专利名称：三维地质体结构面信息的数字摄像测量及采集方法
技术领域：
本发明属测绘科学与技术领域。涉及一种以数字摄像为地质体结构面信息采集途径的地质剖面三维数字化编录及信息处理方法。
背景技术：
1.立体视觉及计算机立体视觉与摄影测量 立体视觉是指人类有可能利用两个单眼的视觉感知具有深度的视觉，从而对物体的空间位置、形状进行判断。利用这一原理，1838年Wheatstone发明立体镜，使人们可以利用两张景物图片观察到具有深度的景观，使得以摄影技术所得的胶片作为媒介渗透、并与测量技术融合在一起成为可能，自此开拓了一个崭新的并且始终十分活跃空间视觉研究领域——摄影测量。1959年，Julesz利用计算机生成的随机点立体图(Random-dot stereograms，RDS)证实了视差是产生立体视觉的充分条件，开启了通过对人双眼立体视功能模仿所建立的双片立体视模型，这是计算机立体视觉的立论基础之一和最早的实践。其后的半个世纪中，计算机立体视觉技术随着计算机科技的发展而突飞猛进，并强烈的促进了摄影测量技术的发展，特别是在二战中，应战争的需要以航片解译敌情已是重要的情报收集手段，开发有相应的技术利用两张已知(或解算知)摄点空间坐标并覆盖相同区域的像片——立体像对解译两张像片中共有点的空间坐标；至今，技术发展使得解译的精度越来越高，应用范围越来越广。但已有摄影测量技术均以立体像对为解译基础，即在单张的像片上作解译工作，没有利用摄像这一具有连续、动态特征的数字流媒体作为测量解译的基本载体。
2.地质剖面编录中的结构面信息及摄影解决方案 地质剖面编录是认识、分析地质体力学工程特性的基础工作，其中对在剖面上出露的各种地质界面、力学弱面——结构面的空间展布信息的测绘、统计是编录工作的重要组成部分，其工作量极大且受限条件多一直以来是地质工程研究工作中的原始、繁重的“鸡肋”。当前在结合摄影测量技术后，国内外均有一定的研究成果。Baratin等人应用高陡边坡的连续拍摄图像试验了边坡的动态监测，与传统方法相比监测数据准确，其基本原理是应用三角测量对特定点进行变形解译，但也必须以配合高精度测量获得标定量测图像为前提。Farmer在利用滩地的数码图像解译地质构造上作了研究，他在滩地上搭建高塔，俯视拍摄滩地，以图片对大构造出露痕迹的位置进行解译。1994年李冬田在广州蓄能电站二期工程的施工中，应用隧洞摄影施工地质编录方法，并研制了相应的软件、硬件，1997年在小浪底排沙洞中，又进行了应用数码相机进行隧洞摄影施工地质编录的试验研究，其研究目的是隧洞编录，而且必须配合精密测量解译基本参数，另外数码相机的存储能力有限限制了其方法的应用推广。长委会的熊幼忠在三峡工程中的高、大、长边坡编录任务中应用数码摄录技术辅助边坡编录，该法是用直接线性方程在控制测量11个已知点坐标的基础上解算图像上其余点的坐标，其方法应用在50m以下高度的边坡是成功的，但始终摄像解译只是作为辅助手段，编录要靠有经验的地质人员在野外完成。黄委会的高永海、翟李越98在矿山的野外地质调查中也应用了摄像解译，原理与熊幼忠的方法相同，以11个已知点的对应像、物坐标用直接线性方程求解其它点的地物坐标。王树根、朱宜萱提出的野外节理面产状的摄影解决方案，在精确解算摄影站坐标、拍摄角度的控制测量基础上，用立体成像仪对立体像对或两张单片上的同名像点进行量测，用选权迭代法粗差拟合计算出代表该节理面的平面方程，最后依据一定的数学公式解求出目标节理面的产状。寇新建(1999)在上海市污水治理SB泵站大型沉井的变形监测中了采用数字摄影测量。他的方案设计是以全站仪测量为基础，根据光线的投影原理几何解析观测点的坐标，并建立透镜的畸变模型提高解算精度。吴志勇在实际工程应用中，采用了根据概化模型分单元求解各图像单元的变形因子，在一定误差允许范围内来解译各单元中地物点坐标的方法，2003年在其博士论文中又提出简化的、适用于平洞洞壁剖面的结构面编录方案。
