红外热成像技术与三维激光扫描技术在西藏江孜县历史建筑上的病害调查应用

应用案例应用红外热成像技术与三维激光扫描技术在西藏江孜县历史建筑上的病害调查2017.1.16应用红外热成像技术与三维激光扫描技术在西藏江孜县历史建筑上的病害调查西藏历史建筑遗产

西藏历史建筑历史悠久，特点鲜明，有着突出的文化、历史价值，属于优秀的文化遗产。

碉房建筑为最具有代表性的西藏建筑，在公元111年以前就有存在，它是石墙或土坯墙与木梁柱的混合结构，外墙和内墙承重，全部用块石或土坯砌筑。典型的西藏碉房建筑草图（左）与建筑外立面（右）。江孜当地建筑

江孜历史建筑材料上因地取材，民居以土木结构为主，极少数为石木结构。民居墙体多为土坯砌筑，墙体基础部分采用石砌。普遍使用黄土作为屋面材料，在等级较高的寺庙和贵族建筑中会使用阿嘎土。江孜加日郊老街街景（左）；当地一座民居建筑的夯土墙（右）。建筑病害

江孜当地处于高海拔（4050米）。寒冷和干燥是其突出的气候特征，降雨量少集中在7、8两个月，并且西藏是多风的地区，故风化、侵蚀病害为当地建筑主要的问题，雨水也会使墙体潮湿，慢慢使夯土酥化并掉落。裂缝潮湿酥化掉落在历史建筑的保存修缮过程中，前期的保存状态调查，病害判断尤为关键，直接影响了后期修复方式的采用。又因为历史建筑的突出价值，无损的技术手段需要优先考虑。目前，世界上文化遗产保护领先国家已经将先进的科学技术手段常规化，对建筑遗产进行调查、监测研究，采用的技术包括三维激光扫描、红外热成像、地质雷达、超声波等等。三维激光扫描仪前期测绘以及病害调查红外热成像仪地质雷达调查目的在此之前，使用红外热成像技术对西藏历史建筑的调查并无先例。

此次调查目的是想通过使用红外热成像技术调查、检测之前肉眼不可见的病害，包括潮湿现象、隐藏构件、裂缝空鼓等等，认识此项技术在藏式建筑上的检测效率。同时使用三维激光扫描技术对历史建筑进行三维数字信息采集，提升对建筑物保存状态的认知。三维激光扫描现场红外热成像检测现场三维激光扫描技术三维激光扫描仪对英国巨石阵进行扫描

在历史建筑的保护过程中，建筑测绘需要详尽的信息，有利于资料的整理保留和修缮、研究。同时带有复杂曲面和线条的文物很难用传统的测量工具进行度量和记录，三维激光扫描技术利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，将各种实体或实景的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图像数据，供复制、研究和信息检索。使用设备三维激光扫描仪LeicaScanstationC10激光类型脉冲式扫描光斑≤4.5mm（50m范围内）光束直径≤4mm（距离0.1m）测量范围最大距离：≥280m，最小测距≤0.4m视场角水平方向360°，垂直方向≥270°数据获取速率不低于48,000点/秒测量精度点位≤6mm，距离≤4mmFLIRT610探测器类型焦平面阵列红外分辨率640x480像素热灵敏度<0.04℃（+30℃)空间分辨率IFOV0.68mrad镜头视场角25°x19°红外热成像仪

此次调查所使用的仪器为一台Leica

ScanstationC10三维激光扫描仪和一台FLIRT610红外热成像仪。红外热成像技术红外热成像仪

红外辐射一种电磁辐射，它的波段在电磁波谱上780nm-1mm之间，它不能引起人眼的视觉感知。所有温度在热力学绝对零度以上的物体都会自身发射这种电磁辐射，根据普朗克定律，物体的红外辐射强度与热力学温度直接相关。

红外热成像仪运用其光学系统将物体发出的红外辐射能收集起来，经过一系列电子、数字信号处理，获得显示物体表面温度分布的伪彩色图像通过观察图像上的颜色分布来确定物体的温度场分布。

红外热成像技术在20年前开始被国外学者应用于建筑遗产病害检测中，它具有检测速度快、实时结果显示、对文物建筑完全无损的优点，用来检测外墙空鼓、表面剥落、屋顶渗漏、热桥等病害问题。调查对象调查对象包括江孜当地民居、庄园、以及寺庙三处优秀历史建筑遗产。格西拉康帕拉庄园白居寺格西拉康与三维激光扫描

格西拉康为江孜县附近格西村里的一座建筑，原为当地贵族、奴隶主的住所，现为当地村落的寺庙、集会所。建筑为二层楼、四方回字形、一楼供有佛像。四周的墙上绘有大型壁画，目前毁损严重。

三维激光扫描仪对此建筑进行了整体扫描，建筑内外共设35个扫描站点，获取的数据在计算机后期处理软件中拼接，获得了建筑物的完整点云模型，为进一步的分析提供了有利的条件。格西拉康三维点云模型截图（左），剖面（右）。格西拉康一楼：红外热成像

