一種定量測量砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量方法，尤其涉及一種定量測量砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大多數(shù)情況下，對砂巖質(zhì)文物風(fēng)化速度的表達(dá)只是通過"嚴(yán)重"、"快"等定性詞語 表達(dá)，對于文物保護(hù)這樣的科學(xué)工作，既無數(shù)據(jù)支持，也不符合科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕疽?。砂巖 質(zhì)文物風(fēng)化速度的測定一直是業(yè)界難題，至今難有有效而實用的測定方法，而定量測定砂 巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方法則屬于技術(shù)空白，前人未有涉及者。之前有學(xué)者以砂巖質(zhì)文 物風(fēng)化深度為研究對象進(jìn)行過相關(guān)研究，研究者將砂巖質(zhì)文物的風(fēng)化速度定義為風(fēng)化深度 與風(fēng)化時間的比值。即將風(fēng)化巖石表面脆弱層到新鮮巖石層的深度定義為風(fēng)化深度；通過 文獻(xiàn)記載及題記等推斷文物的完成年代，以此來確定風(fēng)化時間。以上方法測定的砂巖質(zhì)文 物風(fēng)化速度存在很多問題和缺陷：首先風(fēng)化層深度的測定存在技術(shù)難題，有學(xué)者通過新鮮 巖石和風(fēng)化巖石磁化率的不同來確定風(fēng)化深度，但是此種方法需要在風(fēng)化巖石上鉆孔來實 現(xiàn)，對于一般風(fēng)化巖石來說可以操作，但是針對屬于不可再生資源的文物而言顯然是難以 實現(xiàn)的；其次，風(fēng)化時間的確定也存在不確定性，對于有確切歷史紀(jì)年的文物而言，通過文 獻(xiàn)記載或者題記等可以比較準(zhǔn)確地確定文物完成時間，但是有很大一部分砂巖質(zhì)文物的具 體制作時間是難以確定的。最終的結(jié)果是，風(fēng)化深度難以準(zhǔn)確測量，而風(fēng)化時間也存在很大 不確定性，由此計算出的風(fēng)化速度的準(zhǔn)確性也值得商榷。所以傳統(tǒng)意義上對砂巖質(zhì)文物的 風(fēng)化速度的測定都很難準(zhǔn)確，定量測定也就無從談起。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明將原有砂巖質(zhì)文物的風(fēng)化速度給予新的定義，BP 將砂巖質(zhì)文物在測定時間內(nèi)的單位表面的體積變化量或單點形變量定義為風(fēng)化速度，并提 供相應(yīng)的風(fēng)化速度的測量方法。
[0004] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0005] -種定量測量砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方法，
[0006] 文物表面風(fēng)化速度為在測定時間內(nèi)的單位表面積的體積變化量或單點形變量，具 體地：
[0007] 對于體積變化量：平均風(fēng)化速度=體積變化量/投影面積/檢測間隔時間；
[0008] 對于單點形變量：平均風(fēng)化速度=單點形變量/檢測間隔時間；
[0009] 定量測量砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方法為：
[0010] A.根據(jù)文物的位置設(shè)置控制點和觀測方向；
[0011] B.通過全站儀測定控制點的坐標(biāo)并建立控制網(wǎng)；
[0012] C.通過三維激光掃描儀對待測文物進(jìn)行首次掃描，得到點云數(shù)據(jù)，將控制網(wǎng)的坐 標(biāo)導(dǎo)入三維激光掃描儀，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接匹配，同時將首次掃描得到的數(shù)據(jù)定義 為初始模型，并記錄測量時間；
[0013] D.進(jìn)行首次測量后相隔一檢測周期，通過三維激光掃描儀對待測文物再次進(jìn)行掃 描，得到點云數(shù)據(jù)，將控制網(wǎng)的坐標(biāo)導(dǎo)入三維激光掃描儀，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接匹配， 將再次掃描得到的數(shù)據(jù)定義為測試模型，并記錄測量時間；
[0014] E.對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到文物的表面特征參數(shù)；
[0015] F.對初始模型和測試模型的表面特征參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到文物監(jiān)測周期內(nèi) 單位表面積的體積變化量或單點形變量。
[0016] 優(yōu)選的是，在建立控制網(wǎng)時，設(shè)立臨時轉(zhuǎn)點作為測量高程的過渡點。
[0017] 優(yōu)選的是，在建立控制網(wǎng)時，將基于控制點坐標(biāo)測量三維激光掃描儀的標(biāo)靶坐標(biāo)。
[0018] 優(yōu)選的是，采用后方交會的方法測量標(biāo)靶的坐標(biāo)。
[0019] 優(yōu)選的是，所述數(shù)據(jù)拼接的方法為點約束配準(zhǔn)法，具體地：
[0020] 基于標(biāo)靶點進(jìn)行距離影像配準(zhǔn)，將標(biāo)靶點作為全站儀和激光掃描儀的同名坐標(biāo) 點，由全站儀的距離影像坐標(biāo)系統(tǒng)向三維激光掃描儀的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行空間參數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0021] 優(yōu)選的是，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法為：
