Wykrywanie deformacji i chorób Tulou na podstawie fuzji wieloźródłowej chmury punktów 3D

Dlaczego starożytne ziemne domy nadal mają znaczenie

Wśród wzgórz południowo-wschodnich Chin wznoszą się rozległe, okrągłe domy z ubitej ziemi zwane Tulou, z których niektóre mają ponad 300 lat. Są to budynki wspólnotowe, w których wciąż mieszkają ludzie, lecz czas, pogoda i współczesne naciski stopniowo je niszczą. Omówione tutaj badanie pokazuje, jak narzędzia częściej widywane w zaawansowanych fabrykach i laboratoriach inżynieryjnych — skanery laserowe, drony i modelowanie 3D — można wykorzystać do przeprowadzenia szczegółowego „badania stanu zdrowia” tych delikatnych struktur, pomagając konserwatorom wcześnie wykrywać problemy i zachować to dziedzictwo kulturowe dla przyszłych pokoleń.

Życie wewnątrz olbrzymiego ziemnego fortu

Tulou to monumentalne budowle z ziemi i drewna wznoszone przez społeczności Hakka w prowincji Fujian. Z zewnątrz Tulou, takie jak Jinjiang Tulou, przypomina ogromną pierścieniową fortecę z ubitej ziemi; wewnątrz to pionowa wioska, z piętrzącymi się drewnianymi mieszkaniami wokół wspólnego dziedzińca. Ten układ chronił rodziny przed bandytami, sztormami i trzęsieniami ziemi przez wieki. Jednocześnie grube ziemne mury i drewniane belki, które nadają Tulou charakterystyczny wygląd, są podatne na powolne uszkodzenia spowodowane deszczem, wilgocią przenikającą do ścian oraz stałym wiatrem. Pęknięcia, wybrzuszenia i rozkład mogą rozwijać się latami, zanim ktoś zauważy, że kształt budynku odchyla się od wymagań grawitacji i bezpieczeństwa.

Przekształcanie zabytkowego budynku w precyzyjny model 3D

Aby wyjść poza miarki i wizualne domysły, badacze połączyli trzy bezkontaktowe narzędzia: naziemny skaner 3D, drona z kamerą oraz ręczne aparaty cyfrowe. Skaner przemiata Tulou z poziomu gruntu milionami impulsów laserowych, rejestrując dokładne pozycje punktów na ścianach i konstrukcji z dokładnością do milimetrów. Dron lata nad i wokół budynku, wykonując nachodzące na siebie zdjęcia, które mogą posłużyć do wygenerowania modelu 3D, szczególnie rejestrując dachy i górne części ścian, których skaner naziemny nie widzi. Aparaty ręczne dostarczają zdjęć z bliska tekstur i uszkodzeń powierzchni. Korzystając ze specjalistycznego oprogramowania, zespół starannie wyrównał te różne zbiory danych, tak by pasowały do siebie jak warstwy jednego, bardzo szczegółowego cyfrowego bliźniaka Jinjiang Tulou.

Uporządkowanie dużych danych, by dały się odczytać

Taki cyfrowy bliźniak zawiera miliardy punktów — zbyt wiele, by analizować je bezpośrednio i efektywnie. Zespół przetestował kilka metod „przycinania” tej »chmury punktów« bez utraty istotnych detali. W próbkowaniu losowym komputer zachowuje tylko część punktów losowo; w próbkowaniu przestrzennym punkty leżące zbyt blisko siebie są przycinane, zostawiając równomierną siatkę; w próbkowaniu ważonym natężeniem punkty wybierane są na podstawie siły sygnału zwrotnego lasera. Porównując powstałe modele pojedynczej drewnianej kolumny, odkryli, że próbkowanie przestrzenne najlepiej zachowało rzeczywisty kształt kolumny, podczas gdy próbkowanie ważone natężeniem wygładzało istotne zagłębienia i wypukłości. Ten staranny etap przycinania pozwolił badaczom zachować wystarczającą ilość danych, by wyraźnie dostrzec drobne deformacje, przy jednoczesnym utrzymaniu czasu przetwarzania na rozsądnym poziomie.

Odczytywanie pęknięć, pochylenia i nierówności podłóg

Mając uproszczony model 3D, zespół potraktował Tulou jakby był sprawdzany na linii produkcyjnej fabryki. W odniesieniu do pierścieniowej ściany ziemnej, pocięli model na poziome i pionowe przekroje i dopasowali każdą warstwę do idealnego kształtu geometrycznego — zasadniczo pytając: „Jak okrągła i pionowa byłaby ta ściana, gdyby była idealna?” Następnie zmierzyli, jak daleko rzeczywista ściana odchyla się od tego ideału. Wyniki pokazały, że duże fragmenty zewnętrznej ściany przestały odpowiadać czystemu okręgowi i w wielu miejscach przekraczają zalecane limity pochylenia. Na galerii drugiego piętra kolorowa mapa wysokości ujawniła wypukłe i zapadnięte dachówki, potwierdzając widoczne wybrzuszenia i pęknięcia. Dla drewnianych kolumn badacze dopasowali idealne walce do górnej i dolnej części każdej kolumny i porównali ich środki. Niewielkie przesunięcia poziome przełożyły się na małe kąty pochylenia; wszystkie sześć badanych kolumn mieściło się w krajowych normach bezpieczeństwa, co wskazuje, że drewniana konstrukcja pozostaje strukturalnie stabilna mimo widocznego wieku.

Co to oznacza dla ratowania ziemnego dziedzictwa

Dla osób spoza specjalności kluczowa wiadomość jest taka: teraz możemy „zobaczyć”, jak starożytny budynek deformuje się w sposób zbyt subtelny dla ludzkiego oka — i zrobić to bez dotykania czy uszkadzania obiektu. Przekształcając Jinjiang Tulou w precyzyjny zestaw danych 3D, badanie pokazuje, jak opiekunowie dziedzictwa mogą przejść od subiektywnych wrażeń — „ściana wygląda dobrze” lub „to pęknięcie wydaje się niepokojące” — do zmierzonych wartości dotyczących pochylenia ścian, nierówności podłóg i odchylenia kolumn. Autorzy argumentują, że te cyfrowe bazy wyjściowe mogą stanowić punkt odniesienia dla długoterminowego monitoringu, trafiać do cyfrowych rejestrów budynków, a nawet szkolić narzędzia sztucznej inteligencji do rozpoznawania wczesnych sygnałów problemów. Krótko mówiąc, przemysłowe pomiary 3D, niegdyś zarezerwowane dla nowej budowy i produkcji, stają się potężnym sprzymierzeńcem w utrzymaniu wrażliwych ziemnych zabytków, takich jak Tulou, w stanie bezpiecznym, stabilnym i żywym.

Cytowanie: Zhang, J., Zou, S., Zhang, W. et al. Deformation and disease detection of Tulou based on multi-source 3D point cloud fusion. npj Herit. Sci. 14, 66 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02333-w

Słowa kluczowe: Tulou z Fujian, skanowanie laserowe 3D, fotogrametria UAV, konserwacja dziedzictwa, monitoring stanu konstrukcji