Бесконтактное обнаружение и трёхмерная визуализация внутренних дефектов в Минской части Великой Китайской стены в Пекине

Заглянуть внутрь чуда света, не прикасаясь к кирпичу

Великая Китайская стена — символ человеческой истории, но многие её кирпичи и земляные сердечники постепенно ослабляются изнутри. Трещины, скрытые полости и просачивание влаги могут незаметно подрывать конструкцию задолго до появления видимых повреждений. Поскольку бурение или распил этой памятной конструкции рискуют вызвать новый вред, консерваторам нужны способы «увидеть» внутри стены, не прикасаясь к ней. В этом исследовании показано, как метод на основе радарного сканирования может картировать внутренние дефекты и влажные участки в трёх измерениях, помогая реставраторам ремонтировать стену точнее и с меньшими догадками.

Скрытые проблемы внутри древних стен

Минская Великая стена в Пекине простирается на сотни километров по крутым горам; она в основном представляет собой кирпичную оболочку вокруг уплотнённого сердечника из земли, щебня и известкового раствора. Вековые усадка раствора, промерзание и оттаивание, а также дождевые осадки медленно превращали мелкие трещины в полости и расслоения между кирпичами и внутренним ядром. Влага может проникать по этим путям, ослабляя материалы и повышая риск обрушений. Традиционные проверки, такие как визуальный осмотр или отбор проб бурением, медленны, охватывают лишь небольшие участки и могут отломать оригинальную кладку. Авторы утверждают, что крупным, сложным памятникам, таким как Великая стена, нужны неразрушающие инструменты, которые могут проникать глубоко и покрывать большие расстояния, и они сосредотачиваются на наземной радиолокации (GPR) как на наиболее перспективном варианте.

Как радар «видит» через камень и землю

Наземный радар действует похоже на подземный эхолот. Небольшая антенна посылает короткие импульсы радиоволн в толщу стены; когда эти волны проходят из одного материала в другой — из плотного кирпича в заполненную воздухом трещину или из сухого грунта в влажный — часть энергии отражается назад. Записывая силу и временные задержки этих эхо-сигналов при перемещении антенны вдоль стены, исследователи могут восстанавливать изображения внутренних слоёв и скрытых структур. Команда выбрала частоту радарa 400 мегагерц, которая даёт хороший баланс между глубиной проникновения (несколько метров в кирпич и трамбованный грунт) и разрешением мелких деталей (до нескольких сантиметров). Они также сравнивают GPR с другими неразрушающими методами, такими как инфракрасная термография и лазерное сканирование, и приходят к выводу, что лишь GPR одновременно проникает глубоко и даёт непрерывные внутренние изображения вдоль длинных участков стены.

Постройка мини‑Великой стены в лаборатории

Чтобы опробовать и отточить подход, исследователи построили масштабную физическую модель сегмента стены, используя традиционные серые кирпичи и сердечник из щебня и земли. Внутри этой модели длиной 6,9 метра они заложили десять искусственных полостей разных размеров и глубин, затем заполнили две из них 13 различными материалами: воздухом, водой, суспензией, гравием, фрагментами кирпича и рыхло набитой почвой, каждый вариант в сухом и влажном состоянии. Сканируя модель радаром 400 МГц, они изучали не только базовые изображения, но и более детальные «атрибуты» сигнала — такие как общая сила эха, доминирующая частота и распределение энергии во временной и частотной областях. Эти тесты показали, что определённые радарные сигнатуры последовательно изменяются с увеличением содержания воды в дефекте. Например, влажные заполнения, как правило, давали более сильные отражения в целом, уже основной частотный диапазон и замедлённую, более длительную низкочастотную реакцию по сравнению с сухими заполнениями.

Преобразование срезов данных в 3D‑карту

Сбор радарных профилей вдоль многих параллельных линий позволил команде сложить двумерные срезы в трёхмерный блок данных, представляющий внутреннее пространство участка стены. С помощью программного обеспечения, написанного в MATLAB, они аккуратно сопоставили каждый пиксель в радарных изображениях с реальными координатами, корректируя неравномерность расположения съёмочных линий и неровную геометрию исторической кладки. Затем они использовали технику извлечения «изоповерхности», которая обворачивает гладкую поверхность вокруг областей с аномально сильными радарными отражениями. В лабораторной модели эта 3D‑реконструкция зафиксировала расположение и формы большинства полостей с средней ошибкой по объёму около 19 процентов — значительно лучше, чем у многих ранних попыток на сопоставимо сложных конструкциях.

Испытание метода на настоящей Великой стене

Вооружившись откалиброванными инструментами, исследователи обследовали участок стен Панлоншан в Пекине между двумя сигнальными башнями. Радарные съёмки с вершины стены показали чёткие кирпичные слои и отдельные скопления сильных отражений глубже, на глубинах около одного‑двух метров. При анализе этих зон по тем же атрибутам сигнала, что и в лаборатории, шаблоны наиболее близко соответствовали сухой, рыхло уплотнённой земле, а не насыщенному водой материалу. Иными словами, подозрительные участки, вероятно, представляют собой заполненные воздухом или сухие пустоты, а не активные очаги увлажнения. Перестроение полевых данных в 3D‑объёмы выявило несколько напоминающих полости структур внутри стены; хотя точные объёмы было сложнее определить, чем в контролируемой модели, метод всё же дал ценную информацию о приоритетных зонах для дальнейших проверок и ремонтов.

Что это значит для охраны наследия

Для неспециалистов ключевая мысль такова: радар теперь способен не просто указать, что «что‑то» не в порядке внутри древней стены. Тщательно анализируя, как радарные эхо меняются в зависимости от влаги, и преобразуя длинные полосы измерений в 3D‑изображение, консерваторы могут локализовать внутренние пустоты, оценить их размер и получить первичное представление о том, сухие они или насыщены водой — и всё это без единого сверления. Хотя для каждого участка всё ещё требуется собственная калибровка из‑за различий в материалах и погодных условиях, это исследование предлагает практическую дорожную карту по использованию GPR для целевых, минимально инвазивных ремонтов Великой стены и других исторических кладочных сооружений по всему миру.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Сохранение Великой стены, радар проникновения в грунт, неразрушающий контроль, историческая кладка, обнаружение влаги