《Sensors》：A Multi-Disciplinary Approach to the Identification and Characterization of Areas of Potential Damage in the Building Materials of Ancient Monuments
Giuseppe Casula,
Silvana Fais,
Maria Giovanna Bianchi and
Paola Ligas
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本研究旨在通过三维建模技术对历史建筑及其相关文物进行综合研究，这已成为当今文化遗产保护领域的必要条件。非破坏性诊断技术对于全面了解文物及古代石质建筑材料的保存状态至关重要。因此，创建能够保存被分析形态信息的数字副本，同时揭示影响历史文物的劣化现象，从而为修复工
本研究旨在通过三维建模技术对历史建筑及其相关文物进行综合研究，这已成为当今文化遗产保护领域的必要条件。非破坏性诊断技术对于全面了解文物及古代石质建筑材料的保存状态至关重要。因此，创建能够保存被分析形态信息的数字副本，同时揭示影响历史文物的劣化现象，从而为修复工作提供指导，具有极其重要的意义。
本研究中，研究人员展示了非破坏性地理信息技术——如地面激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）与近景摄影测量（Close-Range Photogrammetry, CRP）方法——与非破坏性地球物理诊断方法（包括超声波间接测试、超声波透射层析成像和电阻率测量）的综合应用。这些方法进一步通过被调查建筑石材的补充性岩石学分析得以增强。这些非破坏性技术的综合协调应用，使得研究人员能够为意大利卡利亚里最古老的教堂——圣撒多尼诺大教堂（Basilica of San Saturnino）中的多件文物创建高精度的表面与内部模型。该教堂供奉着这座城市的守护圣人。最终，这项综合研究揭示了这些文物因大气因素（如风、雨）以及人为现象（如来自交通和其他制造活动的大气颗粒物）而导致的劣化区域。
本研究聚焦于意大利卡利亚里圣撒多尼诺大教堂（Basilica of San Saturnino）这一最早期的基督教纪念性建筑，旨在通过多学科非破坏性技术方法，系统识别和表征其建筑石材中的潜在损伤区域，为文化遗产的保护修复提供科学依据。
研究背景方面，当前文化遗产保护领域对非破坏性检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术的需求日益增长，但单一检测方法往往存在局限性，难以全面准确地评估石质材料的保存状态。石材的物理特性，尤其是弹-力学特性，显著受其矿物学和结构特性影响，因此在解释NDT数据时必须考虑岩石的内在属性。此外，如何在保护文物历史价值的前提下，实现对建筑石材质量的准确评估，并有效监测修复效果，是文化遗产保护面临的重要挑战。开展本研究的必要性在于，只有将多种非破坏性技术进行整合，并与岩石学分析相结合，才能建立对石材保存状态的全面认知，从而指导精准的修复干预。
研究人员针对圣撒多尼诺大教堂外庭院的历史砌体墙和半柱展开了综合研究，该建筑主要由"卡利亚里灰岩"（Calcari di Cagliari）地层中的碳酸盐岩构成，包括Pietra Forte role="def"（一种生物礁-生物层灰岩）和Tramezzario role="def"（一种生物碎屑灰岩）两种主要岩相。研究得出结论：通过TLS与CRP的协同应用，可实现亚厘米级分辨率的高精度三维建模，有效记录文物表面形貌；超声波纵波速度分布能够揭示材料弹性性质的空间变异，反映其风化程度和内部缺陷；电阻率测量可映射表层湿度分布和孔隙特征；而二维超声波透射层析成像则能深入半柱内部，识别出传统方法难以发现的结构劣化区域。该研究的重要科学意义在于建立了一套可推广至复杂纪念性建筑的综合诊断流程，实现了从表面到内部的全面材料状态评估，为针对性地制定保护策略提供了可靠的数据支撑。论文发表于《Sensors》。
本研究采用的关键技术方法包括：首先，利用地面激光扫描（TLS）技术获取点云数据，并结合基于运动恢复结构（Structure from Motion, SfM）算法的近景摄影测量（CRP）采集高重叠度影像，两种地理信息技术相互验证和补充，构建高精度三维数字模型；其次，采用电阻率测量技术，使用Resipod设备以Wenner四极配置沿网格化测线采集数据，实现表层电阻率分布二维制图；第三，应用超声波间接测试方法，以82 kHz频率沿网格测点采集纵波速度，生成二维速度分布图；第四，针对半柱实施24 kHz低频超声波透射层析成像，采用迭代重建技术（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique, SIRT）结合互相关函数约束的反演算法，重建内部纵波速度场；最后，通过薄片岩石学分析验证和解释地球物理探测结果。样本来源于圣撒多尼诺大教堂外庭院XI-XII世纪的历史砌体墙和半柱。
