數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)在文物保護(hù)以及工業(yè)攝影測(cè)量中的應(yīng)用

1、數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)在文物保護(hù)以及工業(yè)攝影測(cè)量中的應(yīng)用 目 錄1近景攝影測(cè)量概述12近景攝影測(cè)量的主要特點(diǎn)13近景攝影測(cè)量?jī)?nèi)容12.1近景攝影測(cè)量在龍門石窟保護(hù)中的應(yīng)用12.2近景攝影測(cè)量在鋼岔管水壓試驗(yàn)變形檢測(cè)中的應(yīng)用34參考文獻(xiàn)71 近景攝影測(cè)量概述近景攝影測(cè)量是通過攝影和隨后的圖像處理以獲取被攝目標(biāo)形狀大小和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一門技術(shù)。凡是可以攝取其影像的目標(biāo)，均可作為近景攝影測(cè)量的對(duì)象，以獲得目標(biāo)物上點(diǎn)群的三維空間坐標(biāo)，以及基于這些空間坐標(biāo)的長(zhǎng)度、面積、體積等。近景攝影測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于它兼有非接觸性量測(cè)手段，不傷及被測(cè)物體，信息容量高且易存儲(chǔ)，精度高，速度快，信息可重復(fù)使用。這些優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)特

2、別適用于測(cè)量包含有大量測(cè)量點(diǎn)位的目標(biāo)物，躲避危險(xiǎn)環(huán)境而遠(yuǎn)離攝影對(duì)象等情況。2 近景攝影測(cè)量的主要特點(diǎn)1) 像片信息豐富、容量大，影像逼真，適用于不規(guī)則物體的外形測(cè)量。2) 涉及到的目標(biāo)大小、攝影距離、精度要求、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)等各個(gè)方面均有所不同，可通過合理地選擇攝影儀器、攝影方式與布設(shè)控制，來解決科研與生產(chǎn)工作中的若干復(fù)雜問題。3) 能在瞬間攝影很多個(gè)點(diǎn)，可以在量測(cè)儀器上計(jì)算出所需的大量的物點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這是傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法所不能做到的。4) 攝影像片可以長(zhǎng)期保存，便于日后對(duì)成果的查核、比較和分析。5) 與傳統(tǒng)的大地測(cè)量和工程測(cè)量比較，它既可以減少外業(yè)工作量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。6)

3、 由圖像經(jīng)數(shù)字化儀器測(cè)定的最終數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)可構(gòu)建三維立體景觀，為不同用途的用戶提供可靠準(zhǔn)確的技術(shù)服務(wù)。3 近景攝影測(cè)量?jī)?nèi)容2.1 近景攝影測(cè)量在龍門石窟保護(hù)中的應(yīng)用我國地大物博，幅員遼闊，文化遺產(chǎn)極為豐富，作為我國最著名的3大藝術(shù)寶庫之一的龍門石窟和少林寺歷代高僧埋骨之處的少林寺塔林，以其獨(dú)特的藝術(shù)魅力吸引著無數(shù)中外游客前來觀光。它們歷盡滄桑，經(jīng)過數(shù)十朝代的風(fēng)風(fēng)雨雨，已滿目瘡痍亟待修復(fù)。為了保護(hù)世界文化遺產(chǎn)，我們采用近景攝影測(cè)量和全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行數(shù)字化測(cè)繪龍門石窟、少林寺塔林立面囹，具有精度高、成本低、成圖速度快的特點(diǎn),同時(shí)它可以提供內(nèi)容豐富的信息資料，這為文物管理、保護(hù)修復(fù)、地質(zhì)勘探

4、提供準(zhǔn)確的地形資料，還可通過橫斷面圖的測(cè)繪構(gòu)建三維立體模型，為世人展示生動(dòng)的三維立體景觀。1. 龍門石窟保護(hù)項(xiàng)目工程的實(shí)施在具體的實(shí)施過程中，作業(yè)人員在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站JX4A DPW上根據(jù)用戶提供的資料進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向，其精度符合用戶要求。地物、地貌上按用戶提供的表示信息擬定，以計(jì)曲線層、首曲線層、雙線斷裂線層、單線斷裂線層、洞窟位置輪廓層、洞窟編號(hào)層、洞窟附屬設(shè)施層、人工建筑物層、高程注記層等來表示。具體的表示方法是：1)計(jì)曲線層：以0.25m的間隔表示出山形的大致輪廓，控制山形的總走勢(shì)。2)首曲線層：以005m的間隔表示。當(dāng)曲線過于密集且等分時(shí)，可隔條表示；當(dāng)曲線密集而

