Обнаружение деформаций и повреждений Тулоу на основе слияния многоресурсного 3D-облака точек

Почему древние земляные дома всё ещё важны сегодня

По холмам юго-восточного Китая стоят обширные круглые земляные постройки — тулоу, некоторые из которых насчитывают более 300 лет. В этих общинных зданиях до сих пор живут люди, но время, погода и современные нагрузки постепенно разрушают их. Исследование, о котором идёт речь здесь, показывает, как инструменты, чаще встречающиеся на высокотехнологичных заводах и в инженерных лабораториях — лазерные сканеры, дроны и 3D-моделирование — можно использовать для подробной «диагностики» этих хрупких сооружений, помогая реставраторам раннее выявлять проблемы и сохранять это культурное наследие для будущих поколений.

Жизнь внутри гигантской земляной крепости

Тулоу — монументальные жилища из глины и дерева, построенные хакка в провинции Фуцзянь. Снаружи тулоу, например, Джиньцзянский тулоу, выглядит как огромное кольцо из уплотнённой земли; внутри это вертикальная деревня, с деревянными комнатами, расположенными ярусами вокруг общего двора. Такой дизайн веками защищал семьи от бандитов, штормов и землетрясений. Но те же толстые земляные стены и деревянные балки, что придают тулоу его характерный облик, уязвимы перед медленной деградацией от дождя, влаги, проникающей в стены, и постоянного ветра. Трещины, выпуклости и гниение могут развиваться годами, прежде чем кто-то заметит, что форма здания отклоняется от того, что диктуют силы тяжести и требования безопасности.

Преобразование исторического здания в точную 3D-модель

Чтобы уйти от рулеток и визуальных догадок, исследователи объединили три бесконтактных инструмента: наземный 3D-лазерный сканер, беспилотник с камерой и портативные цифровые фотоаппараты. Сканер облучает тулоу миллионами лазерных импульсов, фиксируя точные положения точек на стенах и конструкции с точностью до миллиметров. Дрон облетает здание сверху и вокруг, делая перекрывающиеся снимки, которые можно преобразовать в 3D-модель, особенно захватывая крыши и верхние стены, недоступные наземному сканеру. Ручные камеры добавляют крупные планы текстур и поверхностных повреждений. С помощью специализированного ПО команда аккуратно выровняла эти разные наборы данных, чтобы они легли слоями в единый, высокодетализированный цифровой двойник Джиньцзянского тулоу.

Как сделать «большие данные» достаточно компактными для анализа

Такой цифровой двойник содержит миллиарды точек — слишком много для прямого и эффективного анализа. Команда протестировала несколько способов упростить это «облако точек», не потеряв важные детали. При случайной вольной выборке компьютер сохраняет лишь часть точек по случаю; при пространственной выборке удаляются точки, лежащие слишком близко друг к другу, оставляя ровную сетку; при выборке с учётом интенсивности выбирают точки на основе силы отражённого лазерного сигнала. Сравнив полученные модели одной деревянной колонны, они обнаружили, что пространственная выборка лучше сохраняет истинную форму колонны, тогда как интенсивностная выборка сглаживает важные впадины и выступы. Этот тщательный шаг по сокращению данных позволил исследователям сохранить ровно столько информации, чтобы чётко различать небольшие деформации, при этом сделав вычисления управляемыми.

Чтение трещин, наклонов и неровных полов

Имея оптимизированную 3D-модель, команда проверяла тулоу как на производственной линии. Для кольцевой земляной стены они разрезали модель на горизонтальные и вертикальные сечения и подгоняли каждое сечение под идеальную геометрическую форму — по сути задаваясь вопросом: «Насколько кругла и вертикальна была бы эта стена в идеале?» Затем они измеряли, насколько реальная стена отклоняется от этой идеальной формы. Результаты показали, что крупные участки наружной стены больше не соответствуют чистому кругу и во многих местах отклоняются от вертикали сильнее рекомендованных пределов. На втором ярусе галереи карта высот с цветовой кодировкой выявила поднятые и просевшие плитки, подтвердив видимые выпуклости и трещины. Для деревянных колонн исследователи подогнали идеальные цилиндры к верхним и нижним сечениям каждой колонны и сравнили их центры. Небольшие горизонтальные смещения трансформировались в малые углы наклона; все шесть тестовых колонн оставались в пределах национальных нормативов безопасности, что указывает на то, что деревянный каркас остаётся конструктивно надёжным, несмотря на признаки старения.

Что это значит для сохранения земляного наследия

Для неспециалистов ключевой вывод в том, что теперь мы можем «увидеть», как древнее здание деформируется способами, слишком тонкими для невооружённого глаза, и делать это без прикосновений и риска повреждения. Превратив Джиньцзянский тулоу в точный 3D-набор данных, исследование демонстрирует, как хранители наследия могут перейти от субъективных впечатлений — «стена выглядит нормально» или «эта трещина вызывает беспокойство» — к измеримым значениям наклона стен, неровности полов и отклонений колонн. Авторы утверждают, что эти цифровые базовые показатели могут лечь в основу долгосрочного мониторинга, войти в цифровые паспорта зданий и даже обучать инструменты искусственного интеллекта распознавать ранние признаки проблем. Короче говоря, 3D-измерения промышленного класса, когда-то предназначенные для нового строительства и производства, становятся мощным союзником в сохранении уязвимых земляных памятников, таких как тулоу, делая их безопасными, устойчивыми и живыми.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Фуцзяньские тулоу, 3D-лазерное сканирование, аэрофотосъёмка БПЛА, сохранение наследия, мониторинг структурного состояния