不可移動文物變形檢測技術適宜性探討★

胡程鶴，梁寧博，孫聞鶴，黃里西

(1.中冶檢測認證有限公司,北京 100088;2.中冶檢測認證(重慶)有限公司,重慶 400050; 3.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088)

我國歷史悠久,不可移動文物數量眾多,包括各類古建筑、石窟寺及石刻、考古遺址及歷史文化遺跡、傳統聚落等。由于建造歷史久遠,不可移動文物通常受到陽光、風沙、降雨、地下水、氣候變化、周邊環境變化等環境影響明顯,很容易出現材料劣化、構件損傷、結構整體傾斜變形及構件變形等性能劣化現象[1-2]。

為了解不可移動文物的安全狀態,并進一步開展預防性保護或者搶救性保護,對不可移動文物開展周期性結構安全性評估十分重要。在安全性評估中,首先需要獲取材料性能、構件損傷具體情況、結構整體傾斜變形量及構件變形量等量化指標,并在量化指標基礎上進一步評估性能劣化現象對不可移動文物產生的影響。

在各類量化指標中,結構整體傾斜變形和構件變形是評估結構安全的重要定量指標。通過獲得結構整體傾斜變形和構件變形,可以判斷不可移動文物的結構整體變形和構件變形是否超過允許限制,結構和構件是否存在安全風險。

目前國內學者對于結構變形檢測技術開展了大量研究工作。劉定操等[3]提出遙感圖像識別分析方法,用于震損建筑結構變形檢測。霍林生等[4]基于圖像識別技術,提出一種基于圖像識別的殘余變形檢測方法。柳勝超等[5]在數字圖像處理與深度學習理論基礎上提出一種適用于大型橋梁結構變形的非接觸式檢測方法。牟薈瑾等[6]采用光纖傳感技術采集整理了土木結構變形的數據,設計了變形檢測系統。這些技術方法擴展了結構變形檢測的獲取手段,為結構變形檢測提供了新思路。然而這些技術主要適用于現代建筑結構,這些技術方法是否適用于不可移動文物還需要進一步實踐驗證。

不可移動文物變形檢測技術具有其自身特點:面向的結構類型各異、檢測環境復雜且非接觸要求高。目前常見的變形檢測技術包括線錘檢測、全站儀檢測、三維掃描儀檢測、數字圖像法、近景攝影測量和傾斜攝影測量。下面將對各類變形檢測技術的具體應用情況進行闡述,并對各類檢測技術的優缺點及適宜的應用場景進行對比,為不可移動文物變形檢測的現場實施提供參考。

1 測試技術介紹與案例

1.1 線錘檢測

線錘是一種傳統的工具,由垂線和重錘組成,工程中常用于比對管道及墻體的垂直度。對于不可移動文物,使用線錘可以快速獲得柱、墻等豎向構件的水平變形量和傾斜角度。在使用線錘測量豎向構件的變形和傾斜時,需要配合使用鋼卷尺等尺寸測量設備,獲得豎向構件頂部和底部的水平變形量。通過數學關系,進一步獲得豎向構件的傾斜角度。

該方法簡便有效、設備便攜,尤其適合層高較低的不可移動文物,以及大型設備無法使用的情況。測量精度取決于尺寸測量工具的精度,比如鋼卷尺的精度是毫米,則線錘測量變形的精度也是毫米,通常該精度可以滿足對于結構變形的測量要求。

1.2 全站儀測試

全站儀即全站型電子測距儀,是一種廣泛應用于建筑工程、交通工程等工程測量領域的一種常規設備[7-9]。該設備可以測量水平角、垂直角、距離和高差。在不可移動文物檢測中,通過全站儀可以獲得梁等水平構件和墻、柱等豎向構件的變形,也可以獲得高聳結構的整體傾斜變形。以柱為例,分別測量柱頂、柱底與設備的距離,通過兩者的差值可以獲得柱在測量平面內的水平變形量。通過數學關系,可以進一步獲得柱的傾斜角度。

全站儀是一種較為通用的測量設備,但是該設備體積較大,便攜性較差。此外,為了獲得比較好的檢測效果,現場檢測環境需要場地開闊,光線條件適宜。

1.3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是通過三維激光掃描儀掃描物體表面,獲得物體表面的三維點云數據。三維激光掃描儀廣泛應用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪、隧道工程、橋梁改建等領域[10-12]。利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據,可以快速建立復雜的結構三維可視化模型。該方法具有非接觸、高效率、高精度等顯著優點。三維激光掃描儀的檢測精度取決于點云的數據密度,與設備與物體之間的距離有關。目前最高分辨率可達到0.01 mm;當距離較遠時,精度可能降至5 mm以上。

通過對三維掃描數據的處理,可以快速獲得構件變形、結構整體變形以及場地平整度。通過對三維掃描數據的多次對比,可以獲得構件的變形趨勢、結構整體變形趨勢以及場地沉降變形信息。該方法適用于對于位置較高或者處于不易測量部位的構件變形檢測,以及結構整體變形檢測。該設備體積較大,便攜性較差。當不可移動文物周邊存在遮擋物時,掃描信息存在局部信息缺失。

