三維激光掃描技術(shù)在自然文物侵蝕剝落監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張慶圓,鄒彥龍,李金衡

(1. 河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局國(guó)土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心),河北 石家莊 050001; 2. 中科北緯(北京)科技有限公司,北京 100043; 3. 河北省第三測(cè)繪院,河北 石家莊 050001)

近年來(lái),對(duì)自然文物的保護(hù)受到社會(huì)各界越來(lái)越多的關(guān)注,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,監(jiān)測(cè)手段也越來(lái)越豐富,各研究機(jī)構(gòu)也從監(jiān)測(cè)的角度開(kāi)始探索對(duì)文物的預(yù)防性保護(hù)[1]。目前對(duì)文物保護(hù)的監(jiān)測(cè)手段主要有全站儀、RTK、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量及三維激光掃描儀等。使用傳統(tǒng)的測(cè)量手段只能獲取到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo),對(duì)于自然文物的整體性缺乏數(shù)據(jù)支撐,而且布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身也會(huì)對(duì)峰體造成不可逆的損害。三維激光掃描技術(shù)為文物保護(hù)工作提供了新的技術(shù)手段,它以非接觸的方式快速獲取目標(biāo)對(duì)象的高精度、高密度的三維點(diǎn)云信息[2-3],能準(zhǔn)確表現(xiàn)峰體的微觀形態(tài),也能通過(guò)多期對(duì)比監(jiān)測(cè)到峰體的細(xì)小變化。

三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型文物保護(hù)工程、邊坡監(jiān)測(cè)工程、文物古建的檢測(cè)、檢修工程。如文獻(xiàn)[4]三維激光掃描與傳統(tǒng)測(cè)繪相結(jié)合以繪制線畫(huà)圖輔助古建筑修繕;文獻(xiàn)[5]利用三維激光掃描儀對(duì)廠區(qū)內(nèi)采空區(qū)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)兩期模型數(shù)據(jù)分析邊坡的變形程度與趨勢(shì);文獻(xiàn)[6]基于地面三維激光掃描技術(shù),通過(guò)逆向建模與有限元分析等對(duì)頤和園十七孔橋進(jìn)行了承載能力分析并給出了結(jié)構(gòu)的檢修加固建議。

承德市磬錘峰國(guó)家森林公園景區(qū)內(nèi)的磬錘峰距今已有300萬(wàn)年,因其一直遭受風(fēng)化、酸化腐蝕,峰體本身也有開(kāi)裂和石體剝落的現(xiàn)象存在。本文基于保護(hù)磬錘峰的實(shí)際需求,應(yīng)用三維激光掃描技術(shù),通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,高精度三維建模,監(jiān)測(cè)峰體重心、面、體積的變化,找出造成峰體變化的最直接因素,尋求保護(hù)方法,使其得到全面有效的保護(hù)。

1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)量原理及技術(shù)路線

三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量原理:以非接觸的方式快速獲取目標(biāo)對(duì)象的高精度、高密度的三維表面信息,相比傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù),具有分辨率高、速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[7]。

三維激光掃描系統(tǒng)的組成部分有激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等[5]。激光測(cè)距技術(shù)原理主要包括脈沖測(cè)距、激光三角測(cè)量、相位測(cè)距和脈沖相位測(cè)距[8]。對(duì)于測(cè)距的較遠(yuǎn)三維激光掃描儀多采用基于脈沖測(cè)距的原理,而短距離的掃描儀通常是基于相位原理和基于激光三角原理[5]。

本文使用的三維激光掃描儀基于脈沖測(cè)距原理,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)以本站掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn),該系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)為激光發(fā)射點(diǎn),儀器的豎直掃描面為X軸方向,橫向掃描面為Y軸方向。由此可得激光掃描點(diǎn)P的坐標(biāo)[5],如圖1所示,計(jì)算公式為

圖1 點(diǎn)P坐標(biāo)計(jì)算

式中,S為原點(diǎn)到被掃描點(diǎn)的距離;α為掃描儀測(cè)得的水平角;β為掃描儀測(cè)得的豎直角。

本文擬采用的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2 磬錘峰掃描監(jiān)測(cè)工程實(shí)施

