摘要: WA丨张家浩丨基于人工智能与实验测定的文化遗产病害监测研究丨洞见未来：2024建筑类学科青年学者交流会原创WA世界建筑WA世界建筑 World Architecture2025年01月07日 17:01北京基于人工智能与实验测定的文化遗产病害监测研究Research on Cultural Heritage Disease Monitoring Based on Artificial Intelligence and Experimental Measurement张家浩ZHANG J ...

 WA丨张家浩丨基于人工智能与实验测定的文化遗产病害监测研究丨洞见未来：2024建筑类学科青年学者交流会原创 WA世界建筑WA 世界建筑 World Architecture 2025年01月07日 17:01 北京基于人工智能与实验测定的文化遗产病害监测研究

Research on Cultural Heritage Disease Monitoring Based on Artificial Intelligence and Experimental Measurement


张家浩
ZHANG Jiahao


作者简介：华侨大学建筑学院教工第一党支部副书记、建筑系副系主任，福建省城乡建筑遗产保护技术重点实验室副主任。2019年1月毕业于天津大学建筑学院建筑学专业，获博士学位；2019年5月至今于华侨大学建筑学院建筑学专业任教。从事文化遗产信息管理、预防性保护技术研究。2020年以来，发表学术论文17篇，其中 SCI、SSCI 论文6篇，出版专著2部，授权专利6项，其中发明专利1项，获软件著作权3项，主持国家自然科学基金青年项目1项，省级面上项目1项。


1 研究框架概述
我国世界文化遗产日常以观察、拍照等手段进行监测的比例约80%，定期监测发现严重病害的概率仅为15.91%[1]。这一方面说明“非接触式”的观察方式是日常监测中的常规手段，另一方面也说明文化遗产监测方法、技术等的研究相对落后，存在过分碎片化、不系统等关键问题。


本课题组希望以我国东南沿海地区为起始研究区域，以GIS、BIM、人工智能技术和实验测定为主要工具；在建立相应信息管理平台的基础上，探究文化遗产环境因素影响下的典型材料的病害成因，表征变化与病害发展的内在耦合关系，建立文化遗产智能化监测的理论体系与技术框架。


2 文化遗产信息管理平台建设
文化遗产信息管理平台的建设是智能化监测研究的基础。本课题组通过GPS、遥感、网络大数据进行区域层面信息采集，通过三维激光扫描、无人机、手持扫描仪、田野调查等进行建筑层面信息采集；并结合GIS、BIM技术进行文化遗产信息管理平台的建设与应用研究。


在全国层面：以工业遗产为例，在文化线路背景下建立国家层面的工业遗产GIS数据库。基于数据库分析，我国工业遗产的分布主要集中在东部和南部沿海地区，形成了位于我国东部的3个重点地区、14个重点城市和重要的铁路和水系。研究促进了我国工业遗产的整体保护，促进中国工业遗产信息化管理系统的建立，并从国家角度探索工业遗产的价值评估、保护体系和区域旅游[2]。


在城市层面：课题组完成了对福州、厦门、泉州等城市的文化遗产信息管理平台建设与应用研究。对上述城市文化遗产保护现状、空间分布特征及文化遗产廊道进行研究，对我国东南沿海历史文化名城整体保护具有重要的参考意义[3-4]。


在街区及单体层面：以鼓浪屿历史国际社区、泉州天后宫等世界文化遗产为例，通过三维激光扫描、无人机倾斜摄影测量及手持式扫描仪数据融合，建立BIM信息模型，对街区及单体层面文化遗产历史、现状及修缮施工等信息管理与表达进行研究，探索VR、AR技术在文化遗产展示中的应用[5]（图1）。



1 鼓浪屿汇丰银行公馆BIM模型


3 病害的田野调查与实地监测
泉州传统民居病害田野调查：结合GIS信息管理平台，课题组对泉州市闽南传统民居的残损病害情况进行田野调查，为制定有效的保护和修复措施提供基础数据支持。在实地调研的过程中记录大厝的整体布局、建筑朝向、周边环境等，分析病害的产生、分布与环境因素的关系。详细拍摄民居病害的情况，对于病害现象显著的部分选择温湿度仪、热成像、含水率仪等仪器对病害进行检测，以获得相关数据，建立闽南传统民居病害空间数据库，探究温湿度、风速、光照等环境因素对病害产生与发展的影响机制。


选取鼓浪屿世界文化遗产核心要素种德宫进行为期13个月的温湿度、日照和风速的监测，在监测期间定期对种德宫建筑内外的现状拍照，使用国外3个规范对建筑进行数据处理分析，并将数据与照片结合进一步分析，得出种德宫的病害发展规律和风环境为其主要影响因素的结论[6]（图2）。



