考古水下三维记录与制图技术的现状与应用外文翻译资料

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考古水下三维记录与制图技术的现状与应用

Fabio Mennaa，Panagiotis Agrafiotis，B，C，Andreas Georgopoulos B

一个三维光学计量单位，布鲁诺凯斯勒基金会- FBK，通过SOMMARIV 18, 38121特伦托，意大利

希腊雅典国立科技大学农村与测绘工程学院，摄影测量实验室，格罗法夫校区，希腊Athens佐格拉夫15780号海洛因理工街9号

塞浦路斯理工大学土木工程与地理信息系，摄影测量学实验室，沙里波罗街2 - 8，塞浦路斯利马索尔3036

文章信息文章历史：

2017年12月14日收到

接受2018年2月27日

在线XXX可用

关键词：三维记录与制图

水下考古

摄影测量学

声纳

激光雷达

摘要

从遥远的时代开始，人类就已经被束缚在水体上，人类生命的证据从一开始就隐藏在水面以下、沿海、浅海或深海，而且遍布世界各国的内陆水体。记录、记录和最终保护水下文化遗产是人类的义务，并通过诸如保护水下文化遗产公约等国际条约的规定，鼓励使用“非破坏性技术和冲浪”。y方法优先于对象的恢复。3D数字测绘技术是一种非常有效的工具，用于侦察、记录、监测，而且是水下文化遗产（UCH）资产的公众传播和意识。本文介绍了在考古水下3D记录和绘图中使用的传感器和方法的广泛回顾以及著名的3D水下记录项目的相关亮点。

爱思唯尔马松SAS 2018。版权所有。

1、介绍和范围

水下考古技术，目的是提供最新的全面审查现代传感器和技术的侦察，文件和监测水下文化遗产（UCH1）的地点和资产。首先，简要介绍了水下3D文档的需求，然后总结了水的主要物理特性，然后概述了目前使用的主动和被动、光学和声学传感器。随后报告的技术和方法的概述，以及著名的3D水下记录项目的相关亮点。

1.1。水和人类生命的水是人类最重要的元素，因为它们对生命至关重要。事实上，从遥远的时代开始，人类就已经以水、湖泊、河流、湿地或它们的人造物，例如结构、水槽、水道、盆地、水坝等自然形态结合到水体中。毕竟，地球行星大部分是被水覆盖而不是陆地覆盖的。淡水对于人类的水合是必要的，因此地球上的人类总是依赖一种非常接近他们的聚居地的饮用水资源。水也是灌溉的重要资源，尤其是交通和贸易的重要手段，而不是古代探索新大陆的最有效途径。人类生活的证据从一开始就隐藏在水位以下，远离海岸，浅海或深海，而且遍布世界各国的内陆水体。在其他情况下，甚至地下水体也见证了古代文明所祭祀的祭祀场所或水生墓地，例如玛雅文明中的塞诺特。

1.2。UCH：今天属于每个人的财产

水下的遗产比大多数人认为的要多，但不幸的是，遗迹所提供的遗嘱的价值仍然被低估。这不仅低估了失去了解我们过去和自己更好的机会，而且也是保护水下遗产的稀缺应用或完全缺乏法律的原因。对水下遗产的适当法律保护的不足，不幸地带来了一些掠夺和商业剥削的示范性案例，或有时甚至破坏海上的人类活动，例如疏浚和捕鱼。此外，在掠夺者的浅水区或深水区监视和保护水下遗产是极其困难的。认识到重要性的UCH，到其共同的共同保护的结束，国际组织一直致力于寻找解决方案，以保护浸没的文化遗产，特别是在国际背景下。达成第一项协议的道路艰难而漫长。在《联合国教科文组织在武装冲突中保护文化财产公约》（海牙公约1954）以前承认的情况下，水下文化遗产被认定为属于任何人的文化财产。TY有抢劫和毁灭的危险。1982，联合国海洋法公约（UNCLOS）根据其与海岸的距离将世界海洋划分为不同的区域（图1）；然而，水下文化遗产不是本协定的一个关键议题。直到1994，国际法协会（ILA）在布宜诺斯艾利斯就水下文化遗产保护公约草案通过了一项关于水下文化遗产的第一项具体条约。表1总结了国际条约关于水下文化遗产的主要历史演变。为了在《领海以外的海域》中制定具有约束力的水下文化遗产全球条约，有必要等到2001，联合国教科文组织承担责任，在考虑ILA草案A的基础上，建立具有约束力的法律文书。ICOMOS宪章，并于2001通过的《水下文化遗产保护公约》结束。《保护水下文化遗产公约》提出了保护UCH的基本原则，并根据水下文化遗产的处理和研究的指导方针和规则，提供了一个详细的国家合作体系。这篇文章可以被认为是迄今为止为UCH建立国家的权利和责任的最全面的努力。不幸的是，迄今为止，只有193个国家教科文组织成员中只有58个国家批准了这项条约。

