Non-Invasive Monitoring of Architectural Heritage

Abstract

The on-site documentation and examination of architectural heritage has presented challenges for traditional analysis methods in the form of, among other things, large complex structures, sites and environmental conditions. In recent years there has been growing interest in assessing progressing deterioration processes and material analysis, with an emphasis on sustainable conservation and maintenance planning. Today, new non-invasive examination and visualisation methods are becoming increasingly important in the study of cultural heritage. Furthermore, increased awareness of complex on-site conditions and of the impact of climate on the built heritage has led to advances in monitoring and prediction technology in order to aid on-site studies, with a focus on mobile techniques. Within this context, new remote sensing techniques are also being developed, in addition to various laser-based techniques as analytical tools, such as laser-induced fluorescence.



In order to address the challenge of complex analysis situations in an outdoor environment, the present research aimed to investigate the potential of a remote sensing method involving the use of two mobile systems. The study focused on the architectural surface of historical monuments, mainly on stone and brick materials, using a laser-induced fluorescence technique to monitor a building from a remote location. The study is in the form of a multiple case study research project using a mixed methodology strategy to provide context and sufficient data for the analysis of building status and aspects of deterioration, both for traditional building documentation and the fluorescence analysis. There were cases studies: Övedskloster in Sweden, the Coliseum Amphitheatre and the Lateran Baptistery in Rome. These produced information on conducting remote investigation on site and the possibility of conducting interdisciplinary studies as well as providing support for supplementary laboratory studies.



The use of a non-invasive technique indicated a potential for remote analysis, with the ability to scan the façade from up to 65 metres, and early detection of non-visual phenomena by means of fluorescence. In addition, it was possible to visualise monitoring phenomena on historic façades by means of thematic mapping and, where hyperspectral imaging could suffice, visualisation of analysis. The research demonstrated the early detection of biodeteriogens in fluorescence on areas that were difficult to assess from ground level, for identification as well as for an initial assessment of the chlorophyll content, which could indicate a need for further monitoring as well as pointing out areas requiring further analysis of species categories and potential spread. The initial characterisation of surface material, both previously known and non-visual, was also investigated. This could prove useful when planning conservation decisions and sustainable maintenance. The technique could also serve as a basis for the identification and initial assessment of the contribution of chemical treatments, soiling and biodeteriogens, where monitoring of large architectural structures is required.



Finally, the technique may be particularly suitable for providing an initial indication for planning maintenance and/or for the future minimum conservation of large-scale objects, especially in the outdoor environment where uncontrolled external conditions are inevitable. This could also help with suitable documentation over time by monitoring changes and the speed of the deterioration processes by means of repeated whisk-broom scanning at regular intervals over time. It could also be used as a tool in conservation maintenance planning.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Två mobila system, ett svenskt och ett italienskt, för undersökning av historiska fasader har använts för att undersöka möjligheten till identifiering av olika material, biologisk påväxt och faktorer som i framtiden kan leda till nedbrytning av kulturhistoriskt värdefulla monument. Undersökningarna visade på möjligheter att genomföra analyser av ytor med hjälp av fluorescens från 65 meters avstånd, oberoende av tid på dygnet och årstid, och med möjligheten att kunna skanna av ytor som är svåra att nå från marknivå. Resultatet av analyserna visade på tidig identifiering av algpåväxt genom chlorophyll a, liksom en första klassificering, även på ytor där påväxten inte var visuellt synlig. Analyserna visade också på identifiering av olika material i byggnaderna samt tidigare konserveringsinsatser. Forskningsprojektet visade på möjliga tillämpningsområden för kulturvården genom användandet av de mobila systemen för återkommande icke-förstörande undersökningar i fält och från längre avstånd, samt att tidigt kunna upptäcka fenomen som kan leda till förnyad kunskap och möjlighet till långsiktig planering.



Dokumentation och undersökning är idag en viktig del i arbetet med att söka förstå, illustrera och förmedla vårt kulturhistoriska byggnadsarv. Problematik med undersökningar i fält, klimatförhållanden, komplexa strukturer och blandning av materialgrupper som hanteras olika vid en eventuell konserveringsinsats, liksom svårigheter att mäta graden av nedbrytning över tid är några utav de problem som byggnadsvården idag hanterar. Idag finns en mängd metoder och tekniker till vår hjälp för att undersöka, analysera och förvalta vårt gemensamma kulturarv. Diskussionen inom konservering-restaurering relaterar idag kring hållbar utvecklig och underhåll i form av minimala åtgärder. Likaså finns ett behov av ett långsiktigt förhållande till förvaltning av byggnader samt planering och riskbedömning inför framtiden. Inom kulturarvssektorn finns en önskan att i allt högre grad använda icke-förstörande undersökningsmetoder. Att utveckla metoder som kan visualisera fenomen som det mänskliga ögat inte uppfattar, att kunna genomföra undersökningar från långa avstånd utan att behöva sätta upp byggnadsställningar, arbetsplattformar eller ta prover av känsliga ytor är värdefullt för kulturvården i ett internationellt perspektiv. Idag finns ett allt större behov av mobila tekniska system som klarar av komplexa analyser utomhus. För att kunna undersöka kulturhistoriskt värdefulla byggnader och förstå varför material bryts ned krävs ofta specialutrustning, nära kontakt och återkommande kontroller för att på lång sikt kunna ta hand om vårt byggda kulturarv.