2 鼓浪屿种德宫风环境与热环境空间差异


4 基于人工智能的遗产病害识别研究
本课题组基于人工智能、无人机技术等，探索文化遗产的病害快速识别与保护现状评估技术，旨在构建一个多层次、系统化的遗产监测体系。以福建传统村落为例，我们利用无人机技术与Yolov8深度学习算法，对传统村落古建筑群的病害状况进行快速而全面的初步筛查。这一方法不仅提高了调查效率，也为后续的详细评估奠定了基础[7]（图3）。



3 福建传统村落屋面残损智能化识别


对于规模较大的传统村落及历史街区，课题组关注人流量密集区域，通过分析人员行为的时空模式，及时发现并预防潜在的异常行为，从而降低对古建筑群的潜在风险。这一策略有助于维护古建筑群的安全与秩序。在单体建筑遗产的构件层面，我们采用摄影建模和激光雷达扫描技术，快速收集福建省古建筑木构件的基本信息。结合卷积神经网络，我们能够对木构件的病害状况进行快速而准确的评估，为古建筑的日常监测、预防性保护提供科学依据。


5 基于实验测定的病害探源研究
传统木材病害发展机制实验：木材作为一种有机吸湿性材料，极易受到温湿度、风环境、太阳辐射以及生物性等环境因素的影响。为了深入探究木材病害发展与微气候之间的相关性，通过控制变量法设计实验，将标准单元木试块放置于不同环境指标的空间中，模拟木材在实际建筑不同气候条件及空间位置的病害发展情况。实验所用的木材在选材时应避免木节、裂纹、腐朽、虫蛀等问题，样本制作需确保样本之间无显著差异，以减少实验误差。在木材实验的过程中定期观测并记录木材的多个指标变化，包括木材表观的颜色变化、含水率变化、力学性能变化、木材菌落生长变化等，通过对比实验前后木材的各项指标情况，结合实验数据进一步量化分析建筑木材的劣化原因。


夯土墙体裂缝病害测定实验：课题组首先通过RGB相机和Testo热成像仪等仪器对永定和南靖的土楼夯土墙病害进行了长期跟踪调查，总结土楼夯土墙主要9种病害类型特征、机理和分布；发现夯土墙表面不同病害热成像图显示的特征和温度差异，深度较大类的病害热成像图呈现出明显的温度变化与病害深度成正相关的变化规律。课题组采用传统夯筑手法夯筑夯土试块，对夯土墙试块进行钻孔实验，确定钻孔深度与热成像温差之间的规律。收集数据建立了夯土墙病害表面温度差与病害深度的回归模型，通过对不同环境、不同成像距离下所测的数据集探究天气变化和成像距离对回归模型拟合度的影响。□


参考文献
[1] 李六三,赵云,燕海鸣,等.中国世界文化遗产年度保护 状况报告（2021-2022）[M].北京:社会科学出版社,2022.
[2] ZHANG J,ZHUO L,SUN H,et al.Construction of the Chinese Route of Industrial Heritage Based on Spatial and Temporal Distribution Analysis[J].Buildings,2024, 14(4):1065. 
[3] ZHANG J,WANG X,JIANG L,et al.Analysis of the Evolution Pattern and Regional Conservation of Cultural Heritage from the Perspective of Urban Sustainable Transformation: The Case of Xiamen, China[J].Buildings,2024,14(3):565. 
[4] ZHANG J,JIANG L,WANG X,et al.A Study on the Spatiotemporal Aggregation and Corridor Distribution Characteristics of Cultural Heritage: The Case of Fuzhou, China[J].Buildings,2024,14(3):121.
[5] ZHUO L,ZHANG J,HONG X.Cultural heritage characteristics and damage analysis based on multidimensional data fusion and HBIM–taking the former residence of HSBC bank in Xiamen, China as an example[J].Heritage Science,2024,12:128. 
[6] 毛佳.微气候对鼓浪屿种德宫建筑病害影响研究[D]. 厦门:华侨大学,2024.  
[7] QIU H,ZHANG J,ZHUO L,et al.Research on intelligent monitoring technology for roof damage of traditional Chinese residential buildings based on improved YOLOv8: taking ancient villages in southern Fujian as an example[J].Heritage Science,2024,12:231.         


张家浩
华侨大学副教授
研究方向：文化遗产预防性保护及信息管理技术研究
zhangjh@hqu.edu.cn


国家自然科学基金
项目批准号：52008175


本文图表均由张家浩绘制


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全文刊载于《世界建筑》202411期。转载请注明出处。
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