工程边坡实时数字地质编录系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种工程边坡实时数字地质编录系统，包括计算机和摄影装置，其中摄影装置设有两台且型号参数相同，通过数据线与所述计算机连接，所述计算机包括摄影装置控制模块、影像解析模块、产状计算及编录图模块和边坡三维网格构建模块。本发明从拍摄边坡影像、到存入计算机、后续影像解析、绘制编录图等所有工作在边坡采集现场完成，具有很好的实时性，一台计算机同步控制两台数码相机的参数,使两台数码相机参数完全一致,大大提高了影像解析的准确性，现场很快地完成所有工作，可完全避免图像丢失带来的损失，如发现边坡影像遗漏等问题，现场并立即解决，可靠性高，效率高。
【专利说明】工程边坡实时数字地质编录系统
【技术领域】
[0001]本发明属于摄影测量技术，主要应用于水利、水电、交通、矿山等各类工程边坡领域，具体涉及应用于工程边坡地质编录的工程边坡实时数字地质编录系统。
【背景技术】
[0002]工程边坡地质编录是收集边坡地质资料，对边坡地质测绘，查明边坡地质要素，并绘制相应地质图件，是边坡治理工程中不可缺少的内容，对消除地质隐患，指导边坡治理的设计，工程的安全运营都有极其重要意义。工程边坡地质编录目前有两种方法:
[0003]第一种是传统编录方法，就是工程技术人员在工程边坡需要测绘的点用测量仪器，如皮尺，全站仪或GPS定位装置进行测量，然后根据测绘数据绘制成地质编录图，这种采用人工编录的方法工作量大，存在一定的安全隐患；随着数码技术的发展，出现了第二种数码遥感方法，这种方法是利用数码相机对边坡进行摄影，对同一边坡的两个不同角度分别照相一次，根据摄影测量的原理，解析出边坡影像的相关参数，计算边坡中所需要点的三维坐标，替代人工逐点测量，完成地质编录图。第二种方法相比第一种方法在工作效率、安全性、资料的完整和直观性等方面有很大的提高，具有明显的优势。目前现有运用第二种方法的工作流程是:在边坡的坡顶和坡底布置少量控制点，用一台数码相机对边坡进行两次照相，然后回室内将影像导入计算机中，运用专业的软件进行计算，生成编录图。虽然数码的方法比传统的方法已有很大的进步，但依然存在如下问题，限制了使用和发展:
[0004]现场无法解决成图:数码相机的影像和处理程序之间不鞒很好结合，往往需要将数码相机带回室内，进行手工处理，再返回边坡现场校核，因此实时性不强；
[0005]一台相机两次照相也存在一些问题:如用定焦镜头，对摄像的距离就会有特殊要求，如用变焦镜头，两次拍摄焦距不一致，影像的解算精度会有影响；
[0006]此外，数码相机的液晶屏一般比较小，对边坡影像全局御览也不方便，甚至极端的情况，如数码相机现场拍摄完成，在室内由于未知的原因，造成数码相片损坏，需要返工重新拍摄，影响工作效率。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了克服上述缺陷和不足，提供一种实时、准确、精确度高，工作效率高的工程边坡实时数字地质编录系统。
[0008]为实现上述目的，本发明设计的工程边坡实时数字地质编录系统，包括计算机和摄影装置，其特别之处在于设置两台相同的摄影装置，两台相同的摄影装置通过数据线与所述计算机连接，所述计算机包括摄影装置控制模块、影像解析模块、产状计算及编录图模块和边坡三维网格构建模块；
[0009]所述摄影装置控制模块用于接收输入的摄影装置的参数，控制两台摄影装置接收预览影像，判断出合格的预览影像后控制两台摄影装置同时拍摄，并将拍摄的影像存入影像库；[0010]所述影像解析模块，根据摄影装置的参数信息读出畸变参数，从影像库中读入影像，完成影像的畸变校正，读入边坡控制点坐标，完成几何校正，根据边坡控制点定位，自动拼接影像；
[0011]所述产状计算及编录图模块，画出要计算产状的结构面或裂隙键，调入该部位的左右两张影像，自动匹配两张影像的同名点，解算出三个以上点的三维坐标，计算出结构面或裂隙的产状，完成标注生成编录图；
[0012]所述边坡三维网格构建模块，计算边坡匹配点三维坐标，基于OpenGL进行渲染，分别进行点云显示、构建三角网显示，输出三维坐标数据文本文件。