首先利用地面三維激光掃描技術(shù),對(duì)峰體進(jìn)行多角度、多方位的三維掃描,利用相同的起算控制點(diǎn)將拼接完整的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系中,建立磬錘峰峰體的三維數(shù)字模型。然后通過(guò)對(duì)比分析不同周期的掃描模型數(shù)據(jù),獲取峰體侵蝕量、重心偏移量等相關(guān)數(shù)據(jù),分析峰體的變化情況,為制定相應(yīng)的保護(hù)措施提供依據(jù)[9]。

2.1 設(shè)備準(zhǔn)備

所用設(shè)備包括1臺(tái)(套)GPS、1臺(tái)(套)全站儀、1臺(tái)(套)徠卡三維激光掃描儀(Leica ScanStation C10)、1臺(tái)筆記本電腦、兩臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)、1套徠卡點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件(Cyclone V7.4)、2套Geomagic Studio軟件。其中,掃描儀掃描精度為2 mm,掃描視場(chǎng)角為360°×270°,掃描速率為50 000點(diǎn)/s。

2.2 控制測(cè)量

首先通過(guò)HEBCORS系統(tǒng),利用RTK分別測(cè)量出相對(duì)精度較高的K1、K2、K3坐標(biāo)作為本項(xiàng)目的起算控制點(diǎn)。然后利用全站儀,按照一級(jí)導(dǎo)線精度進(jìn)行閉合導(dǎo)線測(cè)量,共布設(shè)11個(gè)覆蓋磬錘峰周邊的一級(jí)導(dǎo)線控制點(diǎn)。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合磬錘峰峰體與周邊地形的相互關(guān)系,采用精度高、視場(chǎng)角大的Leica ScanStation C10采集數(shù)據(jù),每期掃描設(shè)8站,其分布位置如圖3所示,各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)靶進(jìn)行無(wú)縫拼接[10];受客觀地形因素制約,在磬錘峰周邊地面無(wú)法獲得峰頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 掃描設(shè)站分布

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.4.1 擬合標(biāo)靶、數(shù)據(jù)拼接

首先將測(cè)站信息導(dǎo)入Cyclone處理軟件,按照測(cè)站與標(biāo)靶的對(duì)應(yīng)關(guān)系,人工選取標(biāo)靶數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)靶擬合形成球形標(biāo)靶模型。然后利用Registration模塊完成分站點(diǎn)云拼接,檢查各標(biāo)靶球的拼接精度,剔除不滿足精度要求的標(biāo)靶,形成完整的峰體點(diǎn)云模型[11]。

2.4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

首先利用K1、K2、K3作為起算控制點(diǎn),對(duì)每期拼接完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入Cyclone軟件中,形成一個(gè)具有地理坐標(biāo)系的ScanWorld基準(zhǔn)站。然后將拼好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與基站再次拼接,完成相對(duì)坐標(biāo)系向CGCS2000坐標(biāo)系的歸化轉(zhuǎn)換[12]。

受Geomagic Studio軟件的限制,控制點(diǎn)的坐標(biāo)只取小數(shù)點(diǎn)前3位,即X坐標(biāo)減去581 000,Y坐標(biāo)減去4 540 000,Z坐標(biāo)位數(shù)不動(dòng)。

2.5 點(diǎn)云濾噪、三維建模

在Cyclone軟件中,采用人工方式去除峰體周邊的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)(包括游客、樹(shù)木、其他噪點(diǎn)等),去除噪點(diǎn)后的點(diǎn)云如圖4所示,截取高程547.5—579.5 m段的峰體數(shù)據(jù),導(dǎo)出坐標(biāo)信息,數(shù)據(jù)格式為TXT,再轉(zhuǎn)入Geomagic Studio軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝建模,成果如圖5所示。為了減少多次監(jiān)測(cè)峰體表面點(diǎn)云間隔不均勻?qū)Y(jié)果的影響,統(tǒng)一抽稀點(diǎn)云間隔為0.01 m[13]。