5、地形有起伏時(shí)仍需插繪每條首曲線。為了表示立面的細(xì)微地貌，可以通過全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站4ADPW的自帶功能，放大模型比例和調(diào)整如管道半徑長(zhǎng)度等來實(shí)現(xiàn)細(xì)微地貌的表示，以正確地反映其真實(shí)的地貌形態(tài)。3)雙線斷裂線層和單線斷裂線層：是以實(shí)地?cái)嗔丫€大于等于或小于10em作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的。斷裂線的表示可以通過三維立體模型的構(gòu)建來反映出其重要作用。4)洞窟位置輪廓層：由于洞窟有內(nèi)外輪廓之分，因此內(nèi)外輪廓分別以不同的層來區(qū)分，在可見立面上仍需以曲線表示。應(yīng)注意的是洞內(nèi)的獨(dú)立佛像可不表示。5)洞窟編號(hào)層：龍門石窟始自北魏開鑿，歷經(jīng)東魏、西魏、北齊、隋、唐至宋，曾存有兩千余座窟龕，歷經(jīng)數(shù)十朝代的洗禮，許多窟龕已不復(fù)

6、存在，因此，通過此次拯救龍門石窟保護(hù)項(xiàng)目的工程，重新對(duì)洞窟編號(hào)進(jìn)行摸底調(diào)查，以達(dá)到更好地保護(hù)世界文化遺產(chǎn)的目的。6)洞窟附屬設(shè)施層：洞窟外的立面上雕刻有姿態(tài)各異的“大力士”的雕塑，除應(yīng)繪出“大力士”的輪廓線外，還要在測(cè)繪地貌曲線時(shí)，將“大力士”視為起伏的地貌用曲線來表示。對(duì)佛像上的火燒云，因年代久遠(yuǎn)部分火燒云已失去它原有的形狀，只測(cè)繪出其輪廓部分即可。7)人工建筑物層：人工建筑物是當(dāng)?shù)卣疄榱碎_發(fā)旅游資源，更好地讓中外游客前來觀光，以期達(dá)到讓世界人民了解河南，讓河南的旅游業(yè)走向世界的目的而修建的。因此，人工建筑物諸如道路、臺(tái)階、棧道、欄桿、供游人休息的亭子及洞窟前人工雕刻的挑廊可按其外圍線進(jìn)行

7、立體量測(cè)，統(tǒng)歸一層表示。各類表示的方法為：道路是指地面上供人或車馬通行的部分，在立面測(cè)量中以等直線的形式來表示。臺(tái)階是指用磚、石、混凝土等筑成的一級(jí)一級(jí)供人上下的建筑物，多在大門前或坡道上。表示時(shí)應(yīng)按實(shí)地位置進(jìn)行立體量測(cè)，當(dāng)臺(tái)階邊沿能看到其厚度部分時(shí)以雙線表示，等直線通過臺(tái)階時(shí)，曲線斷至臺(tái)階邊沿即可。棧道是指在懸崖絕壁上鑿孔支架木樁，鋪上木板而成的窄路。棧道的存在在繪制曲線時(shí)可不予考慮直接橫穿棧道。欄桿是指橋兩側(cè)或涼臺(tái)、看臺(tái)等邊上起攔擋作用的東西。它應(yīng)逐個(gè)按其所在實(shí)地位置表示。8)高程注記層：高程注記點(diǎn)是構(gòu)成一副完整的地形圖的最終工序，也是反映地貌高低起伏的數(shù)字表現(xiàn)形式，根據(jù)規(guī)定高程注記點(diǎn)應(yīng)精

8、確到小數(shù)點(diǎn)后2位。見成果圖。圖 1 成果圖2. 結(jié)語利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化全要素測(cè)圖的方法來測(cè)繪石窟立面圖的整個(gè)過程進(jìn)行了全面闡述。通過成果圖的展示，我們相信，近景攝影測(cè)量技術(shù)由于具備了凡是可以攝影的目標(biāo)都可以進(jìn)行量測(cè)及判讀的性能，將其應(yīng)用于測(cè)繪生產(chǎn)必將為特殊行業(yè)提供一個(gè)適時(shí)獲取準(zhǔn)確的信息資料的發(fā)展空間，將為國民經(jīng)濟(jì)的騰飛發(fā)展起著不可估量的巨大作用 。2.2 近景攝影測(cè)量在鋼岔管水壓試驗(yàn)變形檢測(cè)中的應(yīng)用為監(jiān)測(cè)鋼岔管在不同壓力狀態(tài)下的變形量并了解其變形規(guī)律，根據(jù)近景攝影測(cè)量技術(shù)可以在非接觸的情況下快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)定待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)的特點(diǎn)，利用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲取待測(cè)岔管特

