1、 数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用 目 录 1 近景摄影测量概述 . 1 2 近景摄影测量的主要特点 . 1 3 近景摄影测量内容 . 1 2.1 近景摄影测量在龙门石窟保护中的应用 . 1 2.2 近景摄影测量在钢岔管水压试验变形检测中的应用 . 3 4 参考文献 . 7 1 1 近景摄影测量 概述 近景摄影测量是通过摄影和随后的图像处理以获取被摄目标形状大小和运动状态的一门技术。凡是可以摄取其影像的目标，均可作为近景摄影测量的对象，以获得目标物上点群的三维空间坐标，以及基于这些空间坐标的长度、面积、体积等。近景摄影测量的优点在于它兼有非接触性量测手段，不伤及被测物体，
2、信息容量高且易存储，精度高，速度快，信息可重复使用。这些优点使得该技术特别适用于测 量包含有大量测量点位的目标物，躲 避危险环境而远离摄影对象等情况。 2 近景摄影测量的主要特点 1) 像片信息丰富、容量大，影像逼真，适用于不规则物体的外形测量。 2) 涉及到的目标大小、摄影距离、精度要求、静态或动态等各个方面均有所不同，可通过合理地选择摄影仪器、摄影方式与布设控制，来解决科研与生产工作中的若干复杂问题。 3) 能在瞬间摄影很多个点，可以在量测仪器上计算出所需的大量的物点的空间坐标，这是传统的大地测量方法所不能做到的。 4) 摄影像片可以长期保存，便于日后对成果的查核、比较和分析。 5) 与传
3、统的大地测量和工程测量比较，它既可以减少外业工作量，减轻劳动强度 ，又提高了经济效益。 6) 由图像经数字化仪器测定的最终数据三维坐标可构建三维立体景观，为不同用途的用户提供可靠准确的技术服务。 3 近景摄影测量 内容 2.1 近景摄影测量在 龙门石 窟 保护中的应用 我国地大物博，幅员辽阔，文化遗产极为丰富，作为我国最著名的 3 大艺术宝库之一的龙门石窟和少林寺历代高僧埋骨之处的少林寺塔林，以其独特的艺术魅力吸引着无数中外游客前来观光。它们历尽沧桑，经过数十朝代的风风雨雨，已满目疮痍亟待修复。 为了保护世界文化遗产 ，我们采用近景摄影测量和全数字摄影测量工作站进行数字化测绘龙门石窟、少林寺塔
4、林立面囹，具 有精度高、成本低、成图速度快的特点 ,同时它可以提供内容丰富的信息资料，这为文物管理、保护修复、地质勘探提供准确的地形资料，还可通过横断面图的测绘构建三维立体模型，为世人展示生动的三维立体景观。 1. 龙门石窟保护项目工程的实施 在具体的实施过程中，作业人员在全数字摄影测量工作站 JX4A DPW 上根据用户提供的资料进行内定向、相对定向、绝对定向，其精度符合用户要求。地物、2 地貌上按用户提供的表示信息拟定，以计曲线层、首曲线层、双线断裂线层、单线断裂线层、洞窟位置轮廓层、洞窟编号层、洞窟附属设施层、人工建筑物层、高程注 记层等来表示。具体的表示方法是： 1)计曲线层：以 0.