3.有待突破和改进的问题 综上所述，应用计算机立体视觉技术结合摄影测量技术来解决地质工程研究中的剖面编录基础工作不但是可行的，而且是可能的高效率解决途径，综合起来有待突破和改进的方面有1)由于地质体的非均质性，即便在不考虑光源的结构信息的前提条件下(结构光照射条件，即主动式视觉的必要条件)，以漫射自然光照射，所摄录的反射光信号本身则是无序的，也就是说地质体表面反射光所成图像的信息组成既包含其无规律的复杂物质成分的反射光信息，又包含地质体表面揭露的物质的结构信息，例如，处于同一被识别的结构面上的各物点的某一光谱波段的特征对应图像中的某一象素，该点的光谱特征既反映无序的一个实际物质成分的反射光谱又含有该点的空间位置信息，这无助于点所在面的判断。所以计算机图像处理技术目前只能解决如文字识别、染色体配对、矽肺病分类及某些工件识别等具有稳定视表面二维、三维识别的问题。在当前，对于无规律可视表面的、复杂物质组分的地质体是无法进行计算机自动识别和判定的。
2)当前的摄影测量技术是基于传统的正、负胶片或电子图像的，技术核心是利用成组的立体像对来解译目标的物点坐标，必须要对每张像片的摄点坐标进行测绘解算和图像标定，这是当前该技术不能广泛应用于在一连续范围内的物像解译——如地质剖面的主要原因一则在小物距条件下，要测绘及标定工作量巨大且繁琐；再则在大物距条件下，图像、图片的解析度不能满足地质剖面编录的精度要求。
3)当前摄影测量的地质应用研究，在结构面的信息采集上多数集中在裂隙的空间展布位置、长度等信息上，而结构面的产状或是人工量测或是在建立一定的统计模型上模拟计算得出，即或是保证数据的可信度而增大人工工作量、或是减小野外工作量而降低数据的可信度。
4)当前有实际工程应用价值的地质剖面摄影测量技术或依靠专业级测量相机，或使用立体眼镜、立体仪，设备价格昂贵。
5)用于摄影测量的相机组(感光式、电子式)必须逐个标定，使用限制条件多。
6)现代研究表明人眼的立体视觉锐度存在个体差异，而摄影测量中使用的立体像对为摄点、视差距固定的一组图像，那么对立体视物的解译难度也就因人而异。
发明内容
在能满足地质剖面编录所要求的数据精度的前提下，不使用摄影测量专业设备，仅采用一台普通数码摄像机，不需要大量测量工作及复杂的摄像标定，在一般配置的计算机上完成各种地质剖面上结构面的摄像测量、解译及编录工作，是本发明可解决的问题。
1.应用于地质剖面的数字摄像测量 摄像测量是基于摄影测量的解算基本原理，结合摄像的特点加以改进使之适合地质剖面应用。在小物距条件下拍摄的单帧图像所覆盖的面积小，但可以获得清晰度满足要求的剖面数字图像，所以对于地质剖面编录方面的应用1)使用一台摄像机在固定轨道上匀速运动拍摄，需要测绘的仅为摄像机运动初始空间位置，其他的解译过程中所需的某一帧图像的摄点位置可由摄像机相关运动参数解算。
x1＝x0+vt sinθcosφy1＝y0+vt cosθcosφz1＝z0+vt sinφ(x0，y0，z0)为摄像机初始位置空间坐标；(x1，y1，z1)为待求摄点空间坐标；v为摄像机运动速度；t为运动时间；θ为轨道走向；φ轨道俯仰角。坐标系统为大地坐标系，Y轴正方向为北向。
2)根据共线关系，按拍摄时序从左到右排列各帧图像，同名物点在不同时间的所呈的左右两帧图像的空间坐标为
x=Yfx1=BPx1]]>y=Bx1-x2f=BPf]]>设P＝x1-x2z=Yfz1=BPz1]]>B＝vΔt(x，y，z)为待求物点空间坐标；x1、x2分别为在左右两帧图像中同名像点的X轴坐标；f为焦距；B为两帧图像的光轴间距；v为摄像机运动速度；Δt为两帧图像拍摄时间差。坐标系统由大地坐标平移至左帧图像的摄点，并绕Z轴顺时针旋转θ。最后将所得坐标值再反向平移旋转，转换为地质系统所用的大地坐标。
应用上述地质剖面摄像测量技术，可在仅测绘一次的条件下，解译摄像所覆盖的实物特征点(物点)的空间位置，由于地质剖面编录精度要求有限，上述公式的推导忽略了由于未进行图像正仿射变形而导致的误差。推而广之，该技术可在应用于类似地质剖面编录的其他行业使用。