[0013]上述技术方案中:所述计算机还包括图像预处理模块，用于影像解析处理前的预处理，以便更好地进行图像分析，预处理主要包括图像分幅编码、物方控制点坐标系转换、相机姿态计算。图像分幅编码，现场采集的图像分布在施工地坡面的各个部位，对采集的图像进行统一编码，以便进行后续维护和管理；野外施测的控制点是大地坐标系下的坐标，大地坐标系是左手坐标系，为后续处理的方便应先将其转化为工程坐标系。相机姿态计算是反算拍摄时的外方位元素，是后续反算大地坐标重要的步骤。
[0014]上述技术方案中:所述影像解析模块包括图像分析单元，根据摄影装置的参数信息读出畸变参数，从影像库中读入影像，完成影像的畸变校正，读入边坡控制点坐标，完成几何校正，根据边坡控制点定位，自动拼接影像；
[0015]上述技术方案中:所述产状计算及编录图模块包括裂隙产状生成单元，所述裂隙产状生成单元用于将坡面裂隙产状分析的结果以文本或其他形式表示和保存，对裂隙产状的分析结果，以两种方法表示:第一，在坡面图像上用线和文字直观的描述产状信息，包括走向、倾向和倾角信息；第二，以文本形式保存产状的分析结果，便于存储和保存。裂隙的产状由裂隙走向、倾向和倾角表示，走向即坡层面与水平面交线的延伸方向，走向线就是层面上的水平线，倾向即层面上与走向垂直并指向下方的直线，它的水平投影方向为倾向，倾角即层面与水平面的交角，其中沿倾向方向测量得到的最大交角称为真倾角，坡层层面在其它方向上的交角称为视倾角。其中还包括查询单元，用于根据图像和坡面裂隙信息进行双向查询，包括根据图像查询图像中裂隙的产状信息；根据裂隙的产状信息查看包含该类裂隙的图像信息
[0016]本发明采用一台计算机通过USB连接线和控制程序，同时控制两台数码相机拍摄边坡影像，并且通过计算机同步控制两台数码相机焦距、角度等参数；通过两台数码相机，对工程边坡进行立体摄像，在工程边坡上布置少量控制点，再运用摄影测量的原理开发软件，计算出边坡中任意点的三维坐标，从而现场实时完成边坡的地质编录工作，解决了边坡各种地质裂隙和结构面的产状计算问题，其优点主要体现在:
[0017]1、具有实时性:一台计算机控制两个相同型号的数码相机各个参数，两个数码相机现场采集边坡影像，从拍摄边坡影像、到存入计算机、后续影像解析、绘制编录图等所有工作在边坡采集现场完成，具有很好的实时性；
[0018]2、具有准确性:一台计算机同步控制两台数码相机的参数，使两台数码相机参数完全一致，大大提高了影像解析的准确性；
[0019]3、更可靠:现场很快地完成所有工作，不必担心存在的隐患，可完全避免图像丢失带来的损失，如发现边坡影像遗漏等问题，现场并立即解决，可靠性高；[0020]4、效率高:所有工作在边坡采集现场完成，完成后不用再返回工作现场，能更好地满足一些特殊工程快速反应的需要。
[0021]5、配置简单:系统不需要专用设备，只需要配置普通电脑和数码相机即可完成地质编录，成本低，易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明系统框架结构示意图；
[0023]图2为本发明系统总体结构图；
[0024]图3为较短的工程边坡进行地质编录示意图；
[0025]图4为较长大的工程边坡进行地质编录示意图；
[0026]图中:1 一计算机；2—摄影装置；3—摄影装置控制模块；4一影像解析模块；5—产状计算及编录图模块；6—边坡三维网格构建模块；7—图像预处理模块；8—图像分析单元；9一裂隙产状生成单元；10—查询单元；11 一摄影装置脚架；12—比较短的工程边坡；
13—比较长大的工程边坡。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述:
[0028]如图1所示的工程边坡实时数字地质编录系统，包括计算机I和摄影装置2，设置两台相同的摄影装置2通过数据线与计算机I连接，两个摄影装置2分别通过数据线与计算机I连接，还包括两个摄影装置脚架11，两个摄影装置2分别设置在摄影装置脚架11上，摄影装置脚架11根据坡地地质条件调整摄影装置2的平整度和倾斜角度。计算机I为便携式PC，摄影装置2为高清数码相机，选用Cannon E0S7D型号，摄影装置脚架11选用普通脚架，数据线为延长的USB数据线。计算机I包括摄影装置控制模块3、影像解析模块4、产状计算及编录图模块5和边坡三维网格构建模块6，摄影装置控制模块3用于接收输入的摄影装置2的参数，控制两台摄影装置2在拍摄开始工作时参数的一致性，只需选择相机型号参数即可，其它的信息包括畸变参数、内方位元素、相机参数等都是自动根据相机型号读取的。当选择好某一个相机型号后，该相机型号参数和该工程信息绑定，以后所有关于工程信息计算时所需的相机参数都是从该处读取。然后进行接收预览影像，判断出合格的预览影像后控制两台摄影装置2同时拍摄，并将拍摄的影像存入影像库；所述影像解析模块4，根据摄影装置2的参数信息读出畸变参数，从影像库中读入影像，完成影像的畸变校正，读入边坡控制点坐标，完成几何校正，根据边坡控制点定位，自动拼接影像；产状计算及编录图模块5，画出要计算产状的结构面或裂隙键，调入该部位的左右两张影像，自动匹配两张影像的同名点，解算出三个以上点的三维坐标，计算出结构面或裂隙的产状，完成标注生成编录图；边坡三维网格构建模块6，计算边坡匹配点三维坐标，基于OpenGL进行渲染，分别进行点云显示、构建三角网显示，输出三维坐标数据文本文件。
[0029]计算机I还包括图像预处理模块7，用于影像解析处理前的预处理，以便更好地进行图像分析，预处理主要包括图像分幅编码、物方控制点坐标系转换、相机姿态计算。图像分幅编码，现场采集的图像分布在施工地坡面的各个部位，对采集的图像进行统一编码，以便进行后续维护和管理；野外施测的控制点是大地坐标系下的坐标，大地坐标系是左手坐标系，为后续处理的方便应先将其转化为工程坐标系。相机姿态计算是反算拍摄时的外方位元素，是后续反算大地坐标重要的步骤。影像解析模块4包括图像分析单元8，图像分析单元8用于对采集回来的图像进行处理，以便更好地进行图像分析，根据摄影装置的参数信息读出畸变参数，从影像库中读入影像，完成影像的畸变校正，读入边坡控制点坐标，完成几何校正，根据边坡控制点定位，自动拼接影像。影像解析模块4包括裂隙产状生成单元9，裂隙产状生成单元9用于将坡面裂隙产状分析的结果以文本或其他形式表示和保存，对裂隙产状的分析结果，以两种方法表示:第一，在坡面图像上用线和文字直观的描述产状信息，包括走向、倾向和倾角信息;第二，以文本形式保存产状的分析结果，便于存储和保存。裂隙的产状由裂隙走向、倾向和倾角表示，走向即坡层面与水平面交线的延伸方向，走向线就是层面上的水平线，倾向即层面上与走向垂直并指向下方的直线，它的水平投影方向为倾向，倾角即层面与水平面的交角，其中沿倾向方向测量得到的最大交角称为真倾角，坡层层面在其它方向上的交角称为视倾角。其中包括查询单元10，用于根据图像和坡面裂隙信息进行双向查询，包括根据图像查询图像中裂隙的产状信息；根据裂隙的产状信息查看包含该类裂隙的图像信息。
[0030]计算机I包括摄影装置控制模块3、影像解析模块4、产状计算及编录图模块5和边坡三维网格构建模块6主要完成图像采集、图像处理、图像分析等功能，包括从工程的建立到工程参数的设置，再到图像采集、图像处理、裂隙编录，最后到数据库，并从数据库中调取相关结果，进行查询等功能。
[0031]具体实施过程中，人工可布置边坡控制点，或采用无站标的测量方法，测四个或四个以上的控制点地理坐标，将采集的边坡图像录入计算机I中。
[0032]对于现场采集编录较短的工程边坡图像，如图3所示，摄影装置2 —次可拍摄下整个工程边坡图像:在比较短的工程边坡12的四角区域分别布置四个控制点，控制点是用做好的站牌，用20厘米的正方形铝板，上面粘贴白底蓝字的数字编号，将摄影装置脚架11置于工程边坡的对面，摄影装置脚架11上分别安装摄影装置2，同时拍摄下边坡的完整影像，保证控制的站牌在影像内。对于现场采集编录较长大的工程边坡13，如图4所示，摄影装置2无法一次完全拍摄下来，需分几幅拍摄:要求每幅中有四个控制点，两幅之间有重合之处，如第一副拍摄有1，2,,8,9四个控制点，第二幅有2，3，9，10四个控制点，依次进行，在拍摄过程中根据拍摄工程边坡的部位、移动设备、使得摄影装置2基本设置在将要拍摄部位的正对面；现场可调整摄影装置脚架11使摄影装置2设置在将要拍摄部位的正对面快速获取边坡的影像。
