不可移动文物变形检测技术适宜性探讨★

胡程鹤，梁宁博，孙闻鹤，黄里西

(1.中冶检测认证有限公司,北京 100088;2.中冶检测认证(重庆)有限公司,重庆 400050; 3.中冶建筑研究总院有限公司,北京 100088)

我国历史悠久,不可移动文物数量众多,包括各类古建筑、石窟寺及石刻、考古遗址及历史文化遗迹、传统聚落等。由于建造历史久远,不可移动文物通常受到阳光、风沙、降雨、地下水、气候变化、周边环境变化等环境影响明显,很容易出现材料劣化、构件损伤、结构整体倾斜变形及构件变形等性能劣化现象[1-2]。

为了解不可移动文物的安全状态,并进一步开展预防性保护或者抢救性保护,对不可移动文物开展周期性结构安全性评估十分重要。在安全性评估中,首先需要获取材料性能、构件损伤具体情况、结构整体倾斜变形量及构件变形量等量化指标,并在量化指标基础上进一步评估性能劣化现象对不可移动文物产生的影响。

在各类量化指标中,结构整体倾斜变形和构件变形是评估结构安全的重要定量指标。通过获得结构整体倾斜变形和构件变形,可以判断不可移动文物的结构整体变形和构件变形是否超过允许限制,结构和构件是否存在安全风险。

目前国内学者对于结构变形检测技术开展了大量研究工作。刘定操等[3]提出遥感图像识别分析方法,用于震损建筑结构变形检测。霍林生等[4]基于图像识别技术,提出一种基于图像识别的残余变形检测方法。柳胜超等[5]在数字图像处理与深度学习理论基础上提出一种适用于大型桥梁结构变形的非接触式检测方法。牟荟瑾等[6]采用光纤传感技术采集整理了土木结构变形的数据,设计了变形检测系统。这些技术方法扩展了结构变形检测的获取手段,为结构变形检测提供了新思路。然而这些技术主要适用于现代建筑结构,这些技术方法是否适用于不可移动文物还需要进一步实践验证。

不可移动文物变形检测技术具有其自身特点:面向的结构类型各异、检测环境复杂且非接触要求高。目前常见的变形检测技术包括线锤检测、全站仪检测、三维扫描仪检测、数字图像法、近景摄影测量和倾斜摄影测量。下面将对各类变形检测技术的具体应用情况进行阐述,并对各类检测技术的优缺点及适宜的应用场景进行对比,为不可移动文物变形检测的现场实施提供参考。

1 测试技术介绍与案例

1.1 线锤检测

线锤是一种传统的工具,由垂线和重锤组成,工程中常用于比对管道及墙体的垂直度。对于不可移动文物,使用线锤可以快速获得柱、墙等竖向构件的水平变形量和倾斜角度。在使用线锤测量竖向构件的变形和倾斜时,需要配合使用钢卷尺等尺寸测量设备,获得竖向构件顶部和底部的水平变形量。通过数学关系,进一步获得竖向构件的倾斜角度。

该方法简便有效、设备便携,尤其适合层高较低的不可移动文物,以及大型设备无法使用的情况。测量精度取决于尺寸测量工具的精度,比如钢卷尺的精度是毫米,则线锤测量变形的精度也是毫米,通常该精度可以满足对于结构变形的测量要求。

1.2 全站仪测试

全站仪即全站型电子测距仪,是一种广泛应用于建筑工程、交通工程等工程测量领域的一种常规设备[7-9]。该设备可以测量水平角、垂直角、距离和高差。在不可移动文物检测中,通过全站仪可以获得梁等水平构件和墙、柱等竖向构件的变形,也可以获得高耸结构的整体倾斜变形。以柱为例,分别测量柱顶、柱底与设备的距离,通过两者的差值可以获得柱在测量平面内的水平变形量。通过数学关系,可以进一步获得柱的倾斜角度。

全站仪是一种较为通用的测量设备,但是该设备体积较大,便携性较差。此外,为了获得比较好的检测效果,现场检测环境需要场地开阔,光线条件适宜。

1.3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是通过三维激光扫描仪扫描物体表面,获得物体表面的三维点云数据。三维激光扫描仪广泛应用于文物保护、城市建筑测量、地形测绘、隧道工程、桥梁改建等领域[10-12]。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可以快速建立复杂的结构三维可视化模型。该方法具有非接触、高效率、高精度等显著优点。三维激光扫描仪的检测精度取决于点云的数据密度,与设备与物体之间的距离有关。目前最高分辨率可达到0.01 mm;当距离较远时,精度可能降至5 mm以上。