5、25m 的间隔表示出山形的大致轮廓，控制山形的总走势。 2)首曲线层：以 0 05m 的间隔表示。当曲线过于密集且等分时，可隔条表示；当曲线密集而地形有起伏时仍需插绘每条首曲线。为了表示立面的细微地貌，可以通过全数字摄影测量工作站 4ADPW 的自带功能，放大模型比例和调整如管道半径长度等来实现细微地貌的表示，以正确地反映其真实的地貌形态。 3)双线断裂线层和单线断裂线层：是以实地断裂线大于等于或小于 10em 作为区分标准的。断裂线的表示可以通过三维立体模型的构建 来反映出其重要作用。 4)洞窟位置轮廓层：由于洞窟有内外轮廓之分，因此内外轮廓分别以不同的层来区分，在可见立面上仍需以曲线表示。
6、应注意的是洞内的独立佛像可不表示。 5)洞窟编号层：龙门石窟始自北魏开凿，历经东魏、西魏、北齐、隋、唐至宋，曾存有两千余座窟龛，历经数十朝代的洗礼，许多窟龛已不复存在，因此，通过此次拯救龙门石窟保护项目的工程，重新对洞窟编号进行摸底调查，以达到更好地保护世界文化遗产的目的。 6)洞窟附属设施层：洞窟外的立面上雕刻有姿态各异的“大力士”的雕塑，除应绘出“大力士”的轮廓线外，还要在测绘 地貌曲线时，将“大力士”视为起伏的地貌用曲线来表示。对佛像上的火烧云，因年代久远部分火烧云已失去它原有的形状，只测绘出其轮廓部分即可。 7)人工建筑物层：人工建筑物是当地政府为了开发旅游资源，更好地让中外游客前来观
7、光，以期达到让世界人民了解河南，让河南的旅游业走向世界的目的而修建的。因此，人工建筑物诸如道路、台阶、栈道、栏杆、供游人休息的亭子及洞窟前人工雕刻的挑廊可按其外围线进行立体量测，统归一层表示。各类表示的方法为： 道路是指地面上供人或车马通行的部分，在立面测量中以等直线的形式来表示。 台阶是指用 砖、石、混凝土等筑成的一级一级供人上下的建筑物，多在大门前或坡道上。表示时应 按实地位置进行立体量测，当台阶边沿能看到其厚度部分时以双线表示，等直线通过台阶时，曲线断至台阶边沿即可。 栈道是指在悬崖绝壁上凿孔支架木桩，铺上木板而成的窄路。栈道的存在在绘制曲线时可不予考虑直接横穿栈道。 栏杆是指桥两侧或凉
8、台、看台等边上起拦挡作用的东西。它应逐个按其所在实地位置表示。 3 8)高程注记层：高程注记点是构成一副完整的地形图的最终工序，也是反映地貌高低起伏的数字表现形式，根据规定高程注记点应精确到小数点后 2 位。 见成果 图。 图 1 成果图 2. 结语 利用全数字摄影测量技术进行数字化全要素测图的方法来测绘石窟立面图的整个过程进行了全面阐述。 通过成果图的展示 ， 我们相信，近景摄影测量技术由于具备了凡是可以摄影的目标都可以进行量测及判读的性能，将其应用于测绘生产必将为特殊行业提供一个适时获取准确的信息资料的发展空间，将为国民经济的腾飞发展起着不可估量的巨大作用 。 2.2 近景摄影测量在 钢岔
9、管水压试验变形 检测中的应用 为监测钢岔管在不同压力状态下的变形量并了解其变形规律，根据近景摄影测量技术可以在非接触的情况下快速、准确、实时地测定待测 点的坐标的特点，利用工业摄影测量系统进行现场测量，获取待测岔管特征点位在不同压力状态下的坐标数据，通过坐标系的建立求得岔管特征点位的变形值。结果表明，根据该方法获得的数据进行钢岔管设计，其制造质量可靠，满足工程要求。 1. 检测方案 钢岔管进行水压试验时采用传统方法进行变形监测具有一定的危险。传统变形监测是以经纬仪、全站仪、水准仪等光学测量仪器采用接触式的测量方法进行。近景摄影测量技术可以在非接触的情况下快速、精确、实时地测定待测点的坐标。因此
10、，本次检测主要是利用工业摄影测量系统进行现场测量，获取待测岔管特征点位 在不同压力状态下的坐标数据，进而通过坐标系的建立求得岔管特征点位的变形值。 1) V STARS 数字摄影测量系统组成及原理 V STARS 系统是美国 GSI 公司生产的工业近景数字摄影测量系统。 V STARS 系统是一种基于高分辨率像机的高精度工业数字摄影测量系统。基本部件为 1 台INCA3 智能测量相机。 INCA3 包括镜头、电池和闪光灯，总的重量小于 2kg;能进行有线、无线数据传输，还可以对数据进行磁盘存储 ;具有 800 万像素的高分辨4 率， CCD 尺寸为 35mm 23mm;视场角 (77 56 )
