CN102353678B - 一种测量文物病害的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量文物病害的方法，包括如下步骤：获取文物的三维图形数据信息；根据上述三维图形数据信息构建文物的正射影像图；选取文物的正射影像图上的各病害部位进行统计。本发明将地理信息系统技术引入到文物的病害测量中，不仅可非接触文物表面进行测量，有效保护了文物，且量算精度高、速度快，尤其能反映文物的三维空间纹理及颜色细节，更加有利于文物病害的调查及修复。

Description

一种测量文物病害的方法

技术领域

本发明涉及一种获取文物图形信息的方法，尤其涉及一种测量文物病害的方法。

背景技术

文物记载了人类社会的历史变迁及风俗文化等内容，对于现代文明的发展具有重大的参考意义。

然而，千百年来，由于环境的变迁和人类活动的影响以及重大自然灾害的严重破坏，使珍贵的古代文物遭受着严重的褪化和不断的损坏。为了有效的保护这些人类的遗产，人们对破坏严重的文物现状进行有效的量测、评估和分析，并根据结果在不损坏原有文物的前提下，对其进行修复。

造成文物病害的原因可简单概括为以下几种：

1)文物表面修复方法不当：

采用不适当的贴面操作和材料的错误选用，将引起文物表面绘彩层的丢失，纱布的表面纹理也可在原始绘彩层留下网纹，从而永久改变文物的表面状态。由于胶粘剂的收缩使绘彩层隆起，从而引起表面变形和片状脱落。大部分的文物是从不平整的墙壁上揭取的，揭取后为了处理背面，又把他正面向下放在了一个平坦的表面，如此就改变了文物原始表面的形状。

2)缺少过渡层或过渡层选用不当：

过渡层应用的主要目的是，当文物必须再一次被修复时，可采用物理或化学的方法，通过过渡层的分离使文物能从支撑层上分离。在许多情况下，尤其是揭取的文物面积较大的时，并不能满足预期的要求。过渡层材料当中性能最劣的是石膏层和软木层，因为他们不能确保在不损伤画层的情况下实现文物与支撑体的分离。

3)后背支撑材料的错误选用：

19世纪初的欧洲和20世纪末之前的亚洲，大部分文物被揭取到木板和木质框架上，木质材料容易遭受虫害，从而导致文物多种类型的损坏。此外，木质材料的吸水性也容易引起文物弯曲、变形和开裂。这些损坏也发生在机制和热压成型的特殊木板框上。20世纪中期揭取的许多文物被固定在复合木制品支撑层上，实践表明这样的板材并不是理想的支撑体。使用蜂窝材料作揭取文物的支撑体，现代已经成为一种趋势，然而，如果采用性能低劣的蜂窝材料支撑层以及在文物后背没有采用加强筋加固的情况下，也会引起文物在几十年的时间内产生变形。

4)保存和陈列环境的影响

国内外已被揭取的文物数量是非常大的，揭取后的这些文物大部分缺少最佳保存条件。建筑物内有机材料使用的越多，释放出的有机气体越多，对文物产生的影响越大。在具有中央空调的环境中保存的文物，其环境一般具有较低的相对湿度和较高的温度，在这种条件下，严重的问题是文物起甲和鳞片状脱落。在高湿环境保存的文物上可观察到大量的微生物生长。吸湿性支撑层将导致文物变形发生，石膏支撑层钙离子的迁移也会导致文物表面白色膜层的出现。环境的过分干燥将会引起壁面材料的脱水和内聚力降低导致文物损坏，如灰泥层失去内聚强度、胶粘剂老化失去粘接力、动物胶和树胶会变得脆弱。

现有技术中，对馆藏病害调查方法可采用透明方格法或CAD法。

所谓透明方格法，即用边长为1毫米的透明方格计算纸蒙在欲测面积的病害上，统计出病害内完整的方格数，再将病害内不完整的方格数两格折算成一格，两者相加乘以每个小方格所代表的面积即得图上面积。这种方法存在着诸如工作量大、误差大、人为因素多等缺点。

所谓CAD法，是在计算机上利用AutoCAD绘图软件制作病害分布图，并计算病害面积，然后利用Excel电子表格进行分类统计汇总。比起传统方法，这种方法有很大优势，但是，这种方法虽然比手工量算和统计有了很大进步，但仍然需要人工填写Excel电子表格等工作，而且很难生成专题图，也没有数据库功能。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种基于地理信息系统技术的文物病害测量的方法。

