对北京明代长城内部缺陷的无损检测与三维成像

在不触碰一块砖的情况下看见世界奇观的内部

长城是人类历史的象征，但许多砖块和夯土芯材正从内部逐步削弱。裂缝、隐蔽空洞和渗入的潮气可以在表面受损出现很久之前悄然破坏结构。由于在这一世界遗产性建筑上钻孔或切割存在造成新损害的风险，保护人员需要能在不接触墙体的情况下“看见”内部的方法。本研究展示了如何用雷达为基础的方法三维绘制内部缺陷和潮湿点，帮助维护人员更精确、少猜测地修复长城。

古墙内部的隐患

北京的明代长城在陡峭山地绵延数百公里，主要由砖壳包裹夯实的土、碎石和灰砂浆芯材建成。几个世纪以来，砂浆收缩、冻融循环和降雨已将微小裂缝逐渐扩展为砖块与内芯之间的空隙和分离。潮气可沿这些通道渗入，削弱材料并增加坍塌风险。传统检查手段如目视调查或钻取样本既缓慢又只能覆盖极小区域，且可能损毁原始构件。作者认为，大型且结构复杂的遗址如长城需要能在长距离内深入探测的无损工具，他们把地质雷达（GPR）视为最有前景的选择。

雷达如何看透石与土

地质雷达的工作原理有点像地下回声探测器。小型天线向墙体发出短脉冲电磁波；当波从一种材料传入另一种材料——例如从实心砖到充气裂缝，或从干土到湿土——部分能量会被反射回来。通过沿墙体移动天线记录回波的强度和时序，研究者就能构建内部层理和隐蔽特征的图像。团队选择了400兆赫的雷达频率，这在穿透深度（可达数米，适用于砖与夯土）和分辨细节（可到几厘米）之间提供了良好平衡。他们还将GPR与其他无损方法如红外热成像和激光扫描进行了比较，结论是只有GPR既能深度穿透又能沿长段墙体提供连续的内部影像。

在实验室搭建一段缩小版长城

为测试并优化方法，研究者用传统风格的灰砖和碎石土芯在实验室搭建了一个按比例缩小的长城模型。该6.9米长的模型内部设置了十个不同尺寸和深度的人造空洞，其中两个空洞以13种不同方式填充：空气、水、浆液、碎石、砖块碎片和松散土壤，每种又有干态和湿态。用400 MHz雷达扫描该模型时，他们不仅检视基本影像，还分析了信号的更多“属性”——例如总体回波强度、主导频率以及能量在时频上的分布。试验显示，随着缺陷内部含水量增加，某些雷达特征呈现一致变化。例如，潮湿填充体通常产生更强的总体回波、更窄的主频带，以及与干态填充相比延迟且持续时间更长的低频响应。

将数据切片拼成三维地图

沿多条平行线收集雷达剖面使团队能够将二维切片叠加为代表墙体段内部的三维数据块。他们用MATLAB编写的定制软件，将雷达图像中的每个像素精确对应到真实坐标，校正不均匀的测线间距和历史砌体的不规则几何形状。随后他们采用一种称为“等值面”提取的技术，在回波异常强烈的区域外包裹出平滑表面。在实验室模型中，这种三维重建捕捉到了大多数空洞的位置与形状，平均体积误差约19%——明显优于以往对同类复杂结构的许多尝试。

在真实长城上的方法检验

带着校准后的工具，研究者对北京盘龙山长城一段烽火台之间的墙体进行了调查。从墙顶向下的雷达扫描展示了清晰的砖层与在约一至二米深处的强回波簇。将这些区域用在实验室测试过的相同信号属性分析后，模式更接近干燥、松散压实的土体，而非浸水饱和的材料。换言之，可疑区域更可能是充气或干燥的空洞，而非活跃的潮湿点。把实地数据重建为三维体积后揭示了墙体内部多个类空腔特征，尽管在现场条件下精确体积比受控模型中更难确定，但该方法仍为集中开展结构检查和未来修复提供了有价值的指引。

这对保护文物意味着什么

对于非专业读者，关键信息是雷达如今能做的不只是简单地提示“内部有问题”。通过细致分析雷达回波如何随含水量而变化，并将长条测量转换为三维图像，保护人员可以在不钻一孔的情况下定位内部空洞、估算其大小，并初步判断是干燥还是含水。这些站点仍需单独校准，因为材料与气候条件各异，但本研究为利用GPR支持有针对性、尽量微创的长城及其他历史砌体修复提供了实用路线图。

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

关键词: 长城保护, 地质雷达, 无损检测, 文化遗产砌体, 含湿量检测