2.基于数字视频的计算机立体视环境再建 计算机立体视觉环境是由二维图像再现三维视觉模型的必要环节，根据人眼立体视觉的视差原理，同一物体的、具有视差距的两张二维图像是形成立体视觉的充分必要条件。使用一台摄像机不但减少了摄像器材标定工作量，而且解译过程中所用任意图像的视差距可调，降低了解译难度。应用OpenGL技术，在计算机上同时建立两个视觉缓存区，并加载同一视频数据，在保证以相同速度处理两个视觉缓存区数据的前提条件下，通过控制加载视频数据位置获得具有可变视差距的两帧图像，从而可以通过计算机屏幕使得解译人员在其视野范围内建立二维图像的立体形象。其中，视差距为视频数据位置差(时差)与加载速度之积，正是由于视觉载体是通过数字摄像实现的，即通过连续的动态视频可以获得可变的视差距，所以大大降低了解译过程对解译人员立体视锐度的要求，扩展了摄像测量的应用范围。
3.人机交互式结构面识别 前文叙及当前计算机视觉技术无法识别地质体中的结构面，但人的视觉系统则可轻向易举识别图像中的特定内容，在计算机立体视觉环境中分离出所需的信息，这一点已被现代的生理、神经视觉理论所证实，所以采用利用人眼视觉系统从地质剖面图像中分离出结构面的形象，识别结构面特征点的人机结构面交互识别方法，在计算机上建立的立体视环境中点对点采集各结构面特征点的坐标，包括结构面在剖面上出露的裂隙端点坐标，以及结构面面上特征点的坐标。
4.结构面产状的数字摄像测量 在获得结构面面上特征点(最少三点)的坐标后，可计算其产状。
设由na、nb、nc三个不共线的点可确定的三点式平面方程为xyz1xayazb1xbybzb1xcyczc1=0]]>γ=|arttg(mk2+l2kl)|]]>β′=arccos|lk2+l2|]]>当k＞0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω当k＞0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+180°当k＞0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+270°当k＞0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+270°当k＜0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+180°当k＜0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω其中k＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Ya*Zb+Yb*Zc+Yc*Za-Ya*Zc-Yb*Za-Yc*Zb)l＝-(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Zb+Xb*Zc+Xc*Za-Xa*Zc-Xb*Za-Xc*Zb)m＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Yb+Xb*Yc+Xc*Ya-Xa*Yc-Xb*Ya-Xc*Yb)γ为结构面倾角；β为结构面倾向；β’为结构面计算倾向；ω剖面走向。当所选特征点数目多于三点时，采用最小二乘法选择其中距最优面距离之和最小时确定的三点来应用上述公式计算结构面产状。
图1由视差计算物点空间坐标的共线关系示意2结构面产状计算示意3结构面信息采集实际应用展示具体实施方法1.根据剖面实际情况确定拍摄方案，通常拍摄顺序为从上至下，由左至右；在摄像机、专用导轨就位后，测绘摄像机初始位置坐标、导轨走向；设定摄像机运动速度；拍摄。
2.在开发的摄像测量专用计算机立体视觉平台上加载拍摄的视频文件，识别结构面，并点对点解译结构面特征点的空间坐标，解算结构面相关信息。其中1)解译所需的任意摄点位置由公式逐点计算x1＝x0+vt sinθcosφy1＝y0+vt cosθcosφz1＝z0+vt sinφ(x0，y0，z0)为摄像机初始位置空间坐标；(x1，y1，z1)为待求摄点空间坐标；v为摄像机运动速度；t为运动时间；θ为轨道走向；φ轨道俯仰角。
