科学家精准诊断“热应力”

近日，记者从西安建筑科技大学获悉，该校建筑学院研究团队在文化遗产科技保护领域取得重要进展。团队针对气候变化背景下石窟寺、摩崖造像等半开放遗产面临的热应力损伤问题，构建了一套高精度、多维度的太阳辐射驱动热应力动态评估与预测框架，实现了对遗产表面“看不见的热应力”的可量化、可解释评估，为遗产预防性保护与修复决策提供了科学依据。相关成果发表于《环境影响评估评论》。

热湿变化导致的遗址表面病害加剧。西安建筑科技大学供图

在气候变化背景下，石窟寺、摩崖造像等半开放文化遗产长期暴露于自然环境中，太阳辐射引起的温度梯度变化会在岩体内部持续积累热应力，导致裂隙扩展、表层剥落等渐进性损伤。这类过程比强风、暴雨等突发灾害更隐蔽持久，且难以大尺度精准评估。研究团队创新性引入太阳辐射驱动热应力作为遗产表面环境影响评估新指标，建立“实测—模拟—预测—解释”一体化研究路径。

该框架融合多源数据与多尺度方法：通过现场气象站监测温湿风及太阳辐射等参数；基于无人机倾斜摄影与点云技术重建表面高精度三维模型；结合红外热成像获取温度场分布验证模拟结果。团队采用Perez全天空模型构建多维辐射模型，实现太阳辐射精细化表达，并利用XGBoost机器学习模型预测热应力时空分布，结合SHAP解释性分析方法揭示关键环境驱动因子及其交互机制。

遗产表面结构复杂，不同区域所受太阳辐射差异显著，热应力分布呈高度时空异质性。该框架可精准识别高风险区，具备良好迁移性，能广泛用于不同气候区与形态的半开放遗产评估，并为遮阳结构、表面涂层等保护措施提供优化依据。

“太阳辐射驱动热应力是长期渐进却破坏力巨大的环境作用机制。我们希望通过多源数据融合与可解释机器学习方法，让遗产表面热风险可计算、可预测、可管理，为科学保护提供更精细的决策工具。”团队负责人、西安建筑科技大学教授闫增峰表示。

研究基于无人机倾斜摄影、三维重构与数值模拟的石窟物理环境高精度解析方法，已应用于国内多处石窟遗址，如在麦积山石窟已经得到成功应用。

未来，团队将进一步拓展研究至湿热耦合、水分迁移等更复杂环境过程，探索结合实时监测的动态预警应用，为文化遗产长期预防性保护提供更坚实支撑。