本发明所述测量文物病害的方法，其步骤包括：

步骤一，获取文物的三维图形数据信息；

步骤二，根据上述三维图形数据信息构建文物的正射影像图；

步骤三，选取文物的正射影像图上的各病害部位进行统计。

本发明所述测量文物病害的方法的步骤三中，根据各病害部位的病害类型分别进行统计。

其中，各病害部位的病害类型确定方法包括：

1)输入步骤，由外部输入各病害部位的材质参数；

2)检测步骤，检测文物各病害部位的病害状态参数；

3)比对步骤，根据测量得到的各病害部位的病害状态参数和输入的材质参数，与数据库中存储的病害类型信息进行比对；

4)确定步骤，根据比对结果初步确定各病害部位的病害类型，并交由用户终端根据预定的判断规则进行判断，如用户终端未给出相反指示，则最终确定各病害部位的病害类型。

本发明所述测量文物病害的方法的步骤一中进一步包括如下步骤：

步骤101，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤102，将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息及冗余信息，以得到简化数据；

步骤103，根据上述简化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。

上述步骤101中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。其中，使用地面激光雷达扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间保持8厘米的扫描重叠度。或者，使用地面激光雷达获取场景影像数据信息时，相邻场景之间保持20％的重叠度。

上述步骤102中进一步包括，将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。其中，所述预定规则包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

上述步骤102中，对获取的三维坐标值信息按设定的采样间距重新采样，或者对同质区域进行合并及重采样以剔除冗余信息。

上述步骤103中，构建三角网模型时，去除文物边缘的杂物所对应的数据信息，以及，构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.35米的极限边长。

本发明将地理信息系统技术引入到文物的病害测量中，不仅可非接触文物表面进行测量，有效保护了文物，且量算精度高、速度快，尤其能反映文物的三维空间纹理及颜色细节，更加有利于文物病害的调查及修复。

附图说明

图1为本发明所述测量文物病害的方法的流程示意图；

图2为本发明所述测量文物病害的方法的步骤一中，获取文物的三维图形数据信息的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述测量文物病害的方法中，使用了地理信息系统技术，即应用激光雷达技术来获取文物的三维图形数据信息，进而构建文物的正射影像图，以及在此基础上完成对文物病害的测量。

地面激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是：扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差，计算出相应被测点与扫描仪的距离，再根据水平向和垂直向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标。

在进行各病害部位统计的过程中，各病害部位的病害类型确定非常重要，如果病害类型确定不准确，会对最终的病害测量产生严重不良影响。本发明公开了各病害部位的病害类型确定方法如下：

1)输入步骤，由外部输入各病害部位的材质参数，例如为木质、墙质、石质、还是金属质；

2)检测步骤，检测文物各病害部位的病害状态参数；

3)比对步骤，根据测量得到的各病害部位的病害状态参数和输入的材质参数，与数据库中存储的病害类型信息进行比对；

4)确定步骤，根据比对结果初步确定各病害部位的病害类型，并交由用户终端根据预定的判断规则进行判断，如用户终端未给出相反指示，则最终确定各病害部位的病害类型。用户终端里存储有预定的判断规则，这些判断规则可以由用户根据经验进行调整。用户也可以人工发出相反指示，即通过自己的经验进行判断。

如图1所示，本发明所述测量文物病害的方法，包括如下步骤：

步骤101，获取文物的三维图形数据信息。

本步骤的目的在于获取反映文物的形状、色彩、纹理的三维图形数据信息，该三维图形数据信息也包含了病害的形状、类型等属性信息。

本步骤101可具体通过图2所示的步骤来实现。如图2所示，获取文物三维图形数据的方法，包括如下步骤：

步骤201，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、以及场景影像数据信息。

本步骤中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；并进而根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。所述反射强度信息及场景影像数据信息被用作后述给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

激光雷达数据采集主要是用手持激光扫描仪获取文物表面数据，这些数据包含文物的正面、背面及侧面，扫描的文物尺寸位于3×0.7米范围以内，因此扫描过程是将手持扫描仪定位以后逐块扫描获得。

在上述扫描过程中，需要遵循如下原则：

1.在进行扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间需保持8厘米的重叠度。不同扫描块在边界连接处应进行完全重叠扫描以便点云模型连接。

2.在每一个观测角度扫描数据应尽量获取表面数据完整。

3.在遇到特征复杂或损坏严重的地方，扫描行间距要适当加密以保证表面数据获取完整。

所述获取的场景影像数据信息直接反应文物表面病害状况并反应文物的自然色彩。因此，在获取场景影像数据信息时，尽量选择垂直文物表面的角度进行拍摄，并将单张相片相幅设置到相机最大分辨率，相邻场景之间至少保证20％的重叠度。

