一种逐层开挖工程获取整体三维影像的方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种逐层开挖工程获取整体三维影像的方法。

背景技术：

在岩土工程建设中，对于一些大型开挖工程(如水利水电坝肩边坡，水电工程地下厂房等)，一般采用逐层开挖，逐层支护的方法进行施工。在单层开挖完成后，喷锚支护前，需对开挖面进行地质测绘，并收集影像资料，以记录原始地质信息，便于后期分析及展示。

传统影像的获取一般采用数码相机对开挖面进行连续、分幅拍摄。该方法成果不够直观，无法获取开挖面的整体影像，不利于后期进一步的分析研究。

随着三维数字图像技术的发展，近年来出现的三维实景建模技术，可以通过对目标进行连续拍摄，采集一系列的二维照片，利用一定的计算得到形象直观的三维实景模型。但该技术的局限性在于建模目标需是静态的、照片的采集也必须在同一时刻完成，无法应用于获取动态、变化的目标在特定时间与特定状态下的三维影像。而大型边坡、地下洞室等工程的开挖过程往往需要持续很长时间，其开挖面形态、状态处于不断变化之中，尤其对于工程师们关心的开挖面表面地质信息在现实环境下无法在同一时刻得到整体展现。

在岩土工程中，对于如何获取类似大坝建基面等逐层开挖工程的整体三维影像，目前尚无行之有效的解决途径。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种逐层开挖工程获取整体三维影像的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种逐层开挖工程获取整体三维影像的方法，包括以下步骤：

1)首层开挖完成后，清理开挖面，获得首层开挖面；

2)确定首层开挖面二维影像采集范围；首层开挖面影像采集范围为当前开挖面范围；

3)标记点布置：首先在首层开挖面二维影像采集范围内在开挖面底部区域水平方向布设一排标记点，并将该包括一排标记点的开挖面底部区域设为重叠区域，将此排标记点作为后期与下层模型重叠区域的拼接控制点；然后在开挖面内部均匀布设设定数量的标记点，作为该层的单层三维模型精度的校正控制点；

4)利用全站仪，分别测量拼接控制点及校正控制点的大地坐标；

5)利用无人机对首层开挖面进行连续拍摄，获取该层开挖面一系列二维照片；

6)将获取的照片、拼接控制点及校正控制点的坐标导入smart3d三维影像合成软件，合成首层开挖面三维影像模型；并在三维模型中获取预留的检查点坐标对比实际测量坐标进行精度校核，检查三维影像坐标是否存在错误或者精度是否满足要求；

7)进行第二层开挖完成后，清理开挖面，获得该层开挖面；

8)确定第二层开挖面二维影像采集范围；所述第二层开挖面二维影像采集范围为当前层开挖面范围和上层开挖面的重叠区域；

9)重复步骤4)至6)的方法，获得第二层开挖面三维影像模型，之后各层影像采集过程与第二层相同，依次用该方法获取各层开挖面三维影像模型；

10)利用层与层之间重叠区域的标记点坐标，对各层三维影像模型进行合成，裁剪重叠区域多余影像，形成最终的整体三维影像。

按上述方案，所述步骤3)中的拼接控制点采用喷漆方法布置，所述校正控制点利用红外激光指示器布置。

按上述方案，所述重叠区域的拼接控制点，在水平方向同一直线上布设一排，拼接控制点之间的间距小于5m。

按上述方案，所述校正控制点是通过红外激光指示器在开挖面内部区域均匀布设的标记点，标记点之间的间距相等，该标记点作为单层开挖面建模时的精度校正控制点。

按上述方案，所述步骤5)中，无人机飞行高度位于单层开挖面中心高程附近，航线与开挖面走向基本保持一致；相机视角尽量与岩面保持垂直，以保证相邻照片视角差不超过15度，同时相邻照片需保证70％重叠率，每张照片需至少包含4至6个喷漆标记点或激光标记点。

按上述方案，所述步骤6)中预留2至3个校正控制点不导入，作为单层三维模型的精度检查点，其余校正控制点和拼接控制点均导入参与建模。

按上述方案，所述步骤9)中，若重叠区域内的拼接控制点标记因施工影响导致不可见，则利用全站仪及红外激光指示器重新进行放样标记。

本发明产生的有益效果是：

(1)获取逐层开挖工程的整体三维影像模型，可反复、多角度、可追溯观察分析，弥补了开挖面在混凝土覆盖后无法进行深入研究的遗憾；

(2)实景影像配合高精度三维坐标点，为后续研究工作提供基础；

(3)层与层之间保证一定的重叠，同时利用坐标点控制精度，保证了模型拼接效果。

(4)使用无人机采集原始影像，极大地降低了外部环境的干扰，提高了成果质量。

(5)获取的整体三维影像可应用于室内地质编录，大大减轻地质人员野外工作量，提高编录精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的开挖面标记点布置示意图；