以某磚木結構樓閣式塔的木構件為例說明。該塔的結構體系為磚壁木檐磚木混合結構,現狀如圖1所示。該塔的首層為繞塔身的回廊,包括出檐、廊柱;2層及以上每層設置平座和塔檐;塔檐、欄桿、平座均為木結構。該塔1層的三維掃描點云展開圖如圖2所示。通過提取點云展開圖中的空間信息點的三維坐標,并通過對坐標值的數學運算,可以獲得木構件的傾斜變形信息。通過對點云展開圖中的空間信息點三維坐標的數學運算,同樣可以獲得古塔的整體傾斜變形。

1.4 數字圖像法

數字圖像法是首先利用成像設備獲取結構的數字圖像,然后對數字圖像進行預處理,進一步獲得結構的變形、位移等指標的檢測方法[13-14]。數字圖像法是一種非接觸式的高精度檢測技術。它通過把被測對象的圖像作為檢測和傳遞信息的手段,從圖像中提取相關信息進而獲得待測參數[5]25。處理過程是首先通過專業軟件對原始影像進行處理,去除畸變和失真,形成新的數字影像。通過對數字圖像處理以及對圖像像素距離的計算,可以獲得結構變形量。

這種方法的測量精度與成像設備配置、成像環境、拍攝方法有關,一般情況下變形檢測精度在1 mm以內。該方法適合難以使用接觸方法測試的場景,或者測試活動存在安全隱患的情況,尤其適合石窟寺及大型石刻的大規模變形檢測。

數字圖像法的數字圖像成果可以是二維圖像,也可以是三維圖像。本節中所述的數字圖像法主要針對二維圖像。為了便于區分,將近景攝影測量和傾斜攝影測量單獨在下一節闡述,這兩種方法形成的成果通常以三維模型呈現。

1.5 近景攝影測量和傾斜攝影測量

近景攝影測量和傾斜攝影測量屬于數字圖像法,其變形檢測原理與前述方法基本相同。不同點在于通過近景攝影測量和傾斜攝影測量可以生成結構的高精度點坐標和三維模型,會實現比二維數字圖像法更好的效果,并反映出建筑結構更加真實的情況[15-18]。

傾斜攝影技術通過從1個垂直和4個傾斜鏡頭同步采集影像,可以獲取較為豐富和完整的地面高分辨率影像信息。這種技術的不足之處在于由于建筑物周邊環境等地面實體物的遮擋以及無人機攝影角度的不同,可能存在近地面和建筑物側面數據的丟失、細節顯示不清晰的情況。近景攝影測量是對物距不大于300 m的目標物體進行拍攝,并對獲得的數字圖像進行數據處理的技術。采用該技術拍攝的近地面和建筑側面要素數據完整、細節清晰,是傾斜攝影技術的有力補充,可以修復傾斜攝影在近地面和建筑側面的數據失真現象[19-21](見圖3)。

近景攝影測量和傾斜攝影測量對高聳結構、石窟寺及大型石刻的變形檢測尤為適用。通過對結構三維模型中高精度點坐標的對比分析,可以獲得結構和構件的變形情況。

以前述磚木結構樓閣式塔為例說明。通過近景攝影測量和傾斜攝影測量可以獲得該塔的完整三維模型。通過對三維模型的空間信息點對比,可以獲得結構及構件變形信息。

2 檢測方法適宜性對比

各類檢測技術具有不同優缺點以及較為適宜的應用場景。結合前述對于各類檢測技術的闡述和測試案例,將各種測試方法的優缺點和適宜場景匯總于表1。在實際應用中,可以根據具體情況采用單一或多種技術相結合,獲得滿足精度要求的變形檢測結果。

3 結論

1)不可移動文物變形檢測可以采用的檢測技術包括:線錘檢測、全站儀檢測、三維激光掃描技術、數字圖像法、近景攝影測量和傾斜攝影測量。在使用中可以采用單一方法或者幾種方法結合使用。

表1 檢測技術優缺點及適宜場景對比

2)在對不可移動文物的變形檢測實踐中,線錘設備體積小、便攜,尤其適用于檢測條件有限,對精度要求不高的情況。全站儀設備常規、技術成熟,需要現場場地較為開闊,光線條件適宜,對于結構整體變形檢測具有較好適宜性。三維激光掃描技術應用對象廣泛,可以獲得全方位的結構三維空間信息,對于結構整體變形檢測和構件變形檢測均有較好適宜性,尤其對于高聳結構或不易接觸部位的構件變形檢測具有技術優勢。數字圖像法適用于各類古建筑、石窟寺及石刻、壁畫等結構構件的變形檢測。近景攝影測量及傾斜攝影測量適用于各類不可移動文物,尤其適用于高聳古建筑、石窟寺及大型石刻、大規模古遺址的變形檢測。