9、征點(diǎn)位在不同壓力狀態(tài)下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系的建立求得岔管特征點(diǎn)位的變形值。結(jié)果表明，根據(jù)該方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼岔管設(shè)計(jì)，其制造質(zhì)量可靠，滿足工程要求。1. 檢測(cè)方案鋼岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)具有一定的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)是以經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等光學(xué)測(cè)量?jī)x器采用接觸式的測(cè)量方法進(jìn)行。近景攝影測(cè)量技術(shù)可以在非接觸的情況下快速、精確、實(shí)時(shí)地測(cè)定待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，本次檢測(cè)主要是利用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲取待測(cè)岔管特征點(diǎn)位在不同壓力狀態(tài)下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過坐標(biāo)系的建立求得岔管特征點(diǎn)位的變形值。1) VSTARS數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)組成及原理VSTARS系統(tǒng)是美國GSI公司

10、生產(chǎn)的工業(yè)近景數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。VSTARS系統(tǒng)是一種基于高分辨率像機(jī)的高精度工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)?；静考?臺(tái)INCA3智能測(cè)量相機(jī)。INCA3包括鏡頭、電池和閃光燈，總的重量小于2kg;能進(jìn)行有線、無線數(shù)據(jù)傳輸，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行磁盤存儲(chǔ);具有800萬像素的高分辨率，CCD尺寸為35mm×23mm;視場(chǎng)角(77°×56°)、焦距21mm;圖像壓縮比大于101;有簡(jiǎn)單的系統(tǒng)菜單;內(nèi)置芯片，能夠?qū)D像進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)主要包括1臺(tái)以上專業(yè)測(cè)量型數(shù)碼相機(jī)、1臺(tái)筆記本電腦、1套基準(zhǔn)尺、1根定向工棒、1組定向反光標(biāo)志(RRT)和1套系統(tǒng)軟件。其原理是:通過1臺(tái)高

11、分辨率的數(shù)字相機(jī)對(duì)被測(cè)物體拍攝，得到物體的多幅二維數(shù)字影像，根據(jù)透視投影的目標(biāo)點(diǎn)、相機(jī)中心和像點(diǎn)3點(diǎn)共線條件，組成共線方程，經(jīng)相機(jī)定向及圖像匹配后得到目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，見圖1。共線方程為其中，像點(diǎn)a(xx0，yy0，f)、攝影中心S(Xs，Ys，Zs)與被測(cè)點(diǎn)A(X，Y，Z)位于一條直線上，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3是由攝影測(cè)量中的3個(gè)外方位元素、所生成的3×3正交旋轉(zhuǎn)矩陣的9個(gè)元素。近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的精度主要取決于相機(jī)的空間分辨率，用于檢測(cè)時(shí)一般采用高分辨率、高精度的專業(yè)型量測(cè)相機(jī)，其測(cè)量精度在10m范圍內(nèi)可達(dá)到006008mm。主要特點(diǎn)包括:非接觸測(cè)量，動(dòng)

12、態(tài)性能好、檢測(cè)速度快、受外界環(huán)境影響小等，特別適合于形面的快速檢測(cè)。圖1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)原理2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過程a) 在岔管周圍穩(wěn)定的地面上或其他部位選取適宜的區(qū)域布設(shè)T標(biāo)志，以建立測(cè)量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)系統(tǒng)。b) 在待測(cè)岔管外壁上粘貼攝影T標(biāo)志。c) 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)布設(shè)的T標(biāo)志進(jìn)行交向攝影。d) 用VSTARS攝影測(cè)量軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。3) 數(shù)據(jù)后處理a) 利用測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)需要和現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)情況建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。b) 利用測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)和建立的坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。c) 根據(jù)計(jì)算成果，繪制岔管不同特征點(diǎn)位在不同水壓階段的變形曲線圖。4) 坐標(biāo)系的定義a) 攝影測(cè)量為自由

13、坐標(biāo)系，通過AutoBar或固定物體上標(biāo)志點(diǎn)建立。b) 本次測(cè)量，在岔管試驗(yàn)區(qū)域外地面上穩(wěn)定部位布設(shè)大于5個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)，作為后期測(cè)量數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)。c) 悶頭中心區(qū)域布設(shè)5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，要求集中且均勻布設(shè)于悶頭中心(即概略布設(shè)在以悶頭中心為圓心的輻射圓周上)，將圓周上標(biāo)志點(diǎn)擬合平面，進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)，建立新的坐標(biāo)系，垂直于該平面的方向即為悶頭軸線方向(近似)，將不同水壓階段的變形數(shù)據(jù)折算到該坐標(biāo)系中，即可得出悶頭中心部位的變形值。d) 腰線部位。腰線的測(cè)點(diǎn)y方向根據(jù)在同一錐段內(nèi)布置在腰線上的2個(gè)測(cè)點(diǎn)確定，腰線的測(cè)點(diǎn)確定了局部坐標(biāo)系的z、y方向，按照右手法則垂直于zoy平面并過o點(diǎn)的方向即為x坐標(biāo)，即可得