【权利要求】
1.一种工程边坡实时数字地质编录系统，包括计算机(I)和摄影装置(2)，其特征在于:设置两台相同的摄影装置(2)通过数据线与所述计算机(I)连接，所述计算机(I)包括摄影装置控制模块(3)、影像解析模块(4)、产状计算及编录图模块(5)和边坡三维网格构建模块(6)； 所述摄影装置控制模块(3)用于接收输入的摄影装置(2)的参数，控制两台摄影装置(2)接收预览影像，判断出合格的预览影像后控制两台摄影装置(2)同时拍摄，并将拍摄的影像存入影像库；所述影像解析模块(4)，根据摄影装置(2)的参数信息读出畸变参数，从影像库中读入影像，完成影像的畸变校正，读入边坡控制点坐标，完成几何校正，根据边坡控制点定位，自动拼接影像； 所述产状计算及编录图模块(5)，画出要计算产状的结构面或裂隙键，调入该部位的左右两张影像，自动匹配两张影像的同名点，解算出三个以上点的三维坐标，计算出结构面或裂隙的产状，完成标注生成编录图； 所述边坡三维网格构建模块(6)，计算边坡匹配点三维坐标，基于OpenGL进行渲染，分别进行点云显示、构建三角网显示，输出三维坐标数据文本文件。
2.根据权利要求1所述的工程边坡实时数字地质编录系统，其特征在于:所述计算机(I)还包括图像预处理模块(7)，用于影像解析处理前的预处理，以便更好地进行图像分析，预处理主要包括图像分幅编码、物方控制点坐标系转换、相机姿态计算。图像分幅编码，现场采集的图像分布在施工地坡面的各个部位，对采集的图像进行统一编码，以便进行后续维护和管理；野外施测的控制点是大地坐标系下的坐标，大地坐标系是左手坐标系，为后续处理的方便应先将其转化为工程坐标系。相机姿态计算是相机拍摄时的外方位元素，是后续反算大地坐标重要的步骤。
3.根据权利要求1所述的工`程边坡实时数字地质编录系统，其特征在于:所述影像解析模块(4)包括图像分析单元(8)，所`述图像分析单元(8)用于对采集回来的图像进行解析处理，主要包括图像校正、图像拼接；图像校正，在现场采集回来的图像受施工地、天气、光照的影响，需要对采集回来的图像进行校正处理，其中包括改进镜头畸变的畸变校正及几何校正；图像拼接，在拍摄过程中，由于一段坡面的距离较长，拍摄时是将坡面分割成若干的部分进行拍摄，在分析的过程中进行图像拼接操作便于对整个坡面进行整体分析。
4.根据权利要求1所述的工程边坡实时数字地质编录系统，其特征在于:所述产状计算及编录图模块(5 )包括裂隙产状生成单元(9 )，所述裂隙产状生成单元(9 )用于将坡面裂隙产状分析的结果以文本或其他形式表示和保存，对裂隙产状的分析结果，以两种方法表示:第一，在坡面图像上用线和文字直观的描述产状信息，包括走向、倾向和倾角信息;第二，以文本形式保存产状的分析结果，便于存储和保存。裂隙的产状由裂隙走向、倾向和倾角表示，走向即坡层面与水平面交线的延伸方向，走向线就是层面上的水平线，倾向即层面上与走向垂直并指向下方的直线，它的水平投影方向为倾向，倾角即层面与水平面的交角，其中沿倾向方向测量得到的最大交角称为真倾角，坡层层面在其它方向上的交角称为视倾角。其中还包括查询单元(10)，用于根据图像和坡面裂隙信息进行双向查询，包括根据图像查询图像中裂隙的产状信息；根据裂隙的产状信息查看包含该类裂隙的图像信息。
5.根据权利要求1所述的工程边坡实时数字地质编录系统，其特征在于:所述边坡三维网格构建模块(6)，计算边坡匹配点三维坐标，基于OpenGL进行渲染，分别进行点云显示、构建三角网显示,.输出三维坐标数据文本文件。
【文档编号】G01C11/00GK103438864SQ201310343259
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】蔡耀军, 胡瑞华, 黄超, 胡迎松, 练超, 王小波, 姬俊虎, 李书 申请人:长江勘测规划设计研究有限责任公司, 水利部长江勘测技术研究所