Med detta som bakgrund har forskningsprojektet syftat till att undersöka om metoden ”laser-induced fluorescence imaging” kan användas för undersökning av historiska byggnader i fält. Detta är en spektral metod som använder sig utav ultraviolett ljus för att analysera fenomen i fluorescens som är svåra att upptäcka inom det mänskliga ögats synområde. Fluorescens tillsammans med laserradar, eller lidarteknik (lidar är en förkortning utav light detection and ranging) har använts från mobila laboratorier för att undersöka möjligheten för tillämpningen i fält med långa avstånd. I de mobila laboratorierna finns utrustning som möjliggör att en laserpuls kan skickas ut i atmosfären mot en på förhand bestämd yta, i detta fall en ca 2-5 cm diameter stor träffpunkt på en fasad. När en ultraviolett laserpuls träffar ett material sänds fluorescens ut beroende på de molekyler som har träffats. Fluorescensljuset emitteras tillbaka från materialet och kan upptäckas med ett teleskop och mätas och analyseras utifrån dess specifika spektrum, beroende på de karaktäristiska våglängder där ett visst ämne absorberar ljus. På så vis kan fluorescens-spektrum från olika punkter registreras och lagras och förutom information från varje punkt så kan en bestämd area även skannas av för att ge information om ett större område. Skillnader i olika spektra kan förekomma, beroende på den kemiska sammansättningen i den punkt som undersöks och på så vis kan föroreningar på ytan och skillnader i material detekteras, t ex information om biologisk påväxt på en fasad som är svår att se med blotta ögat kan upptäckas genom identifiering av klorofylls karaktäristiska spektrum.



Projektet har använt fallstudier för att kunna undersöka olika typer av material och besvara olika frågeställningar för arbete i fält. De huvudsakliga fallstudierna har varit 1700-talsslottet Övedskloster i Skåne, den antika amfiteatern Colosseum och Lateranbaptisteriet i Rom, samt fyra studier av olika prover. På så sätt har ytor av framförallt sandsten, kalksten och tegel undersökts och analyserats.



Arbetet har genomförts som en mångvetenskaplig studie med en samstämmig trianguleringsstrategi för att jämföra och utvärdera metodens tillämpning inom kulturvården. Förutom analysen med hjälp av laserradar och fluorescens har icke-förstörande traditionella metoder för byggnadsundersökning använts på samma material, såsom bl a inventering, skadeanalyser, karaktärisering av material och uppmätning för sammanläsning av analyser.



Laserradar och fluorescens har tidigare utvecklats inom bl a medicin- och miljösektorn men används nu även för byggnader. I första hand syftar projektet till att undersöka oorganiska material samt utveckla metoden för tidig identifiering av biologisk påväxt. Med hjälp av spektroskopisk avläsning kan sedan den upphämtade informationen i fluorescens omvandlas till läsbara bilder som syftar till identifikation av olika fenomen på en och samma fasad, vilka kan ge ytterligare förståelse av en historisk byggnad och anvisningar för framtida underhåll, detta kallas thematic mapping.



Projektet har till sin karaktär i huvudsak arbetat med frågeställningar inom byggnadsdokumentation och undersökning med interdisciplinära metoder och samarbeten, främst byggnadsvård och atomfysik vid Lunds Universitet, men samverkar även över nationsgränserna med olika aktörer inom konservering och kulturvård, framförallt med den italienska forskargruppen IFAC-CNR i Florens. I detta arbete diskuteras tre huvudsakliga fallstudier där användandet och applikationen inom kulturvården presenteras i form av sju artiklar som bifogats i ett appendix.

• author: Hällström, Jenny
• supervisor: Kerstin Barup
• opponent: TD Edman, Victor, School of Architecture and the Built Environment, Royal Institute of Technology (KTH), 100 44 Stockholm
• organization: Architectural, Conservation and Restoration
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Civil Engineering
• keywords: remote sensing, lidar, laser-induced fluorescence, documentation, hyperspectral, non invasive, non destructive, sustainable maintenance, conservation planning, monitoring, Coliseum, architectural conservation, restoration, Övedskloster, deterioration, Lateran Baptistery, stone, brick, thematic mapping, in situ, imaging, biodeteriogens
• pages: 231 pages
• defense location: Lecture Hall A:C, School of Architecture, Sölvegatan 24, Lund
• defense date: 2008-09-05 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-7551-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: bc5ad9cf-4d52-4833-ad5c-57bee1cbdf78 (old id 1166101)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:56:59
• date last changed: 2018-11-21 21:11:29