11、、焦距 21mm;图像压缩比大于 10 1;有简单的系统菜单 ;内置芯片，能够对图像进行预处理。 系统主要包括 1 台以上专业测量型数码相机、 1 台笔记本电脑、 1 套基准尺、1 根定向工棒、 1 组定向反光标志 (RRT)和 1 套系统软件。 其原理是 :通过 1 台高分辨率的数字相机对被测物体拍摄，得到物体的多幅二维数字影像，根据透视投影的目标点、相机中心和像点 3 点共线条件，组成共线方程，经相机定向及图像匹配后得到目标点三维坐标，见图 1。 共线方程为 其中，像点 a(x x0， y y0， f)、摄影中心 S(Xs， Ys， Zs)与被测点 A(X， Y， Z)位于一条直线上， a
12、1、 a2、 a3、 b1、 b2、 b3、 c1、 c2、 c3 是由摄影测量中的 3个外方位元素、所生成的 3 3 正交旋转矩阵 的 9 个元素。 近景摄影测量系统的精度主要取决于相机的空间分辨率，用于检测时一般采用高分辨率、高精度的专业型量测相机，其测量精度在 10m 范围内可达到 0 060 08mm。主要特点包括 :非接触测量，动态性能好、检测速度快、受外界环境影响小等，特别适合于形面的快速检测。 图 1 数字摄影测量系统原理 2) 现场测量过程 a) 在岔管周围稳定的地面上或其他部位选取适宜的区域布设 T 标志，以 建立测量坐标系的基准系统。 b) 在待测岔管外壁上粘贴摄影 T 标
13、志。 c) 现场对布设的 T 标志进行交向摄影。 5 d) 用 V STARS 摄影测量软件对 图像进行处理和计算，得到待测点的三维坐标。 3) 数据后处理 a) 利用测量点的三维坐标，根据需要和现场布点情况建立相应的坐标系。 b) 利用测量点的三维坐标和建立的坐标系，进行数据处理。 c) 根据计算成果，绘制岔管不同特征点位在不同水压阶段的变形曲线图。 4) 坐标系的定义 a) 摄影测量为自由坐标系，通过 AutoBar 或固定物体上标志点建立。 b) 本次测量，在岔管试验区域外地面上稳定部位布设大于 5 个以上标志点，作为后期测量数据处理的基准。 c) 闷头中心区域布设 5 个标志点，要求集
14、中且均匀布设于闷头中心 (即概略 布设在以闷头中心为圆心的辐射圆周上 )， 将圆周上标志点拟合平面，进行轴对准，建立新的坐标系，垂直于该平面的方向即为闷头轴线方向 (近似 )，将不同水压阶段的变形数据折算到该坐标系中，即可得出闷头中心部位的变形值。 d) 腰线部位。腰线的测点 y 方向根据在同一锥段内布置在腰线上的 2 个测点确定，腰线的测点确定了局部坐标系的 z、 y 方向，按照右手法则垂直于 zoy平面并过 o 点的方向即为 x 坐标，即可得到测点处径向变形的数据。腰线部位变形值均为向两侧 (外部 )变形，即 x 轴正向。 e) 顶部和底部测点的变形值，以地面上布设的基准坐标系的 z 方向
15、确立并进行计算。顶部变形值向上为正值，底 部变形值向上为负值，向下为正值。 5) 钢岔管变形测试点位布置 如图 2 所示，根据水压试验设计及技术要求，在岔管的主闷头和支闷头部位分别布设 1 3 个 RRT 标志，命名为 A、 N 和 E;在两侧腰线部位各布设 2 5 个测点，分别命名为 B、 C、 D 和 K、 L、 M;在岔管底部分别布设 2 个测点，分别命名为 G、 H。 图 2 变形测试点位布置示意图 6 2. 结语 钢岔管在水压试验的过程中，各监测点未出现突变值，其变化规律为变形量的大小与水压力成正比例关系。在水压试验极限压力状态下，各监测点的变形量均在 4mm 左右，表明钢岔管受压均
16、匀。在相同压力状态下 ，钢岔管主闷头部位变形较支闷头部位变形大，腰线两侧部位变形量一致。由以上数据分析可知，该钢岔管设计科学，制造质量可靠，满足工程要求。 工业摄影测量技术由于其自身的优势，其测量精度较常规测量技术高，操作性好，且消除了接触测量的危险。采用工业摄影测量技术进行压力钢管变形监测，为后续工作提供了经验。 7 4 参考文献 1 李洪亮 . 近景摄影测量在文物修复保护研究中的应用 . 河南省遥感测绘院 , 2003 2 朱小刚高水头电站压力钢管安全评定 D成都 :西南交通大学， 2011 3 张育林高水头水电站钢管整体水压试验实践 J西北水电， 2013(4):89 91 4 魏永强，
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