1.3、水下考古学

水下考古记录的需要是一个复杂的过程，包括不同的任务，旨在解决问题。水下考古的目的是通过对水下考古遗址上的证据进行分析和研究的调查过程来解释的，但它也是关于这些痕迹的评估、稳定、管理、监测和保存。水下考古遗址的发现可以是偶然的，例如当一个娱乐潜水员找到一个明确的证据（例如著名的Riace bronzes是由一个游客浮潜在离意大利Riace海岸几十米的地方），或者是在海底建造工程，或CAN是一个科学侦察的结果，目的是在一个基于桌面的研究中发现水下的特定残留物，正如最近欧洲UCH项目所强调的。3D记录、制图和建模是评估遗产资产保存状态的关键工具，尤其是理解资产是否处于自然状态（即强流、生物退化，例如木蛀虫）或人工威胁（即掠夺或鱼网）。乌尔为其保护采取紧急干预的形式。事实上，正如《保护UCH公约》所提到的那样，在允许和从事任何针对ATE的活动之前，应将原位保存视为第一选择。因此，在《公约》提出的操作指南和规则中，水下遗产地的文献至关重要。特别是《保护水下文化遗产公约》操作指南（第6章）第三章：“针对水下文化遗产的活动必须优先使用非破坏性技术和调查方法。他回收物体“。hellip;hellip;“所使用的方法和技术必须尽可能的无损，并有助于保存残留物”。此外，《公约》致力于提高公众对水下文化遗产活动所取得的成果的认识和分享。为此，《公约》强调并强调信息应如何向科学界和公众提出。在这种情况下，3D数字测量和建模技术代表了一组非常有用的工具，用于侦察、文档、监测，而且还通过例如虚拟现实耳机、严肃游戏等公共扩散和对UCH资产的认识。根据考古需要和环境条件，如深度或水浊度，传感器、技术和方法可能需要不同地使用，甚至可能根本不适合。读者不熟悉3D测量和建模技术，如摄影测量和3D扫描，可以优先参考[ 9 - 11 ]。

2、 陆地上水上传统测量的物理特性几乎完全基于电磁波的主动或被动图像技术或装置。虽然在陆地上这些技术已经成功地使用了几十年，但是水的物理特性使得水下环境的3D建模变得更加复杂，甚至在某些情况下是不可行的。水是一种与空气有本质区别的介质，第一个本质区别在于介质密度。海水的密度比空气高800倍，其密度在深度上不恒定，是温度、盐度和压力的函数。水，尤其是海洋，具有非常高的导电性，如果没有适当的保护，就会破坏电子设备的众所周知的后果。因此，水下传感器的使用意味着使用特殊的外壳，这些外壳必须是防水的，并且能够抵抗高压以避免传感器失效。水的高电导率和介电常数在很大程度上也起到衰减电波的作用，使无线电信号在水下通信和测距测量中得到了极大的应用。在水中记录数据现在主要使用光学或声学传感器。因此，必须检查这两种波形的水的性质。

2.1。光学性质

水的折射率比淡水高约1.33，盐水在25℃时的折射率为1.34—1.35。水的最常见的光学现象之一是，光线的入射取决于入射角的偏转。有。这种现象对于任何具有不同折射率的表面分离介质（Snel#39;定律）是常见的。水中的光衰减受散射和吸收的支配。纯净水（新鲜或咸水）是完全免于任何悬浮颗粒的光学纯介质；在纯水中，光仅由于光与分子和离子的相互作用而被吸收。长的可见波长，如红光，首先被吸收，最后可见的波长，如蓝色，最后。由于这个原因，只有1%的光进入海洋深度达到100米。当由自然现象或人类活动引起的悬浮颗粒或沉积物存在于水中时，存在进一步的光衰减，并且水被称为浑浊的、多云的。颗粒越多，浊度越高。根据这些颗粒的特性（如大小和颜色），光被快速且选择性地吸收（波长依赖性），从而影响水的颜色。水的浊度一般用SECKI距离来定量，这是一种古老的简单方法，在1865〕中介绍。一个白色圆盘浸入水中，盘的距离不明显，被定义为一个SeCKI距离。

2.1.1两个媒体摄影测量的几何术语“双介质摄影测量”意味着摄影测量图像是通过两个介质拍摄的，即在这种情况下，存在于照相机镜头和物体之间的空气和水。在自然界中，水面很少是静态的，波纹和波浪使特定光线的入射角在时间上连续变化，导致浸没物体的图像从水外部拍摄时产生独特的畸变。此外，自然照明的折射由于水面上的波而在时空上变化，从而对下面的物体（折射）和水面（反射）水面产生特征照明模式。为此，通过水的光学测量方法通常存在许多局限性。实际上，许多水上摄影测量的几何学已经被许多作者所研究和数学公式化。对于静态和平坦的分离表面，例如当图像被拍摄在玻璃后面时，许多作者成功地采用了严格的模型，这些模型已经明确地模拟了由折射引起的附加畸变效应，跟踪光路通过各种介质的互作用。CES或让典型的摄影测量校准模型来补偿水的附加折射效应。根据基本光学原理和方程，精确的水下摄影测量在非静态水面上也是可行的。然而，只要水的朝向相对于照相机连续地变化，就不能准确地补偿在水中应用中的折射效应。在实践中，虽然TeModia摄影测量应用产生较低精度要求的结果，但它们在浅水域中记录物体的潜力很大（第4.1.1节）。