步骤202，将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息及冗余信息，以得到简化数据。

激光雷达提供的最原始信息即是利用仪器厂家提供的随机商用软件获得的基于仪器坐标系的三维坐标数据，这些原始数据是大量悬浮在空中没有属性的离散的点阵数据，通常称之为“点云”。这些点云数据包含了大量的粗差和系统误差，不能直接被使用，此外，所采集的点云数据包含了大量的冗余信息，这些冗余信息对后续的数据分析帮助不大甚至没有帮助，但却要占用大量的存储空间及耗费大量的运算时间。有鉴于此，必须对这些三维坐标值信息剔除误差及冗余信息，以得到简化后的数据为后续使用。

关于粗差的剔除，如前所述，原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息。这些信息的产生原因是多方面的，如运动目标反射信号(如飞鸟或其他游离在激光雷达视场内的目标)产生的数据、局部的跳变数据(如低于地面的点)、前景遮挡数据以及无回波信息的局部空洞(如激光穿透窗户或照射目标完全吸收了激光信号等情形)等等。这些粗差、错误或无关信息的修正和处理是在交互编辑环境下，交互地实现粗差的剔除、与考察对象无关信息的剔除和系统性遗漏信息的弥补及修正。

尽管激光雷达具有一定的穿透能力，和近景摄影一样，地面激光雷达的信息采集仍然存在前景遮挡后景现象。此外，要获取某对象的三维模型，往往需要环绕该对象设置多站，获取其不同视角下的点云数据。地面激光雷达直接输出的数据信息是基于该摄站坐标体系的局部坐标数据，为获得研究对象的整体三维模型，不同视角获取的点云数据必须借助于重叠信息融为一体，即将不同摄站的点云数据归并到某一个摄站坐标体系里去。

为此，本步骤202进一步包括了：将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。所述预定规则则可包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

地面激光雷达虽然具有测量精度高、作业效率高和三维建模快等优点，但也存在像非连续覆盖(基于一定的采样间距采样)和数据量巨大等缺点，尤其是它的庞大数据量，给后期的数据处理、数据传输和进一步数据应用造成了较大的障碍。激光雷达的采样数据包含了较多的冗余数据(如构筑物的某个立面，只需要有其边缘信息就足够了，但激光雷达仍按设定的采样间距提供立面边缘及内部的全部采样点信息)，这些冗余信息对模型的建立或模型特征的提取几乎没有帮助。所以，需要剔除获取的三维坐标值信息中的冗余信息，以得到简化数据。

本步骤202中，剔除冗余信息的方法可具体包括：

一.简单重采样。对原始数据集按预定的采样间距重新采样(如隔行、隔列采样)，这种方法存在明显的弊端就是冗余信息和非冗余信息受到了同等的削弱，丢失了部分有用信息。

二.对同质区域的合并及重采样。原始数据集内的同质区域(如某建筑物的立面)明显存在巨大的数据冗余，通过对该区域进行合并，用少量的采样点(或合成采样点)替代原来的众多采样数据，以达到数据简化的目的。这种方法具有明显的优势，即数据的重采样能根据对象的实际情况自适应变化，既达到了数据简化的目的，又能有效保留有用的特征信息。

步骤203，根据上述简化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。

三角网模型是精确表达空间不规则体的最佳模型，它是一种精确的表面模型，通过成型的三角网可以方便地构建剖面，进行影像校正(纹理映射)、物体表面对比分析和相关的空间量测等。

本步骤中，根据简化后的三维坐标值数据构建三角网模型。

在进行三角网模型构建时需要注意如下几点：

1)去除文物边缘的杂物所对应的数据信息；

2)构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.35米的极限边长。

上述构建得到的三角网模型并不包含纹理信息，不能反映文物的色彩信息，因此，需要将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，即利用模型与纹理图像之间的空间对应关系，计算出模型上的每一个点在图像上所对应的颜色值。

纹理映射的过程是将三角网模型与对应照片通过空间投影关系对映融合而生成虚拟彩色模型。经过映射的纹理模型比原始无色彩的三角网模型更容易清晰观察分析，同时模型本身对相片的几何投影误差进行校正之后输出正射影像能够按照模型的几何精度来表现文物表面的各类特征，这对文物病害调查分析评价具有重要的意义和作用。