2)在计算机立体视环境中点对点解算目标点空间坐标，公式如下x=Yfx1=BPx1]]>y=Bx1-x2f=BPf]]>设P＝x1-x2z=Yfz1=BPz1]]>B＝vΔt(x，y，z)为待求物点空间坐标；x1、x2分别为在左右两帧图像中同名像点的X轴坐标；f为焦距；B为两帧图像的光轴间距；v为摄像机运动速度；Δt为两帧图像拍摄时间差。
3)由特征点——端点空间坐标可计算端点间距离；由结构面上的点可计算其产状设由na、nb、nc三个不共线的点可确定的三点式平面方程为xyz1xayazb1xbybzb1xcyczc1=0]]>
γ=|arttg(mk2+l2kl)|]]>β′=arccos|lk2+l2|]]>当k＞0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω当k＞0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+180°当k＞0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+270°当k＞0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+270°当k＜0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+180°当k＜0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω其中k＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Ya*Zb+Yb*Zc+Yc*Za-Ya*Zc-Yb*Za-Yc*Zb)l＝-(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Zb+Xb*Zc+Xc*Za-Xa*Zc-Xb*Za-Xc*Zb)m＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Yb+Xb*Yc+Xc*Ya-Xa*Yc-Xb*Ya-Xc*Yb)γ为结构面倾角；β为结构面倾向；β’为结构面计算倾向；ω剖面走向。当所选特征点数目多于三点时，采用最小二乘法选择其中距最优面距离之和最小时确定的三点来应用上述公式计算结构面产状。
权利要求
1.应用于地质剖面的数字摄像测量方法1)由于采用了数字摄像作为测绘对象的信息载体，摒弃、减少了传统摄影测量所需的内外方位元的解算，通过对连续、动态的视频流参数——加载速度和帧位置的控制从而实现物点的三维空间位置解算，这是摄像测量方法的核心。2)使用一台摄像机在固定轨道上匀速运动拍摄，需要测绘的仪为摄像机运动初始空间位置，其他的解译过程中所需的某一帧图像的摄点位置由摄像机相关运动参数解算。x1＝x0+vtsinθcosφy1＝y0+vtcosθcosφz1＝z0+vtsinφ(x0，y0，z0)为摄像机初始位置空间坐标；(x1，y1，z1)为待求摄点空间坐标；v为摄像机运动速度；t为运动时间；θ为轨道走向；φ轨道俯仰角。坐标系统为大地坐标系，Y轴正方向为北向。3)根据共线关系，按拍摄时序的先后从左到右在计算机立体视环境中加载各帧图像，同名物点在不同时间的左右两帧图像的空间坐标为x=Yfx1=BPx1]]>y=Bx1-x2f=BPf]]>设P＝x1-x2z=Yfz1=BPz1]]>B＝vΔt(x，y，z)为待求物点空间坐标；x1、x2分别为在左右两帧图像中同名像点的X轴坐标；f为焦距；B为两帧图像的光轴间距；v为摄像机运动速度；Δt为两帧图像拍摄时间差。坐标系统由大地坐标平移至左帧图像的摄点，并绕Z轴顺时针旋转θ，即X轴正方向为剖面走向。最后将所得坐标值再反向平移、旋转，转换为地质系统所用的大地坐标。
