一种定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法技术

本发明专利技术涉及一种定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法。本发明专利技术使用的三维激光扫描技术属于非接触式的测量手段，具有速度快、精度高等特点，不会对文物本体造成任何损伤，使针对文物本体的风化速度测量成为可能，解决了传统测量方式难以对文物本体进行有效测量的技术难题，对砂岩质文物的保护研究具有重大的促进作用和现实意义。另外，此种方法可以准确地测定所测文物的体积变化及单点变化量，同时风化时间也可准确计算，保证了最终测定的风化速度的精确性，改变了以往测定方法所得结果的不确定性，使准确研究风化速度成为可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量方法，尤其涉及一种定量测量砂岩质文物表面风化速度的方 法。
技术介绍
大多数情况下，对砂岩质文物风化速度的表达只是通过"严重"、"快"等定性词语 表达，对于文物保护这样的科学工作，既无数据支持，也不符合科学严谨的基本要求。砂岩 质文物风化速度的测定一直是业界难题，至今难有有效而实用的测定方法，而定量测定砂 岩质文物表面风化速度的方法则属于技术空白，前人未有涉及者。之前有学者以砂岩质文 物风化深度为研究对象进行过相关研究，研究者将砂岩质文物的风化速度定义为风化深度 与风化时间的比值。即将风化岩石表面脆弱层到新鲜岩石层的深度定义为风化深度；通过 文献记载及题记等推断文物的完成年代，以此来确定风化时间。以上方法测定的砂岩质文 物风化速度存在很多问题和缺陷：首先风化层深度的测定存在技术难题，有学者通过新鲜 岩石和风化岩石磁化率的不同来确定风化深度，但是此种方法需要在风化岩石上钻孔来实 现，对于一般风化岩石来说可以操作，但是针对属于不可再生资源的文物而言显然是难以 实现的；其次，风化时间的确定也存在不确定性，对于有确切历史纪年的文物而言，通过文 献记载或者题记等可以比较准确地确定文物完成时间，但是有很大一部分砂岩质文物的具 体制作时间是难以确定的。最终的结果是，风化深度难以准确测量，而风化时间也存在很大 不确定性，由此计算出的风化速度的准确性也值得商榷。所以传统意义上对砂岩质文物的 风化速度的测定都很难准确，定量测定也就无从谈起。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术将原有砂岩质文物的风化速度给予新的定义，BP 将砂岩质文物在测定时间内的单位表面的体积变化量或单点形变量定义为风化速度，并提 供相应的风化速度的测量方法。 本专利技术提供的技术方案为： -种定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法， 文物表面风化速度为在测定时间内的单位表面积的体积变化量或单点形变量，具 体地： 对于体积变化量：平均风化速度=体积变化量/投影面积/检测间隔时间； 对于单点形变量：平均风化速度=单点形变量/检测间隔时间； 定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法为： A.根据文物的位置设置控制点和观测方向； B.通过全站仪测定控制点的坐标并建立控制网； C.通过三维激光扫描仪对待测文物进行首次扫描，得到点云数据，将控制网的坐 标导入三维激光扫描仪，对点云数据进行数据拼接匹配，同时将首次扫描得到的数据定义 为初始模型，并记录测量时间； D.进行首次测量后相隔一检测周期，通过三维激光扫描仪对待测文物再次进行扫 描，得到点云数据，将控制网的坐标导入三维激光扫描仪，对点云数据进行数据拼接匹配， 将再次扫描得到的数据定义为测试模型，并记录测量时间； E.对点云数据进行处理，得到文物的表面特征参数； F.对初始模型和测试模型的表面特征参数的数据进行比较，得到文物监测周期内 单位表面积的体积变化量或单点形变量。 优选的是，在建立控制网时，设立临时转点作为测量高程的过渡点。 优选的是，在建立控制网时，将基于控制点坐标测量三维激光扫描仪的标靶坐标。 优选的是，采用后方交会的方法测量标靶的坐标。 优选的是，所述数据拼接的方法为点约束配准法，具体地： 基于标靶点进行距离影像配准，将标靶点作为全站仪和激光扫描仪的同名坐标 点，由全站仪的距离影像坐标系统向三维激光扫描仪的坐标系统进行空间参数转换。 优选的是，对点云数据进行处理的方法为： 对数据进行预处理：将整体点云数据分割成单体点云数据块，对每一块单体点云 数据进行去噪声处理，剔除干扰数据和离散点；对单体点云数据进行重采样或再次分割处 理，从而减小数据，利于处理； 构建三角网模型：将待处理的点云数据分散为离散数据，由离散数据点构建三角 网模型，从而表达空间不规则体；具体地，对于平面上η个离散点，其平面坐标为（xi，yi)， i = 1，2，"·，η，将其中相近的三点构成三角形，使每个离散点都成为三角形的顶点； 将数据模型进行对比：通过对比目标区域的体积变化量或单点形变量实现对风化 速度的测定。 