经过上述步骤，可获得反映文物的形状、色彩、纹理的三维图形数据信息，该三维图形数据信息也包含了病害的形状、类型等属性信息。

步骤102，根据上述三维图形数据信息构建文物的正射影像图。

普通数码影像是采用中心投影方式获取的类似人眼视角的广角影像，这些影像像素按照目标距离拍摄中心的距离和角度会发生变形，因而不适用于测量，而正射影像则是通过平行投影的方式形成影像，这样的影像不存在投影变形，类似于地图，与实物的真实表面有着相同的比例，因此，正射影像是将文物的三维量测转化为可量测平面对象的最好手段，通过正射影像的制作可以为后期病害调查设计的底图，给修复设计奠定了良好的基础。

本步骤中，利用前述构建的包含三维图形数据信息的三角网模型进行影像校正，从而生成正射影像图。

步骤103，选取文物的正射影像图上的各病害部位进行统计。

上述步骤102中构建得到的正射影像图，可如实反映文物的形状、颜色等信息，其中当然也包括了病害的形状及性质等信息。因此，本步骤103中，可针对正射影像图上的各病害部位按病害的类型进行分别统计。例如，将粘纸、人工切缝、胶污染、磨损、地仗脱落、颜料层脱、人工切缝、或粉化等病害分别进行统计，在选择好病害部位后，记录该病害的面积、深度、类型等信息，最后再将各类病害进行汇总成数据库。

采用上述方法测量文物的病害，具有如下的优点：

1)量算精度高：采用网格法进行面积量算时，每个网格的长度为1mm，即使假设偶然误差为0，最终的系统误差为±1mm。而使用三维激光技术和地理信息系统技术进行面积量算时，最终误差为±0.5×10-3mm mm，显然精度要高出很多。

2)统计精度高：使用传统调查方法进行面积(长度)量算和统计工作只能在Excel电子表格上进行，量算面积(长度)的同时应将所量面积(长度)填写在Excel电子表格的相应栏目中，再利用电子表格进行分类汇总。由于病害面积(长度)单个量算，并逐个填写在Excel电子表格，难免会出现遗漏或重复病害的统计。而使用地理信息系统技术进行面积量算时，只要病害边界绘制完毕病害面积就会显示出来，然后标注在属性表的相应位置，就完成了一个病害的面积量算。减少错误率，从而提高了资料统计精度。

3)具有数据库功能：传统方法进性病害调查只能得到一张病害调查图和相关统计信息，并没有数据库功能。而使用地理信息系统技术进行文物病害调查的基础是建立文物病害空间数据库，因此，在后续的病害数据更新和病害数据空间分析等方面也具有很大优势。

4)三维激光扫描技术，具有非接触式、快速、高效，尤其是能反映被扫描物体的三维空间纹理以及颜色细节的特点，具有较高的数据采集精度，更适合研究文物现状与文物损坏状态。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种测量文物病害的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，获取文物的三维图形数据信息，获取文物的三维图形数据信息进一步包括如下步骤：

步骤101，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤102，将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息及冗余信息，以得到简化数据；

步骤103，根据上述简化数据构建三角网模型，利用模型与纹理图像之间的空间对应关系，计算出模型上的每一个点在图像上所对应的颜色值，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型；

步骤二，根据上述三维图形数据信息构建文物的正射影像图；

步骤三，选取文物的正射影像图上的各病害部位，并根据各病害部位的病害类型分别进行统计；

其中，各病害部位的病害类型确定方法包括：

1)输入步骤，由外部输入各病害部位的材质参数；

2)检测步骤，检测文物各病害部位的病害状态参数；

3)比对步骤，根据测量得到的各病害部位的病害状态参数和输入的材质参数，与数据库中存储的病害类型信息进行比对；

4)确定步骤，根据比对结果初步确定各病害部位的病害类型，并交由用户终端根据预定的判断规则进行判断，如用户终端未给出相反指示，则最终确定各病害部位的病害类型。

2.如权利要求1所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤101中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。

3.如权利要求2所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤101中，使用地面激光雷达扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间保持8厘米的扫描重叠度。

4.如权利要求2所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤101中，使用地面激光雷达获取场景影像数据信息时，相邻场景之间保持20％的重叠度。

5.如权利要求1所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤102中进一步包括，将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。

6.如权利要求5所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述预定规则包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

7.如权利要求1所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤102中，对获取的三维坐标值信息按设定的采样间距重新采样，或者对同质区域进行合并及重采样以剔除冗余信息。

8.如权利要求7所述的测量文物病害的方法，其特征在于，所述步骤103中，构建三角网模型时，去除文物边缘的杂物所对应的数据信息，以及，构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.35米的极限边长。

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