北京の明代長城における内部欠陥の非破壊検出と三次元イメージング

レンガに触れずに世界の驚異の内部を覗く

万里の長城は人類史の象徴だが、多くの煉瓦や盛土の芯材は内部から徐々に劣化している。ひび割れや隠れた空洞、染み込む水分は、外観に変化が出るずっと前から構造を静かに脅かす可能性がある。世界遺産に穴を開けたり切断したりすることは新たな損傷を招くリスクがあるため、保存担当者は壁に触れずに内部を“見る”方法を必要としている。本研究は、レーダーを用いた手法が内部の欠陥や湿潤箇所を三次元でマッピングでき、修復をより精密かつ推測に頼らずに行えることを示している。

古壁の内部に潜む問題

北京の明代長城は険しい山地に数百キロにわたって伸びており、主に煉瓦の外殻で囲んだ盛土（砕石や土、石灰モルタル）が芯材になっている。長年にわたりモルタルの収縮や凍結融解、降雨によって小さな亀裂が次第に空洞や煉瓦と芯材の分離へと拡大してきた。水分はこれらの経路に沿って侵入し、材料を弱め、崩壊のリスクを高める。視察や試料採取のための穿孔など従来の検査は遅く、対象範囲が限られ、元の構造を損なう恐れがある。著者らは、長大で複雑な遺構には長距離かつ深部まで探査できる非破壊的手段が必要だと論じ、地中レーダー（GPR）を最有望の手法として注目している。

レーダーは石や土をどう透かして見るか

地中レーダーは地下用のエコー測定器に似て働く。小さなアンテナが短い電波パルスを壁に送り込み、電波が一つの材料から別の材料に移るとき—例えば固い煉瓦から空気の満たされた亀裂へ、あるいは乾いた土から湿った土へ—一部のエネルギーが跳ね返る。アンテナを壁に沿って移動させながらこれらの反射の強さと到達時間を記録することで、内部の層構造や隠れた特徴の画像を構築できる。研究チームは周波数400メガヘルツを選び、深く（煉瓦や夯土に対して数メートル）探査できることと、小さなディテール（数センチ程度）を識別できることのバランスを取った。また、GPRを赤外線サーモグラフィーやレーザースキャニングと比較し、深部に到達して長大な区間で連続的な内部像を提供できるのはGPRのみであると結論付けている。

実験室で小さな長城を再現する

手法を検証・最適化するために、研究者らは伝統的な灰色煉瓦と砕石・土の芯材を用いて縮尺モデルの長城区間（長さ6.9メートル）を構築した。このモデル内部に異なる大きさと深さの人工空洞を10個設け、そのうち2個は空気、水、懸濁液、砂利、煉瓦片、ゆるく詰めた土の各種で13通りに充填して乾燥・湿潤状態を再現した。400MHzレーダーでこのモデルを走査し、基本的な画像に加えて信号の詳細な“属性”—全体の反射強度、支配周波数、時間・周波数にわたるエネルギー分布など—を解析した。これらのテストにより、欠陥内部の含水率が増すにつれて特定のレーダー署名が一貫して変化することが明らかになった。例えば、湿った充填材は一般に全体としてより強い反射を生み、主周波数帯域が狭まり、乾いた充填材と比べて低周波の遅延した長時間応答を示す傾向があった。

データの断面を三次元マップに変換する

多くの平行なラインに沿ってレーダープロファイルを収集することで、研究チームは二次元スライスを積み重ねて壁区間の内部を表す三次元データブロックを作成した。MATLABで作成したカスタムソフトウェアを用い、歴史的石積みの不規則な形状や調査間隔のばらつきを補正しながら、レーダー画像のすべてのピクセルを実座標に対応付けた。次に「等値面（isosurface）」抽出という手法を用い、反射が異常に強い領域を包む滑らかな表面を生成した。実験モデルでのこの三次元再構成は、ほとんどの空洞の位置と形状を捉え、体積の平均誤差は約19パーセントであった—同様に複雑な構造に対する従来の試みよりもかなり良好である。

実際の長城で手法を試す

較正済みの機器を携えて、研究者らは北京の盤龍山長城の一区間を烽火台間で調査した。壁上面からのレーダースキャンは明瞭な煉瓦層と、深さ1〜2メートル付近に分布する強い反射のクラスタを示した。これらの領域を実験で用いた同じ信号属性で解析したところ、パターンは水で飽和した材料というよりも乾いてゆるく締まった土の特徴に最も近かった。言い換えれば、疑わしい箇所は活発な浸水域というより空気や乾いた空洞である可能性が高い。実地データを三次元ボリュームに再構築すると、壁内部に複数の空洞様の構造が現れた。制御されたモデルほど体積を正確に算出するのは難しかったが、それでも構造点検や将来の修復を重点的に行うべき箇所を示す有益な指針を提供した。

文化遺産保護への含意

専門外の読者にとっての要点は、レーダーが単に「何かがおかしい」と示す以上のことを今や可能にしている点だ。反射が含水率に応じてどう変化するかを丁寧に解析し、長大な測定ラインを三次元像に変換することで、保存担当者は内部の空洞を特定し、その規模を推定し、乾燥しているのか水を含んでいるのかの初期判断を—一本の穴も開けずに—得ることができる。材料や気象条件が異なるため各現場での較正は依然として必要だが、本研究は万里の長城や世界中の歴史的石造建造物に対して、GPRを用いた標的を絞った最小限の侵襲による修復を支援する実用的なロードマップを示している。

引用: Qian, W., Wu, R., Tian, W. et al. Non-destructive detection and three-dimensional imaging of internal defects in Beijing Ming Great Wall. npj Herit. Sci. 14, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02341-w

キーワード: 長城の保存, 地中レーダー探査, 非破壊検査, 文化遺産の石造構造物, 含水率検出