[0022] 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：將整體點云數(shù)據(jù)分割成單體點云數(shù)據(jù)塊，對每一塊單體點云 數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理，剔除干擾數(shù)據(jù)和離散點；對單體點云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣或再次分割處 理，從而減小數(shù)據(jù)，利于處理；
[0023] 構(gòu)建三角網(wǎng)模型：將待處理的點云數(shù)據(jù)分散為離散數(shù)據(jù)，由離散數(shù)據(jù)點構(gòu)建三角 網(wǎng)模型，從而表達(dá)空間不規(guī)則體；具體地，對于平面上η個離散點，其平面坐標(biāo)為（xi，yi)， i = 1，2，"·，η，將其中相近的三點構(gòu)成三角形，使每個離散點都成為三角形的頂點；
[0024] 將數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對比：通過對比目標(biāo)區(qū)域的體積變化量或單點形變量實現(xiàn)對風(fēng)化 速度的測定。
[0025] 優(yōu)選的是，所述重采樣的方法為對曲率進(jìn)行提取從而稀化點云數(shù)據(jù)，其中，保留小 曲率區(qū)域20% -40%的點，保留大曲率區(qū)域80%以上的點，具體地判斷點云曲率的方法為：
[0026] Α.角度偏差法，其原理是：在截面上的連續(xù)點，每相鄰兩點構(gòu)成一個有向矢量，相 鄰矢量間的角度偏差反映了截面上點的曲率變化，從而根據(jù)該角度偏差來精簡點云數(shù)據(jù)； 或者，
[0027] Β.最小距離法，其原理是：設(shè)定一個最小距離dmin，然后沿掃描線方向順序比較 相鄰兩點間的距離d，若d〈dmin，則記錄后一個比較點，依次判斷所有掃描點，最后根據(jù)剩 余點表達(dá)模型是否清晰來判斷這些記錄點是否剔除。
[0028] 優(yōu)選的是，對單體點云數(shù)據(jù)塊進(jìn)行去噪稀化時，保留的數(shù)據(jù)量不小于單體點云數(shù) 據(jù)的60%。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式的測量手段，具有速度快、精 度高等特點，不會對文物本體造成任何損傷，使針對砂巖質(zhì)文物本體的風(fēng)化速度測量成為 可能，解決了傳統(tǒng)測量方式難以對文物本體進(jìn)行有效測量的技術(shù)難題，對砂巖質(zhì)文物的保 護(hù)研究具有重大的促進(jìn)作用和現(xiàn)實意義。另外，此種方法可以準(zhǔn)確地測定所測文物的體積 變化及單點變化量，同時風(fēng)化時間也可準(zhǔn)確計算，保證了最終測定的風(fēng)化速度的精確性，改 變了以往測定方法所得結(jié)果的不確定性，使準(zhǔn)確研究風(fēng)化速度成為可能。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的控制點和臨時轉(zhuǎn)點的位置示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明的方法的實施流程示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明的后方交會法的原理示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明的構(gòu)建三角網(wǎng)模型的原理示意圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明的風(fēng)化面的風(fēng)化部分示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 砂巖質(zhì)文物的風(fēng)化情況，可通過風(fēng)化速度（表面形變速度）、風(fēng)化廣度（風(fēng)化的范 圍）、風(fēng)化深度、以及風(fēng)化程度等來表征，本發(fā)明主要針對表面風(fēng)化速度展開討論。首先，將 原有砂巖質(zhì)文物的風(fēng)化速度給予新的定義和內(nèi)涵，即將砂巖質(zhì)文物在測定時間內(nèi)的表面體 積變化量或單點形變量定義為風(fēng)化速度，從新的視角解決傳統(tǒng)定義中風(fēng)化深度難于測定的 問題。其次，將多次基于三維激光掃描技術(shù)測定體積變化或單點變化的間隔時間定義為為 風(fēng)化時間，可根據(jù)兩次檢測的時間間隔準(zhǔn)確地確定風(fēng)化時間，拋棄傳統(tǒng)意義上通過文獻(xiàn)資 料等推斷風(fēng)化時間的方法。這種方法確定的是在測定時間內(nèi)的風(fēng)化速度，對于研究現(xiàn)階段 及以后的砂巖質(zhì)文物風(fēng)化問題具有可操作的現(xiàn)實意義。
[0036] 本發(fā)明以云閃石窟第9、10窟外立面砂巖體風(fēng)化速度的測定過程為例，對具體實 施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。本技術(shù)以三維激光掃描技術(shù)為依托，對石窟外立面（立柱）進(jìn)行高 精度定點測繪，實現(xiàn)風(fēng)化速度監(jiān)測。通過對2至3年時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，定量測定以云 岡石窟為代表的砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度。
[0037] 首先對石窟文物的外立面進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)以及測量。經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查及綜合分 析，將控制網(wǎng)布設(shè)在第9、10窟的南側(cè)，控制點由5個點組成，形成一個扇形的網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。
[0038] 具體實施內(nèi)容過程如圖2所示，包括：
[0039] (1)控制點設(shè)置5個，用長度大于10 -20cm、直徑為I -2cm的鋼釘設(shè)置，頂部有標(biāo) 示，以便易于區(qū)分辨認(rèn)；
[0040] (2)測定控制點的邊長、角度和高程；控制網(wǎng)內(nèi)的各控制點