基于多源三维点云融合的土楼变形与病害检测

为何古老的土筑民居今天仍然重要

在中国东南的群山间，耸立着巨大的环形夯土建筑——土楼，有些已有三百多年历史。这些群体居住的建筑至今仍有人居住，但时间、天气与现代压力正慢慢侵蚀它们。本文总结的研究展示了如何将更常见于高科技工厂与工程实验室的工具——激光扫描仪、无人机与三维建模——用于对这些脆弱结构进行详细的“健康检查”，帮助保护人员及早发现问题，使这一文化遗产得以代代保存。

巨型夯土要塞内的生活

土楼是客家群体在福建省建造的宏伟土木居所。从外观看，像晋江土楼这样的土楼如同巨大的环形夯土堡垒；内部则是垂直的村落，木制的房间层层叠置，围绕着公用的天井。这种设计几个世纪以来为家庭抵御土匪、风暴和地震提供了庇护。但也正是这些厚重的夯土墙体和木梁，使土楼易受雨水、渗入墙体的潮气与长期风化的缓慢损伤。裂缝、鼓包和腐蚀可能在多年间逐渐扩大，直到建筑的形态偏离了重力与安全所要求的状态，才被注意到。

将历史建筑变为精确的三维模型

为了超越卷尺与目测的猜测，研究团队结合了三种非接触式工具：地面三维激光扫描仪、搭载相机的无人机和手持数码相机。地面扫描仪以数百万次激光脉冲扫测土楼，记录墙体和构件上点的精确位置，可达毫米级。无人机在建筑上方与周围飞行，拍摄大量重叠照片，可用于生成三维模型，尤其能捕捉地面扫描难以看到的屋顶与上部墙体。手持相机则补充纹理与表面病害的近景细节。通过专业软件，团队将这些不同的数据集精确对齐，像把图层叠加成一个高度详细的晋江土楼数字孪生体。

把海量数据压缩到可读规模

这样的数字孪生包含数十亿个点——直接处理既困难又低效。团队测试了若干种精简“点云”而不丢失重要细节的方法。在随机抽样中，计算机会按概率保留部分点；在空间抽样中，相距过近的点被裁剪以形成均匀网格；在强度加权抽样中，点的保留依据激光回波信号的强度。通过比较单根木柱的不同模型，他们发现空间抽样较好地保留了柱体的真实形状，而基于强度的抽样则抹平了重要的凹凸变化。这一谨慎的裁剪步骤使研究者能够保留足以清晰识别微小变形的数据量，同时使处理时间保持在可接受范围内。

解读裂缝、倾斜与不平的地面

利用精简后的三维模型，团队把土楼当作在工厂生产线上接受检测的产品来处理。对于夯土环墙，他们将模型切成水平和竖直的剖面，并将每个剖面拟合到理想的几何形状——本质上是在问：“如果墙体是完美的，它应当多圆多垂直？”然后测量实际墙体偏离该理想的程度。结果显示，外墙的大部分区域已不再符合规整的圆形，并且在多个位置的倾斜超过推荐限度。在二层走道上，彩色高度图揭示了隆起与下沉的砖面，证实了可见的鼓包与裂缝。对木柱，研究者分别在柱顶与柱底拟合理想圆柱并比较其中心点，微小的水平位移转化为小角度倾斜；六根试验柱均在国家安全标准以内，这表明尽管外观显老，木骨架整体仍保持结构性良好。

对保护夯土遗产的意义

对非专业读者而言，核心信息是我们现在可以“看见”古建筑正在发生的、肉眼难以辨别的变形，而且无需接触或损伤建筑。通过把晋江土楼转化为精确的三维数据集，研究表明保护管理者可以从主观印象（“墙看起来还行”或“那个裂缝似乎值得担心”）转向对墙体倾斜、地面不平与柱子倾斜等指标的定量测量。作者认为，这些数字基线可作为长期监测的参考，纳入数字建筑档案，甚至用于训练人工智能工具以识别早期病害迹象。简言之，曾经只用于新建工程与制造业的工业级三维测量，正成为守护像土楼这样脆弱夯土遗迹的强有力助手，使它们更加安全、稳定并延续其生命力。

引用: 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

关键词: 福建土楼, 3D激光扫描, 无人机摄影测量, 文化遗产保护, 结构健康监测