图3是本发明实施例的无人机获取单层边坡二维影像示意图；

图4是本发明实施例的利用控制点拼接相邻层三维影像示意图；

图5是本发明实施例的合成后的边坡整体三维影像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种逐层开挖工程获取整体三维影像的方法，包括以下步骤：

1)首层开挖完成后，清理开挖面，获得首层开挖面；

2)确定首层开挖面二维影像采集范围；首层开挖面影像采集范围为当前开挖面范围；

3)标记点布置：首先在首层开挖面二维影像采集范围利用喷漆在开挖面底部区域水平方向布设一排标记点，并将该包括一排标记点的开挖面底部区域设为重叠区域，将此排标记点作为后期与下层模型重叠区域的控制点；再利用红外激光指示器在开挖面内部均匀布设设定数量的标记点，作为该层的单层三维模型精度校正控制点；

4)利用全站仪，分别测量喷漆标记点及激光标记点大地坐标；

5)利用无人机对首层开挖面进行连续拍摄，获取该层开挖面一系列二维照片；

6)将获取的照片及标记点坐标导入(预留2～3个激光标记点不导入，作为单层三维模型的精度检查点)smart3d等三维影像合成软件，合成首层开挖面三维影像模型；并在三维模型中获取预留的检查点坐标对比实际测量坐标进行精度校核，检查三维影像坐标是否存在错误或者精度是否满足要求；

7)进行第二层开挖完成后，清理开挖面，获得该层开挖面；

8)确定第二层开挖面二维影像采集范围；所述第二层开挖面二维影像采集范围为当前层开挖面范围和上层开挖面的重叠区域；

9)重复步骤4)至6)的方法，获得第二层开挖面三维影像模型，之后各层影像采集过程与第二层相同，依次用该方法获取各层开挖面三维影像模型；

10)利用层与层之间重叠区域的标记点坐标，对各层三维影像模型进行合成，裁剪重叠区域多余影像，形成最终的整体三维影像。

一个具体实施例：

金沙江某水电站大坝拱肩槽边坡高差达270m，边坡采用分层开挖方式，单层开挖高度为10m。以该边坡为例，利用本方法获取边坡建基面整体三维影像。

实例实施需以下设备：①喷漆及若红外激光指示器；②免棱镜全站仪(如拓普康(gpt-3005ln)1台套、测量精度±(10mm+10ppm)；③无人机及高清云台相机1台套；④smart3d软件。

外业影像采集时间为边坡刚刚开挖揭露完成后进行，以保证岩面清洁，现场环境条件最佳。

具体实施步骤如下：

(1)第一层边坡开挖完成后，冲洗岩面。

(2)确定影像采集范围为第一层开挖面范围。如图2所示，①工程边坡，②影像采集区域，③重叠区域，④标记点。

(3)布置标记点。首先用喷漆在距坡脚50cm处每隔5m布置一排水平向标记点，作为与下层边坡重叠区域的控制点。在重叠区域以外坡面均匀布设标记点，间距一般10m。标记点布置如图2所示，①工程边坡，②影像采集区域，③重叠区域，④标记点。

(4)利用全站仪，分别测量重叠区域喷漆标记点及重叠区域以外激光标记点大地坐标。

(5)安装无人机组件并完成调试，使无人机飞行高度位于单层开挖面中心高程附近，航线与开挖面走向基本保持一致；相机视角尽量与岩面保持垂直，以保证相邻照片视角差不超过15度；同时相邻照片需保证70％重叠率，每张照片包含4～6个喷漆或激光标记点。如图3所示，图中：⑤无人机，⑥相机镜头至坡面距离，⑦无人机飞行方向。

(6)将单层边坡获取的一系列照片及标记点(预留2～3个激光标记点不导入)坐标导入smart3d软件，合成单层边坡三维影像，如图4所示。并利用预留的标记点作为检查点，对三维影像的精度进行校核与检查。

(7)第二层边坡开挖完成后，重复以上步骤。重复步骤(2)时，其影像采集范围为第二层坡面范围并向上延伸1m左右，使得本次采集范围与第一层坡面保证一定的重叠区域，且重叠区域包含第一层边坡坡脚预留的喷漆标记点。之后各层影像采集过程均与第二层相同，依次用该方法获取以下各层开挖面三维影像模型。

(8)利用重叠区域标记点三维坐标，将各层边坡三维影像模型进行合并，裁剪层与层之间重叠区域多余影像，如图5所示，得到最终的整体三维影像模型。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。