研究结果部分，"地理信息学"方面，TLS与CRP协同应用成功构建了圣撒多尼诺大教堂外庭院左右两侧砌体墙的高分辨率三维模型。通过云到云（Cloud-to-Cloud, C2C）比较和多尺度模型到模型云比较（Multiscale Model to Model Cloud Comparison, M3C2）方法进行精度验证，右侧墙体C2C标准差为4.5 mm、M3C2标准差为4.7 mm，左侧墙体C2C标准差为2.3 mm、M3C2标准差为3.5 mm。几何异常分析显示，模型中存在显著的隆起区（红色调，最高达+2.5 cm）和凹陷区（蓝色调），这些表面形变与后续地球物理探测结果具有空间相关性。研究表明，CRP模型虽具有更高分辨率，但其比例尺因子需借助TLS模型进行精化。
"地球物理测量"部分下，"砌体墙"小节中，电阻率图谱显示数值范围为约50至1900 Ωm，低电阻率区（<400 Ωm）对应高含水率和孔隙度，指示材料劣化敏感区；高电阻率区（>800 Ωm）则对应较密实、保存较好的材料。研究发现负几何异常与低电阻率区存在显著空间对应关系，如左侧墙体的A、B、C区和右侧墙体的F、G、H区。超声波纵波速度图谱显示速度范围为600–6000 m/s，强烈反映了材料的弹性非均质性。高速区（V
p > 4500 m/s）与Pietra Forte岩相对应，如左侧墙体E区表现为正几何异常、高电阻率和高速度的联合响应，指示保存良好状态；而低速区（1500–2000 m/s）则确认材料劣化和临界状态，与负几何异常和低电阻率区相一致。值得注意的是，部分正几何异常区域出现低电阻率特征（如左侧D区），研究人员解释这可能与高孔隙度碳酸盐岩中盐类溶解-结晶循环导致的材料膨胀有关。
"半柱"小节中，二维超声波透射层析成像揭示了半柱1和半柱2内部纵波速度的广泛变异范围（1000–5500 m/s）。大部分区域呈低速特征（<2000 m/s，蓝色区），低于完整岩石参考值（6000–7000 m/s）的50%，指示材料存在高度微裂隙化、空洞、 cohesion丧失和宏孔隙发育等严重劣化，需进行强化加固干预或选择性更换。少数区域呈现较高速度（比参考值低20–30%的橙红色区），反映较好的胶结程度和致密性，如半柱2的A区，其生物成因纹理改善了弹性-力学性质，降低了劣化敏感性。层析结果与薄片分析的结合，清晰展示了不同速度区对应的微观结构差异：高速区可见保存完好的红藻（Lithothamnium）结构和方解石胶结，低速区则发育裂缝、溶蚀孔洞（vug）等次生孔隙。
讨论部分，研究人员强调地理信息技术（TLS和CRP）提供高分辨率空间和形态数据，而地球物理技术（电阻率和超声波）揭示内部劣化、缺陷、结构非均质性和湿度分布，岩石学特征知识有助于解释地球物理和地理信息数据的响应特征。多技术数据的综合比较分析为识别脆弱区域和理解劣化过程的空间演化提供了有价值的诊断依据。特别是，表面几何异常、电阻率和超声波速度三种数据的空间对应关系，使研究人员能够从缺乏明显视觉劣化迹象的石材中识别出潜在的损伤区域。对于半柱而言，低频超声波层析成像成功穿透了完整的柱体截面，揭示了仅凭表面观察无法检测到的内部结构退化，这对制定精准的修复策略具有直接指导价值。
研究结论部分翻译如下：考虑到当今对历史文物（如位于卡利亚里圣撒多尼诺大教堂考古综合体外庭院的古代周边砌体墙和柱）创建高分辨率三维模型的迫切需求，对被研究物体的表面和内部结构进行同等建模至关重要。为此， crucial关键的是协同运用包括地面激光扫描和数字摄影测量在内的先进地理信息技术，并结合地球物理方法。此外，为了更精确地表征构成这些纪念碑的石材、其保存状态以及正在进行的劣化过程，还必须进行全面的岩石学调查，以彻底检查作为建筑材料使用的岩石的质地和矿物学特征。这些知识提高了地理信息和地球物理数据的综合解释水平，支持了更为科学合理的保护策略。
在本研究中，所有这些方法都被整合以建立一套全面的调查程序，使得研究人员能够创建所考察罗马式砌体和建筑元素的高分辨率三维模型。这些数字孪生体提供了对建筑材料内在特性及其保存状态的详细洞察。尽管地面激光雷达和近景摄影测量等地理信息技术的高产出仅限于监测材料表面，但它们仍能使研究人员为所研究的文物创建高度精确且度量精准的三维数字模型。因此，基于地理信息学的参考能够实现对同一结构上的非侵入性诊断调查的精确重复，保持连续测量活动之间的空间对应性，并确保结果的长期可比性。然而，这些方法本身不足以对材料本身进行彻底的诊断分析。这一局限性可以通过协同组合互补的地球物理技术来解决，如本研究中采用的超声波和电阻率技术及其他技术。
通过不同技术获取的数据的比较分析，因此为识别脆弱区域和理解劣化过程的空间演化提供了宝贵的诊断依据。本研究中应用的工作流程可适应于不同且复杂的纪念性建筑结构，同时保持对其个体特征的敏感性。研究人员建议采用决策框架来指导干预措施。所提出的非侵入性诊断方法的成本取决于纪念性建筑的复杂程度，因为更复杂的几何形态和更多样化的材料需要更长的调查时间和更广泛的数据处理。通过提供有关材料性质的可靠、非破坏性信息，该方法支持知情的保护策略和遗产管理中的科学决策，同时考虑到遗产资产的状况和意义、劣化风险、干预的潜在影响以及长期可持续性。精心规划的修复策略能够实现财务资源的高效分配，从而提高干预的整体效果。最终，本研究中采用的方法有助于向工程师、保护人员和其他利益相关者可视化和传达结果。