通过对三维扫描数据的处理,可以快速获得构件变形、结构整体变形以及场地平整度。通过对三维扫描数据的多次对比,可以获得构件的变形趋势、结构整体变形趋势以及场地沉降变形信息。该方法适用于对于位置较高或者处于不易测量部位的构件变形检测,以及结构整体变形检测。该设备体积较大,便携性较差。当不可移动文物周边存在遮挡物时,扫描信息存在局部信息缺失。

以某砖木结构楼阁式塔的木构件为例说明。该塔的结构体系为砖壁木檐砖木混合结构,现状如图1所示。该塔的首层为绕塔身的回廊,包括出檐、廊柱;2层及以上每层设置平座和塔檐;塔檐、栏杆、平座均为木结构。该塔1层的三维扫描点云展开图如图2所示。通过提取点云展开图中的空间信息点的三维坐标,并通过对坐标值的数学运算,可以获得木构件的倾斜变形信息。通过对点云展开图中的空间信息点三维坐标的数学运算,同样可以获得古塔的整体倾斜变形。

1.4 数字图像法

数字图像法是首先利用成像设备获取结构的数字图像,然后对数字图像进行预处理,进一步获得结构的变形、位移等指标的检测方法[13-14]。数字图像法是一种非接触式的高精度检测技术。它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段,从图像中提取相关信息进而获得待测参数[5]25。处理过程是首先通过专业软件对原始影像进行处理,去除畸变和失真,形成新的数字影像。通过对数字图像处理以及对图像像素距离的计算,可以获得结构变形量。

这种方法的测量精度与成像设备配置、成像环境、拍摄方法有关,一般情况下变形检测精度在1 mm以内。该方法适合难以使用接触方法测试的场景,或者测试活动存在安全隐患的情况,尤其适合石窟寺及大型石刻的大规模变形检测。

数字图像法的数字图像成果可以是二维图像,也可以是三维图像。本节中所述的数字图像法主要针对二维图像。为了便于区分,将近景摄影测量和倾斜摄影测量单独在下一节阐述,这两种方法形成的成果通常以三维模型呈现。

1.5 近景摄影测量和倾斜摄影测量

近景摄影测量和倾斜摄影测量属于数字图像法,其变形检测原理与前述方法基本相同。不同点在于通过近景摄影测量和倾斜摄影测量可以生成结构的高精度点坐标和三维模型,会实现比二维数字图像法更好的效果,并反映出建筑结构更加真实的情况[15-18]。

倾斜摄影技术通过从1个垂直和4个倾斜镜头同步采集影像,可以获取较为丰富和完整的地面高分辨率影像信息。这种技术的不足之处在于由于建筑物周边环境等地面实体物的遮挡以及无人机摄影角度的不同,可能存在近地面和建筑物侧面数据的丢失、细节显示不清晰的情况。近景摄影测量是对物距不大于300 m的目标物体进行拍摄,并对获得的数字图像进行数据处理的技术。采用该技术拍摄的近地面和建筑侧面要素数据完整、细节清晰,是倾斜摄影技术的有力补充,可以修复倾斜摄影在近地面和建筑侧面的数据失真现象[19-21](见图3)。

近景摄影测量和倾斜摄影测量对高耸结构、石窟寺及大型石刻的变形检测尤为适用。通过对结构三维模型中高精度点坐标的对比分析,可以获得结构和构件的变形情况。

以前述砖木结构楼阁式塔为例说明。通过近景摄影测量和倾斜摄影测量可以获得该塔的完整三维模型。通过对三维模型的空间信息点对比,可以获得结构及构件变形信息。

2 检测方法适宜性对比

各类检测技术具有不同优缺点以及较为适宜的应用场景。结合前述对于各类检测技术的阐述和测试案例,将各种测试方法的优缺点和适宜场景汇总于表1。在实际应用中,可以根据具体情况采用单一或多种技术相结合,获得满足精度要求的变形检测结果。

3 结论

1)不可移动文物变形检测可以采用的检测技术包括:线锤检测、全站仪检测、三维激光扫描技术、数字图像法、近景摄影测量和倾斜摄影测量。在使用中可以采用单一方法或者几种方法结合使用。

表1 检测技术优缺点及适宜场景对比

2)在对不可移动文物的变形检测实践中,线锤设备体积小、便携,尤其适用于检测条件有限,对精度要求不高的情况。全站仪设备常规、技术成熟,需要现场场地较为开阔,光线条件适宜,对于结构整体变形检测具有较好适宜性。三维激光扫描技术应用对象广泛,可以获得全方位的结构三维空间信息,对于结构整体变形检测和构件变形检测均有较好适宜性,尤其对于高耸结构或不易接触部位的构件变形检测具有技术优势。数字图像法适用于各类古建筑、石窟寺及石刻、壁画等结构构件的变形检测。近景摄影测量及倾斜摄影测量适用于各类不可移动文物,尤其适用于高耸古建筑、石窟寺及大型石刻、大规模古遗址的变形检测。