用于科学保护建成遗产的高分辨率多维太阳辐射评估

为什么阳光对古老石材很重要

古老的凿岩寺庙和悬崖雕刻看起来像是超越时光的存在，但正是让我们看见它们的阳光正缓慢地将它们侵蚀开来。本研究展示了太阳的光与热如何在大型悬崖遗址上分布极不均匀，在岩石内部创造出隐形的机械应力热点。通过高精度绘制这些不可见模式，作者提供了一种新方法来精准识别哪些部位风险最大，从而使有限的保护资源能够投向最需要的地方。

把悬崖看作复杂的地形

研究者把注意力集中在大型石窟寺庙，这些地点的数千件雕刻刻于陡峭的岩壁上。遗址全年暴露于日照、风和湿气之下，但其表面绝非平坦：有洞窟、岩 ledge、石柱和悬挑，还有会投下移动阴影的附近山丘与树木。早期研究要么对极小区域做高精度放大，要么对整个区域以粗糙几何形态进行宏观考察。这项工作融合了两种视角，将悬崖视为复杂的三维景观，探问太阳光在全年如何真实地落到其每一处。

构建光与石材的数字孪生

为此，团队为中国的龙门石窟创建了详尽的数字孪生。他们将相机安装在无人机上，从多个角度拍摄整个崖面，然后用计算机视觉构建出能分辨到仅数厘米特征的三维模型。本地气象站逐小时记录日照、温度、湿度和风。随后构建了一个“虚拟天空”，在多个时间尺度上再现直射阳光与散射天光的路径与强度：年度总量、月均值，甚至特定的至日和分至点小时。通过将该天空与三维崖体模型耦合，他们可以模拟山体、洞窟几何和植被如何遮挡或重定向阳光。

不均匀的光照，变动的季节

模拟显示，直射阳光是导致崖面差异的主要驱动因素。朝南与朝西的区域收到的总光照远多于其他朝向，但即便在同一扇区内，某些表面吸收的能量也比附近的阴影凹处高出数倍。在月度和小时尺度上，这一格局更为复杂。冬季太阳高度较低时，某些朝西区域会在中午受到强烈照射，而夏季则有更大范围的区域在更长时间内处于高辐照下。树木能在某些扇区显著减少光照，产生靠近明亮高温斑块却仅相距数米的凉爽岛屿。

从日照到内部应力

阳光并非使岩石均匀升温——它在突出的构件与阴暗空腔之间产生陡峭的温度梯度。团队将高分辨率的辐射图与已知材料特性结合，换算为岩体内部的热应力估算。他们发现，边缘和外凸表面在夏季午后可能承受约400–500千帕的应力，而相邻的阴影部位仅承受约五分之一左右。这些强烈对比可在极短的距离和狭窄的时间窗口内出现，尤其是在最亮日子的下午1点到3点之间，从而促使微小裂缝在每日的热胀冷缩循环中产生并扩展。

为脆弱文物指引更明智的保护

通过将精确几何、真实气象数据与基于物理的模型结合，这一框架将阳光转化为可量化的石材遗产风险因子。修复人员如今不仅能看出崖面哪些朝向暴露于太阳，还能确切识别哪些壁龛、边缘和雕像面临最大长期热应力。这些认知可以指导有针对性的措施——如局部遮阳、选择性加固或改进保护涂层——而不必依赖笼统的经验法则。同样的方法也可扩展到城市街道与建筑立面，帮助社会在变暖与日照增强的世界中管理文化珍宝和现代结构。

引用: Ni, P., Zhang, D., Bi, W. et al. High-resolution, multidimensional solar radiation evaluation for the scientific protection of built heritage sites. Commun Eng 5, 55 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00606-7

关键词: 文化遗产保护, 太阳辐射, 石材风化, 三维环境建模, 热应力