域根据构网跨度定位极限边长。
[0086] 经过数据的预处理过程，我们已经把所获取的数据建成了可以进行监测分析比对 的模型，并且在同一坐标系之下；将模型导入到逆向分析软件中（如Geomagic、Polyworks) 即可进行比对，然而由于对象不是孤立的单体，而是绵延的砂岩山体，如何确定每次监测的 数据为统一范围或者简单的说如何保证每次监测的目标都是同一物体，也是本例内业数据 处理中的一处关键。
[0087] 因为有了研究对象A的概念，本例中，我们把初始值数据（第一次监测的数据）导 入到图形工作站中，在N(北坐标）正视的角度下，我们截取了较为完整的一块数据，经过软 件计算，该数据在N (北坐标）方向的水平投影面积为78. 5151m2,我们将这一块数据视为标 准比对模型，即为研究对象A，同时我们将这一模型在N(北坐标）方向上的投影坐标取下并 记录，在以后的比对中，把每次监测获取的数据模型导入软件后，输入这四个投影坐标，以 这四个点坐标为包围盒，去掉包围盒以外的数据，剩下的模型即为研究对象A，这样就保证 了每次比对的模型为同一数据范围的模型，然后在软件中我们计算出模型的空间体积，根 据每次不同的体积数据进行比对。注意：为保证数据的准确性，每次的比对分析均在同一 工作站中处理。
[0088] 根据实际情况，我们进行了四次监测，时间分别为2012年5月、2012年12月、2013 年8月和2014年2月，我们将2012年5月首次监测的数据作为初始模型，其他三次为测试 模型。
[0089] 研究对象A如图5所示，通过首次和末次的数据比对可以得出发生体积变化的区 域面积为78. 499m2,占99. 98%。也就是说在2012年5月至2014年2月的时间里，发生风 化的的面积占到总面积的99. 98 %。
[0090] 本发明提供了一种基于体积变化量测定年平均风化速度的方法，并给出了计算公 式：年平均风化速度=体积变化量/投影面积/监测时间（年数），单位如cm3/m2 · a，mm3/ m2 · a等，我们通过软件算法分别将三个比较模型与初始模型进行比较分析，可得出图4的 体积形变量数据，可知2012年5月至2014年2月，研究对象A的风化量为0. 001616m3,即 1616cm3〇
[0091] 表 1
[0093] 如表1所示，由于现场原因，无法严格按照水文年的要求监测，故我们把2012年5 月至2014年2月定义为1. 75年。那么研究对象A的年平均风化速度为：
[0094] 1616cm378. 5151m21. 75a = 11. 7612cm3/m2 · a〇
[0095] 本发明提供了一种基于单点形变量测定年平均风化速度的方法，通过对比分析， 我们可以找到风化最强点的位置和形变量，并给出了计算公式：单点风化位置年平均风化 速度=单点形变量/监测时间（年数），单位如mm/a等。
[0096] 研究对象A风化最大值为0. 015m，即15_。故而研究对象A的最快风化位置年平 均风化速度为：
[0097] 15mm+1. 75a = 8. 5714mm/a〇
[0098] 以上所述【具体实施方式】是对第9、10窟外立柱进行全面的变形监测，以此获得外 立面表面风化速度的定量表述。进一步的，我们还可以从中获取相应的形变结果及外立面 的变化趋势，建立外立面石柱的安全及健康档案，从而对风化速度进行进一步的研究。
【主权项】
1. 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。2. 根据权利要求1所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 在建立控制网时，设立临时转点作为测量高程的过渡点。3. 根据权利要求1所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 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。4. 根据权利要求3所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 采用后方交会的方法测量标靶的坐标。5. 根据权利要求4所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 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。6. 根据权利要求1所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 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n个离散点，其平面坐标为（xi，yi)，i = 1，2，…，n，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。7. 根据权利要求6所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法，其特征在于： 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： A. 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， B. 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。8.根据权利要求6或7中任意一项所述的定量测量砂岩质文物表面风化速度的方法， 其特征在于： 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%。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01N17/00, G01B11/24
【公开号】CN105043962
【申请号】CN201510201754
【发明人】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
【申请人】山西云冈数字科技有限公司, 云冈石窟研究院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年4月24日