2.2。声学特性，水吸收电磁波非常快，它确实传播声音很好。声音是由周围介质中的连续振动产生的压力和位移的机械波。声音被用于声纳，这是一种众所周知的技术，如海洋哺乳动物，用于通信和导航。声纳系统使用发送器和接收器之间的声音传播，并用于远程感知水体、地面、甚至底部结构的内部。事实上，当声波遇到具有不同物理特性的介质之间的表面界面时，例如海水和沙质海底，能量的一部分被反射，PARTIS在传播方向的弯曲之后折射并继续在新介质中传播。按照斯内尔定律，剩下的是零散的。返回声纳装置的能量可以提供关于物体物理特性的信息。

人类已经知道现代声纳的原理已有数百年了。在1490，达·芬奇知道声音在水中的良好传播，已经建议使用水下管道来倾听和发现接近的船只。但就在泰坦尼克号撞上冰山之后，那些能够探测物体的主动系统的专利和它们的距离被提出。声波通过气体、等离子体和液体作为纵波传播，也称为压缩波。像经过斯涅耳定律的光线一样，声波在传播的介质中被反射、折射、散射和衰减。声波作为同心球面传播，其强度与来自源的距离的平方成反比（当声音被反射回接收器时，第四的功率）。读者想要更全面地介绍声纳的原理和应用，可能想读霍奇和Lurt。

三。感知和记录

水下世界感知和记录水下世界是考古学研究的重要组成部分。在一个应该被适当设计的项目中，这些任务应该始终遵循一个定义良好的任务序列。通过时间，考古学家使用不同的技术来记录UCH，明确地尽可能地以非破坏性和非主观的方法，跨越简单的草图，直到模拟摄影或视频，然后进入最新的3D数字技术BAS。数字传感器ED。可以使用不同的技术，这些传感器仅在实际环境中校准、表征和测试时提供客观的调查方法。在下面的部分中，提供了当前可用传感器的概述。用于水下3D记录的大多数技术都是基于光学和声学传感器，适合于满足特定范围的应用，通常适用于短或长范围，即浅层或深水。鉴于所涉及的主题的复杂性和多样性，作者明确地意图为每个技术批判性地描述SaliTon特征，为水下考古的3D建模实践提供清晰的链接。

3.1。光学传感器

光学传感器使用可见光谱带中的光作为记录的主要来源。这是电磁光谱中很小的一部分。对于水下应用，有多种光学传感器可用。对于陆地上的传感器，它们被广泛地分类为被动和主动传感器，在这种意义上，无源传感器记录来自另一光源（阳光、闪光灯、灯等）的辐射。当有源器件产生它们自己的辐射时，它们被投射到感兴趣的物体上，并且传感器记录该辐射的反射量。很少有模型的光学传感器已经专门制造水下工作。因此，专门的和正常的传感器被认为是一种选择，只要它们可以被修改来执行水下。这意味着使用特殊的防水外壳，其设计用于保护传感器。正如在第2节中已经提到的，水下环境条件通常具有不均匀的照明，能见度差，由于介质中的散射和吸收。有源和无源技术都受到介质中的散射和吸收，这降低了图像对比度并减弱了光强度。为了减少有源传感器的后向散射的负面影响，提出了基于极化、空间、时间和谱分辨的不同解。

3.1.1无源光学传感器通常用于摄影测量和计算机视觉在陆地上、水面之上的无源光学传感器，它包括数字相机，这些数字相机可以是专门为公制目的建造的，也可以是由现成的数码相机组成的，通常是CAS。近景摄影测量。星上使用更多的专用无源光学传感器。用于航空摄影测量的米制相机的例子是VExcel ULTRACAM，或者徕卡DMC III，而一些近景摄影测量的例子是Rolleimetric，大地测量服务V-STARS和ALPA相机。用于摄影测量的制造相机需要保证几个要求，其中最重要的是高机械稳定性，例如不移动光学，跨越整个传感器格式的均匀的高质量图像，以及最小化的光学畸变。低噪声和高动态范围也是必须的，因为高对比度场景很可能在不受控制的光环境中发生。这些相机通常用于高度专业化的应用，它们需要随时间的最大校准稳定性，因为它们不能在实验室中频繁地校准（例如，不停止测量活动）。现成的相机，为通用摄影而建，允许更大的灵活性（即可互换镜头，便携性，更低的价格等），但遭受不稳定的相机校准，对于一些模型，甚至可能在同一图像采集期间变化，因为紧凑型的情况是这样的。D DSLR变焦相机[49，50]。用于水下摄影测量的数码相机主要可分为：（i）工业单体和立体相机系统，主要用于水产养殖和渔业应用，如AkvAsMART，以前的VICASS，和AQ1 AM100或安装在远程操作的车辆（ROV）和自主性上。水下航行器（AUV），能

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