红外热成像仪同时被应用到此建筑物的检测中，在底楼的调查中，发现了三处肉眼不易发现的潮湿病害，两处分别在两面墙上，另一处在底楼楼顶木檩条上，最后这一处尤其值得注意，因为其所在位置非常接近旁边的壁画，并且已经在壁画上发现潮湿问题所造成的损害痕迹（壁画表面层脱落），如不进一步阻止，可能会对壁画带来更大的伤害。根据点云模型所绘一楼平面图一楼上部壁画木檩条潮湿区域（白色箭头标记一处明显的壁画表面层脱落）。格西拉康二楼：红外热成像

在二楼的墙体和木檩条发现了有大量潮湿病害的部位。在热图1中，正常墙体温度为12.4度，而墙体潮湿部位的温度为11.2℃；健康的木檩条上显示温度为12.0℃，而潮湿部位的温度为9.9℃，潮湿部位容易进一步腐烂而造成结构强度下降。

在另一房间中，墙体上清晰的温度变化明确的告诉我们肉眼无法分辨的潮湿、裂缝分布情况，另外通过热图2中右侧的两条裂缝温度的不同，能够得知右侧的裂缝程度更深。二楼平面图普通RGB照片（左）与相同位置的热图1（右）。普通RGB照片（左）与相同位置的热图2（右）。格西拉康外部

在建筑物的外立面上，在红外热图中发现了建筑表面温度分布不均的现象，温度相对较低处为表面砂浆涂抹不均而导致的砂浆层与砌石层之间空鼓。局部细节砂浆层与砌石层之间空鼓（深蓝色区域）帕拉庄园

帕拉庄园是西藏大贵族帕拉家族的主庄园，全称怕觉拉康，位于江孜县城西南约4公里的班觉伦布村，是目前西藏唯一保存完整的旧西藏三大领主贵族庄园。此建筑现存房屋57间，面积5357.5平方米，主体楼高三层，建筑屋顶为平顶层，并且大量使用了阿嘎土为主要材料。通过红外热像仪在室内经堂发现了一处大量潮湿位置。经堂内墙体漏水潮湿部位。屋顶漏水部位。帕拉庄园，红外热成像

在屋顶上也发现了多处积水部位。由于屋顶建造时设计不当，未为屋顶设计合适的导水坡度。雨后的雨水时常积储在阿嘎土的屋顶上，时间一长，阿嘎土内部粘性材料被雨水冲刷，在日晒雨淋下变得越来越粗糙，最后致使雨后的屋面普遍漏水，漏水后再打阿嘎土，屋顶越来越沉导致房屋变形，这也成为藏式古建筑致命的弱点。此次使用红外热像仪对屋顶上的积水部位进行了调查、识别，确定了积水的部位。阿嘎土屋顶的一积水处。白居寺

白居寺建于公元十五世纪中叶前半期（1418-1436），位于老街西端之宗山脚下，整个寺院由吉祥多门塔、白居寺大殿、扎仓建筑和寺庙城墙构成，修筑在山脊上的寺院东、北、西三面均用两米厚的夯土围墙环绕，每隔一段距离设置一座碉楼，建筑风格充分代表了13世纪末-15世纪中叶后期藏区寺院建筑的典型样式，也是其中唯一一座寺、塔保存完整的大型建筑群。

调查使用了红外热像仪在原大门的墙面发现温度分布不均处，根据形状判断疑似墙内原有的木梁。白居寺原大门墙体疑似木梁构件。白居寺，措钦大殿

白居寺措钦大殿表面抹灰十分不均匀，在红外热图中，可以非常清晰地观察抹灰的形状、分布。在抹灰较薄处，砌体纹理能够在热图中非常清晰地得到辨识。白居寺措钦大殿抹灰不均匀。措钦大殿东面墙体砌石纹理白居寺，红外热成像

通过红外热图，还发现了砌石的温度分布不一，分辨出墙体砌筑使用了不同的砌石，为了解其构造提供了有用的信息，提供了进一步分析结构机械性能的可能。同时，在调查中还发现措钦大殿门口黑色灰泥层表面温度分布不平均，高温处可能为空鼓位置，而黑色抹灰层内部裂缝、脱空也得到了辨识。白居寺南面围墙，热图中显示不同的温度表明此墙砌筑中使用了不同的砌块。

黑色抹灰层内部空鼓、裂缝。结果

三维激光扫描与红外热成像技术被应用到西藏江孜当地历史建筑的保存状况调查中。通过应用这些技术，不仅仅对建筑进行了精准的建筑几何结构信息采集，还成功地检测到以下的内容:木檩条、建筑墙体、屋顶潮湿；墙体裂缝；外立面砂浆层空鼓；内部隐藏物（木梁）；墙面抹灰不均匀，抹灰层空鼓；砌石纹理（不同材质、种类的砌石）。

但是，同样在现场调查过程中，遭遇不少问题，例如三维激光扫描仪设备较沉重，在狭小空间内搬运不便，内置光学相机性能偏低，特别是在昏暗的光线条件下，无法获取高清晰的建筑材质纹理。在被动式红外热成像的调查中，结果依赖良好的日照条件，以获得最大程度的热反差，便于分析。另外红外热成像