2.基于数字视频的计算机立体视环境再建应用OpenGL技术，在计算机上同时建立两个视觉缓存区，并加载同一视频数据，在保证以相同速度处理两个视觉缓存区数据的同时，通过控制加载视频数据位置获得具有可变视差距的两帧图像，从而可以通过计算机屏幕使得解译人员在其视野范围内建立二维图像的立体形象。其中，视差距为视频数据位置差(时差)与加载速度之积，正是由于视觉载体是通过数字摄像实现的，即通过连续的动态视频可以获得可变的视差距，所以大大降低了解译过程对解译人员立体视锐度的要求，扩展了摄像测量的应用范围。
3.人机交互式结构面识别方法利用人眼视觉系统从地质剖面图像中分离出结构面形象的能力，识别结构面特征点，在计算机上建立的立体视环境中点对点采集各结构面特征点的坐标，包括结构面在剖面上出露的裂隙端点坐标，以及结构面面上特征点的坐标。不但获得了比实际量测更高的数据精度，而且从客观上解决了当前没有可用的无规律视表面的图像分割算法的难题，使得计算机立体视觉应用范围扩展到了诸如地质体结构面无法实现图像分割的工作。
4.结构面产状的数字摄像测量在获得结构面面上特征点(最少三点)的坐标后，可计算其产状。设由na、nb、nc三个不共线的点可确定的三点式平面方程为xyz1xayazb1xbybzb1xcyczc1=0]]>γ=|arttg(mk2+l2kl)|]]>β′=arccos|lk2+l2|]]>当k＞0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω当k＞0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+180°当k＞0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+270°当k＞0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＞0时β＝β’+ω+90°当k＜0，l＞0，m＜0时β＝β’+ω+270°当k＜0，l＜0，m＞0时β＝β’+ω+180°当k＜0，l＜0，m＜0时β＝β’+ω其中k＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Ya*Zb+Yb*Zc+Yc*Za-Ya*Zc-Yb*Za-Yc*Zb)l＝-(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Zb+Xb*Zc+Xc*Za-Xa*Zc-Xb*Za-Xc*Zb)m＝(Xa*Yb*Zc+Xb*Yc*Za+Xc*Ya*Zb-Xa*Yc*Zb-Xb*Ya*Zc-Xc*Yb*Za)/(Xa*Yb+Xb*Yc+Xc*Ya-Xa*Yc-Xb*Ya-Xc*Yb)γ为结构面倾角；β为结构面倾向；β’为结构面计算倾向；ω剖面走向。当所选特征点数目多于三点时，采用最小二乘法选择其中距最优面距离和最小的三点来应用上述公式计算结构面产状。
全文摘要
本发明公开了一种属测绘科学与技术领域的三维地质体结构面信息的数字摄像测量及采集方法。在能满足地质剖面编录精度的前提下，以数字视频流作为测绘对象的信息载体，摒弃、减少了传统摄影测量所需的内外方位元的解算，在计算机上再建的计算机立体视觉环境中，通过对连续、动态的视频流参数——加载速度和帧位置的控制来实现物点的三维空间位置解算，从而完成各种地质剖面上结构面的摄像测量、解译及编录工作。由于视差距是通过对连续的动态视频的控制所获得的，可以降低对解译人员立体视锐度的要求，扩展了摄像测量的应用范围，在解译精度能满足要求的前提下，本发明可扩展应用到地质监测、测绘、城市规划、道路设计等相关行业。
文档编号G01C11/28GK101029826SQ200710003589
公开日2007年9月5日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者吴志勇, 张萌, 聂德新 申请人:成都理工大学