維點(diǎn)云模型截圖（左），剖面（右）。格西拉康一樓：紅外熱成像

紅外熱成像儀同時(shí)被應(yīng)用到此建筑物的檢測(cè)中，在底樓的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了三處肉眼不易發(fā)現(xiàn)的潮濕病害，兩處分別在兩面墻上，另一處在底樓樓頂木檁條上，最后這一處尤其值得注意，因?yàn)槠渌谖恢梅浅＝咏赃叺谋诋?，并且已?jīng)在壁畫上發(fā)現(xiàn)潮濕問題所造成的損害痕跡（壁畫表面層脫落），如不進(jìn)一步阻止，可能會(huì)對(duì)壁畫帶來更大的傷害。根據(jù)點(diǎn)云模型所繪一樓平面圖一樓上部壁畫木檁條潮濕區(qū)域（白色箭頭標(biāo)記一處明顯的壁畫表面層脫落）。格西拉康二樓：紅外熱成像

在二樓的墻體和木檁條發(fā)現(xiàn)了有大量潮濕病害的部位。在熱圖1中，正常墻體溫度為12.4度，而墻體潮濕部位的溫度為11.2℃；健康的木檁條上顯示溫度為12.0℃，而潮濕部位的溫度為9.9℃，潮濕部位容易進(jìn)一步腐爛而造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。

在另一房間中，墻體上清晰的溫度變化明確的告訴我們?nèi)庋蹮o法分辨的潮濕、裂縫分布情況，另外通過熱圖2中右側(cè)的兩條裂縫溫度的不同，能夠得知右側(cè)的裂縫程度更深。二樓平面圖普通RGB照片（左）與相同位置的熱圖1（右）。普通RGB照片（左）與相同位置的熱圖2（右）。格西拉康外部

在建筑物的外立面上，在紅外熱圖中發(fā)現(xiàn)了建筑表面溫度分布不均的現(xiàn)象，溫度相對(duì)較低處為表面砂漿涂抹不均而導(dǎo)致的砂漿層與砌石層之間空鼓。局部細(xì)節(jié)砂漿層與砌石層之間空鼓（深藍(lán)色區(qū)域）帕拉莊園

帕拉莊園是西藏大貴族帕拉家族的主莊園，全稱怕覺拉康，位于江孜縣城西南約4公里的班覺倫布村，是目前西藏唯一保存完整的舊西藏三大領(lǐng)主貴族莊園。此建筑現(xiàn)存房屋57間，面積5357.5平方米，主體樓高三層，建筑屋頂為平頂層，并且大量使用了阿嘎土為主要材料。通過紅外熱像儀在室內(nèi)經(jīng)堂發(fā)現(xiàn)了一處大量潮濕位置。經(jīng)堂內(nèi)墻體漏水潮濕部位。屋頂漏水部位。帕拉莊園，紅外熱成像

在屋頂上也發(fā)現(xiàn)了多處積水部位。由于屋頂建造時(shí)設(shè)計(jì)不當(dāng)，未為屋頂設(shè)計(jì)合適的導(dǎo)水坡度。雨后的雨水時(shí)常積儲(chǔ)在阿嘎土的屋頂上，時(shí)間一長，阿嘎土內(nèi)部粘性材料被雨水沖刷，在日曬雨淋下變得越來越粗糙，最后致使雨后的屋面普遍漏水，漏水后再打阿嘎土，屋頂越來越沉導(dǎo)致房屋變形，這也成為藏式古建筑致命的弱點(diǎn)。此次使用紅外熱像儀對(duì)屋頂上的積水部位進(jìn)行了調(diào)查、識(shí)別，確定了積水的部位。阿嘎土屋頂?shù)囊环e水處。白居寺

白居寺建于公元十五世紀(jì)中葉前半期（1418-1436），位于老街西端之宗山腳下，整個(gè)寺院由吉祥多門塔、白居寺大殿、扎倉建筑和寺廟城墻構(gòu)成，修筑在山脊上的寺院東、北、西三面均用兩米厚的夯土圍墻環(huán)繞，每隔一段距離設(shè)置一座碉樓，建筑風(fēng)格充分代表了13世紀(jì)末-15世紀(jì)中葉后期藏區(qū)寺院建筑的典型樣式，也是其中唯一一座寺、塔保存完整的大型建筑群。

調(diào)查使用了紅外熱像儀在原大門的墻面發(fā)現(xiàn)溫度分布不均處，根據(jù)形狀判斷疑似墻內(nèi)原有的木梁。白居寺原大門墻體疑似木梁構(gòu)件。白居寺，措欽大殿

白居寺措欽大殿表面抹灰十分不均勻，在紅外熱圖中，可以非常清晰地觀察抹灰的形狀、分布。在抹灰較薄處，砌體紋理能夠在熱圖中非常清晰地得到辨識(shí)。白居寺措欽大殿抹灰不均勻。措欽大殿東面墻體砌石紋理白居寺，紅外熱成像

通過紅外熱圖，還發(fā)現(xiàn)了砌石的溫度分布不一，分辨出墻體砌筑使用了不同的砌石，為了解其構(gòu)造提供了有用的信息，提供了進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的可能。同時(shí)，在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)措欽大殿門口黑色灰泥層表面溫度分布不平均，高溫處可能為空鼓位置，而黑色抹灰層內(nèi)部裂縫、脫空也得到了辨識(shí)。白居寺南面圍墻，熱圖中顯示不同的溫度表明此墻砌筑中使用了不同的砌塊。

黑色抹灰層內(nèi)部空鼓、裂縫。結(jié)果

三維激光掃描與紅外熱成像技術(shù)被應(yīng)用到西藏江孜當(dāng)?shù)貧v史建筑的保存狀況調(diào)查中。通過應(yīng)用這些技術(shù)，不僅僅對(duì)建筑進(jìn)行了精準(zhǔn)的建筑幾何結(jié)構(gòu)信息采集，還成功地檢測(cè)到以下的內(nèi)容:木檁條、建筑墻體、屋頂潮濕；墻體裂縫；外立面砂漿層空鼓；內(nèi)部隱藏物（木梁）；墻面抹灰不均勻，抹灰層空鼓；砌石紋理（不同材質(zhì)、種類的砌石）。

但是，同樣在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，遭遇不少問題，例如三維激光掃描儀設(shè)備較沉重，在狹小空間內(nèi)搬運(yùn)不便，內(nèi)置光學(xué)相機(jī)性能偏低，特別是在昏暗的光線條件下，無法獲取高清晰的建筑材質(zhì)紋理。在被動(dòng)式紅外熱成像的調(diào)查中，結(jié)果依賴良好的日照條件，以獲得最大程度的熱反差，便于分析。另外紅外熱成像