14、到測(cè)點(diǎn)處徑向變形的數(shù)據(jù)。腰線部位變形值均為向兩側(cè)(外部)變形，即x軸正向。e) 頂部和底部測(cè)點(diǎn)的變形值，以地面上布設(shè)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系的z方向確立并進(jìn)行計(jì)算。頂部變形值向上為正值，底部變形值向上為負(fù)值，向下為正值。5) 鋼岔管變形測(cè)試點(diǎn)位布置如圖2所示，根據(jù)水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，在岔管的主悶頭和支悶頭部位分別布設(shè)13個(gè)RRT標(biāo)志，命名為A、N和E;在兩側(cè)腰線部位各布設(shè)25個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別命名為B、C、D和K、L、M;在岔管底部分別布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別命名為G、H。圖2變形測(cè)試點(diǎn)位布置示意圖2. 結(jié)語鋼岔管在水壓試驗(yàn)的過程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)突變值，其變化規(guī)律為變形量的大小與水壓力成正比例關(guān)系。在水壓試驗(yàn)極

15、限壓力狀態(tài)下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量均在4mm左右，表明鋼岔管受壓均勻。在相同壓力狀態(tài)下，鋼岔管主悶頭部位變形較支悶頭部位變形大，腰線兩側(cè)部位變形量一致。由以上數(shù)據(jù)分析可知，該鋼岔管設(shè)計(jì)科學(xué)，制造質(zhì)量可靠，滿足工程要求。工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)由于其自身的優(yōu)勢(shì)，其測(cè)量精度較常規(guī)測(cè)量技術(shù)高，操作性好，且消除了接觸測(cè)量的危險(xiǎn)。采用工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行壓力鋼管變形監(jiān)測(cè)，為后續(xù)工作提供了經(jīng)驗(yàn)。4 參考文獻(xiàn)1 李洪亮. 近景攝影測(cè)量在文物修復(fù)保護(hù)研究中的應(yīng)用. 河南省遙感測(cè)繪院, 20032 朱小剛高水頭電站壓力鋼管安全評(píng)定D成都:西南交通大學(xué)，20113 張育林高水頭水電站鋼管整體水壓試驗(yàn)實(shí)踐J西北水電，2013(

16、4):89914 魏永強(qiáng)，張超，張益近景攝影測(cè)量在水利工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J山東水利，2011(6):18205 寧津生，陳俊勇，李德仁，等測(cè)繪學(xué)概論M武漢:武漢大學(xué)出版，20046 李東明VSTARS攝影測(cè)量系統(tǒng)的原理與應(yīng)用J水利電力機(jī)械2006(10):26277 羅哲文,中國古代建筑M,上海:上海古籍出版社，20018 左光之, 古建筑測(cè)繪教學(xué)的研究與探討J, 科學(xué)信息，2010.23，P 188-1889 李振濤、許妙忠，數(shù)字近景攝影測(cè)量在古建筑物重建中的應(yīng)用研究B, 測(cè)繪信息與工程，2007.32(4)，P810 曹勇，現(xiàn)代科技在古建筑繪中的應(yīng)用A，現(xiàn)代物業(yè)，2011,03，P54-56

17、11 王京衛(wèi) 、楊風(fēng)雷 、郭秋英，基于免棱鏡全站儀的古建筑文物測(cè)繪方法A, 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2011.4, 第26卷 第2期,P178-18112 余明、丁辰，過靜珺. 激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測(cè)繪的研究J. 測(cè)繪科學(xué)，2004.10，P69-70.13 馮文灝，近景攝影測(cè)量M，武漢，武漢大學(xué)出版社，200214 WANG zhi zhuoPnndplesof Photogrammetry(with Remote Sensing)MBeijing：Publishing House of Surveying and Mappingt 199015 ZHANG Zhu-xun，ZHANG Jian-qing Digital Pho-loErammeLY：M Wuhan：Press of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping，1996(in Chinese)16 CLIVESF.Development,sinAutomatedDjgitalClose-rangephotogrammetryAProceedings of Ihe ASPRS 2000i CWashington DC：sn200017 PAUL G BUses of Softeopy Close Range