优选的是，所述重采样的方法为对曲率进行提取从而稀化点云数据，其中，保留小 曲率区域20% -40%的点，保留大曲率区域80%以上的点，具体地判断点云曲率的方法为： Α.角度偏差法，其原理是：在截面上的连续点，每相邻两点构成一个有向矢量，相 邻矢量间的角度偏差反映了截面上点的曲率变化，从而根据该角度偏差来精简点云数据； 或者， Β.最小距离法，其原理是：设定一个最小距离dmin，然后沿扫描线方向顺序比较 相邻两点间的距离d，若d〈dmin，则记录后一个比较点，依次判断所有扫描点，最后根据剩 余点表达模型是否清晰来判断这些记录点是否剔除。 优选的是，对单体点云数据块进行去噪稀化时，保留的数据量不小于单体点云数 据的60%。 本专利技术的有益效果：三维激光扫描技术属于非接触式的测量手段，具有速度快、精 度高等特点，不会对文物本体造成任何损伤，使针对砂岩质文物本体的风化速度测量成为 可能，解决了传统测量方式难以对文物本体进行有效测量的技术难题，对砂岩质文物的保 护研究具有重大的促进作用和现实意义。另外，此种方法可以准确地测定所测文物的体积 变化及单点变化量，同时风化时间也可准确计算，保证了最终测定的风化速度的精确性，改 变了以往测定方法所得结果的不确定性，使准确研究风化速度成为可能。【附图说明】 图1为本专利技术的控制点和临时转点的位置示意图； 图2为本专利技术的方法的实施流程示意图； 图3为本专利技术的后方交会法的原理示意图； 图4为本专利技术的构建三角网模型的原理示意图； 图5为本专利技术的风化面的风化部分示意图。【具体实施方式】 砂岩质文物的风化情况，可通过风化速度（表面形变速度）、风化广度（风化的范 围）、风化深度、以及风化程度等来表征，本专利技术主要针对表面风化速度展开讨论。首先，将 原有砂岩质文物的风化速度给予新的定义和内涵，即将砂岩质文物在测定时间内的表面体 积变化量或单点形变量定义为风化速度，从新的视角解决传统定义中风化深度难于测定的 问题。其次，将多次基于三维激光扫描技术测定体积变化或单点变化的间隔时间定义为为 风化时间，可根据两次检测的时间间隔准确地确定风化时间，抛弃传统意义上通过文献资 料等推断风化时间的方法。这种方法确定的是在测定时间内的风化速度，对于研究现阶段 及以后的砂岩质文物风化问题具有可操作的现实意义。 本专利技术以云闪石窟第9、10窟外立面砂岩体风化速度的测定过程为例，对具体实 施方式进行详细说明。本技术以三维激光扫描技术为依托，对石窟外立面（立柱）进行高 精度定点测绘，实现风化速度监测。通过对2至3年时间内的数据进行对比，定量测定以云 冈石窟为代表的砂岩质文物表面风化速度。 首先对石窟文物的外立面进行控制网布设以及测量。经过详细的调查及综合分 析，将控制网布设在第9、10窟的南侧，控制点由5个点组成，形成一个扇形的网络，如图1 所示。 具体实施内容过程如图2所示，包括： (1)控制点设置5个，用长度大于10 -20cm、直径为I -2cm的钢钉设置，顶部有标 示，以便易于区分辨认； (2)测定控制点的边长、角度和高程；控制网内的各控制点当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于：文物表面风化速度为在测定时间内的单位表面积的体积变化量或单点形变量，具体地：对于体积变化量：平均风化速度＝体积变化量/投影面积/检测间隔时间；对于单点形变量：平均风化速度＝单点形变量/检测间隔时间；定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法为：A.根据文物的位置设置控制点和观测方向；B.通过全站仪测定控制点的坐标并建立控制网；C.通过三维激光扫描仪对待测文物进行首次扫描，得到点云数据，将控制网的坐标导入三维激光扫描仪，对点云数据进行数据拼接匹配，同时将首次扫描得到的数据定义为初始模型，并记录测量时间；D.进行首次测量后相隔一检测周期，通过三维激光扫描仪对待测文物再次进行扫描，得到点云数据，将控制网的坐标导入三维激光扫描仪，对点云数据进行数据拼接匹配，将再次扫描得到的数据定义为测试模型，并记录测量时间；E.对点云数据进行处理，得到文物的表面特征几何参数；F.对初始模型和测试模型的表面特征参数的数据进行比较，得到文物监测周期内单位表面积的体积变化量或单点形变量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁波，吴志群，左霞，张润平，卿照，何勇，周宇超，谷立鹏，张洁，何柳，潘鹏，兰静，
申请(专利权)人：山西云冈数字科技有限公司，云冈石窟研究院，
类型：发明
国别省市：山西;14