圖4 峰體去噪點(diǎn)云成果

圖5 峰體模型封裝成果

3 基于三維模型的局部和整體變形分析

3.1 模型局部對(duì)比分析

為更好地計(jì)算分析峰體局部的侵蝕剝落量,以1 m的間距進(jìn)行分段切片。在Geomagic Studio軟件中,通過(guò)對(duì)比不同年度547.5—579.5 m高程段峰體模型數(shù)據(jù),分段計(jì)算重心坐標(biāo)和體積,模型立體對(duì)比變化量較大區(qū)域如圖6所示,模型橫切面對(duì)比效果如圖7所示。

圖6 模型立體對(duì)比效果

圖7 模型切面對(duì)比效果

以高程559—563 m段峰體模型為例,按照1 m的單位分段計(jì)算峰體體積變化量,如圖8、表1所示。

表1 高程559—563 m段峰體體積變化量 m3

圖8 高程559—563 m段峰體體積變化

3.2 不同年度模型整體對(duì)比分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)4期峰體數(shù)據(jù),利用Geomagic Studio軟件計(jì)算整個(gè)峰體體積,得到2013—2018年峰體體積和體積變化量,見(jiàn)表3和表4。

表3 2013—2018年4期峰體體積統(tǒng)計(jì) m3

表4 2013—2018年4期峰體體積變化量 m3

在峰體上,每隔1 m截取圓柱體并測(cè)量得出重心坐標(biāo),形成的峰體重心坐標(biāo)模型如圖9所示,以1 m分段圓柱體的重心坐標(biāo)所在坐標(biāo)系為X軸指向東,Y軸指向北,通過(guò)AutoCAD 軟件展繪分段重心坐標(biāo),如圖10所示。

圖9 峰體模型重心坐標(biāo)俯視

圖10 AutoCAD展繪

將2013、2014、2016、2018年的4期峰體三維模型重心坐標(biāo)同時(shí)展繪在平面坐標(biāo)系中,形成峰體重心變化曲線,如圖11所示。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),磬錘峰峰體重心在2013—2018年間未見(jiàn)明顯偏移。

圖11 4期峰體模型重心坐標(biāo)俯視圖

4 成果總結(jié)

本文主要從建模后的4期模型數(shù)據(jù)入手,對(duì)峰體的局部和整體進(jìn)行了對(duì)比分析。利用Geomagic Studio、AutoCAD 軟件從峰體局部的侵蝕剝落量、峰體整體體積與峰體重心偏移量3個(gè)方面分析了峰體變化情況。結(jié)果表明:該峰體在559—563 m高程段出現(xiàn)了明顯的侵蝕剝落,在2014—2016年間體積變化較大,體積變化為4.709 m3, 2013—2018年間峰體體積變化總量為8.605 m3,但相對(duì)于磬錘峰峰體的體積,該變化率僅為0.194%。由此可知:該峰體2013—2018年年間體積變化較小,峰體重心未見(jiàn)明顯偏移。

5 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)相比其他傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù),在數(shù)據(jù)獲取、處理、分析等方面均有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),尤其在文物保護(hù)與管理工作領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[14]。本文利用三維激光掃描儀獲取罄錘峰峰體高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)建模后,真實(shí)呈現(xiàn)了峰體的階段數(shù)字信息,為后期對(duì)峰體的綜合保護(hù)應(yīng)用(模擬、監(jiān)測(cè)、分析等)提供了可靠的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)。利用該方法不僅能夠解決常規(guī)測(cè)量無(wú)法在峰體上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的問(wèn)題,而且能實(shí)現(xiàn)對(duì)峰體整體變化趨勢(shì)的分析,以及對(duì)變化較大區(qū)域的變化量估算。

本文僅對(duì)三維激光掃描技術(shù)在磬錘峰的掃描監(jiān)測(cè)上進(jìn)行了初步的實(shí)施和研究,具有一定的局限性。在未來(lái)的工作中,將加入無(wú)人機(jī)航測(cè)手段[15],以期獲得磬錘峰頂部更加完善的數(shù)據(jù),再進(jìn)行系統(tǒng)分析。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,不僅能相互印證兩種方法的精度,還能彌補(bǔ)兩種監(jiān)測(cè)方法各自的不足,也可為管理者提供更為精確完整的數(shù)據(jù),為文物保護(hù)提供多種監(jiān)測(cè)方法。