专利名称：大型洞室仪测成像可视化地质编录方法
技术领域：
本发明涉及一种大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，属于地质勘测技术领域。
背景技术：
在地下洞室的建造施工过程中需要对其地质构造和特性进行勘探编录。长期以
来，地下洞室的地质勘探采用人工编录，以文字和素描的方式记录地质现象和特征，这种记
录方式不仅工作量大，准确性差，而且易遗漏信息，不够直观。为解决传统手工素描地质编
录方法成图精度较差、不具可视性及综合利用效果较差等缺点，基于数字摄影测量的可视
化地质编录近十几年来一直在水利水电工程中进行着研究和尝试，最早应用于大型边坡工
程。对于地下洞室的可视化地质编录，随着测量、数码摄像技术的进步，已经取得了一些令
人满意的成果，从应用范围上，主要是边坡和中小型洞室，从应用方式上， 一般立足于对普
通数码相机和被摄物体关系进行定位计算，以及通过相机自身成像原理误差的实测和校正
建立理论和经验换算公式进行影像成图。近年来，小断面洞室全断面成像以及大断面洞室
三维激光扫描成像技术也在国内外一些边坡和洞室编录中有了一定的应用。 但是，由于普通照像机是一种非量测工具，这些技术本身往往都不能完全满足规
程规范的真正意义上的地质编录，且存在一些令人不能满意的缺陷①仅有图像，地质编录
的内容不够全面；②偏重于图像的后处理精度，而相对忽视了地质体本身的实测精度；③
较多的硬件设施及复杂的后处理程序，往往离不开专业人员的操作；④成本较高，同时占用
的人力资源也较多。这些缺陷导致可视化编录无法进行大规模推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足而提供一种大型
洞室仪测成像可视化地质编录方法，它将数字摄像、测量和地质记录相结合，不仅编录内容
全面，而且编录过程较为简便，易于推广应用。 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为 洞室壁面清理和现场施工放样，现场施工放样包括确定并测量控制点及壁面桩 号，设定三维坐标点； 设定洞室拍摄的纵向移动步长，按纵向移动步长将洞室分段，将各分段的洞壁划 分成若干矩形幅面； 对划分的矩形幅面用激光标点器设放激光标点，每个矩形幅面设放4个或4个以 上激光标点，4个激光标点位于每个矩形幅面的四角，并且沿纵向前后两相邻的矩形幅面之 间，前一幅后侧的2个激光标点为后一幅前侧的2个激光标点，沿周向上下两相邻的矩形幅 面之间，上一幅下侧的2个激光标点为下一幅上侧的2个激光标点； 用数码摄像机，配置照明灯具，按步长和幅面对已设放激光标点的矩形幅面按序 进行拍摄，拍摄的每幅图像应覆盖4个激光标点，图像幅面大于所划分的矩形幅面，相邻各幅图像前后上下通过激光标点相互衔接，即图像边沿相互重叠，摄像机镜头保持正向拍摄，按步长不断前移，在拍摄完相邻的图像后，激光标点交替移动，直至拍摄完毕；同时用免棱镜全站仪对激光标点进行三维坐标测量并记录； 将拍摄的数字图像输入计算机，通过计算机图像处理软件对采集的洞室图像进行校正和拼接； 以校正和拼接的图像为底图进行地质现场解译与成图。 按上述方案，所述的纵向移动步长为3 5米；每幅拍摄的图像幅面范围(4m 7. 5m) X (3m 6m)，包含有4个或4个以上激光标点；每幅拍摄的图像幅面相对划分的矩形幅面各侧边沿外延0. 3 0. 6米。 按上述方案，所述的数码摄像机为500万像素以上的数码摄像(照相)机；摄像机的摄像距离为5 10米，正向拍摄时镜头的仰摄角度为0 15。，俯摄角度为0 5。。1 : 100成图精度< lmm。 按上述方案，所述的图像校正和拼接包括根据图像拼接需要，编写摄像坐标点生成程序，根据测量成果自动在AutoCAD中生成照片接合图，采用VPstudio或Geom即软件，输入每幅图像(照片)中已明确标示的测量点坐标(至少4个)，实现图像的自动几何校正，将影像由中心成像转换成目标洞壁面的正射影像图；利用Photoshop中进行色差、亮度等增强处理并最终分层分段拼接和拼接到总图，Geom即可实现两张图像的自动拼接。
按上述方案，所述的地质现场解译与成图包括根据现场拍摄图像在室内进行校正快速拼接后输出作为底图，再到现场比对开挖面勾绘主要地质现象草图和地质描述，在时间限制或开挖面需及时覆盖等情况下，可采用常规地质编录与仪测成像同步进行，最终再以高精度拼接的图像(照片)作为底图比对外业草图在AutoCAD中矢量化成图，形成包含照片信息的地质影像线划图。 本发明的有益效果在于1、在摄像环节中，通过激光标点器对被摄体进行标记并引入免棱镜全站仪测量技术进行测量，单幅图片均可实现四点(或以上)测量定位，突破了传统可视化编录中无法单张图片精确定位(建立系统坐标)和定点校正拼接的最大难题；
2、 拍摄后，利用拼接图片或简图进行现场解译及综合描述等，成功地实现了与常规地质编录的有机结合，实现了真正意义上的、可大规模应用于生产的、符合规程规范的地质编录；
3、 地质影像图真实、客观的再现了洞室开挖面所揭示的地质现象，图中每点通过相应换算都有与之对应的三维空间坐标，资料便于永久保存和综合利用。并且通过高清影像图可直观地进行岩性、断裂构造迹线、地质块体及围岩类别等地质信息的分析鉴定，并进一步形成地质所需的其它各种信息。线划影像图上任意点均具系统二维及三维坐标，可据此形成表面三维影像。
图1为本发明一个实施例的流程框图。
图2为本发明现场拍摄和测量示意图。 图3为本发明一个实施例的激光标点布放及图像幅面衔接示意图，实线表示划分
的矩形幅面，圆点为激光标点，虚线表示拍摄的图像幅面。 图4为本发明一个实施例的地质影像线划图。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。 以某地下电站主厂房下游壁面第三层桩号0+75 0+95、高程73 79m段、编录范围宽X高为20X6m为实施例说明如下。
步骤一 作业准备 1、专用器材准备①高清照相机1部(500万像素以上如SONY T700)，②免棱镜全站仪(如Trimble (5000-series) 1台套、测量精度士2ppm，③碘钨灯1套(包括碘钨灯、专用三角架、满足编录面长度的电线等专用照明设备)，④激光标点器(20个左右)、⑤50m皮尺l个及记录纸等。 2、岩面冲洗及施工放样用风枪及清水将开挖面冲洗干净，对影响拍摄线路和成
像的遮挡物予以清理；施工放样包括测量控制点及壁面桩号标注，设定三维作标点。 3、为了便于图像间完整拼接，在开挖面喷砼覆盖时，要求与邻层接合部位预留lm
左右宽度不覆盖，以保证相邻层间图像的完整拼接。
步骤二 仪测成像 1、在施工单位提供测量控制点上，摆设免棱镜全站仪5，准备定点测量； 2、距离开挖壁面约5 10m平行壁面拉一皮尺1，作为平行移动照相位置的参照
线； 3、设定洞室拍摄的纵向移动步长，按纵向移动步长将洞室分段，将各分段的洞壁划分成若干矩形幅面； 4、摆放激光标点器2 :在壁面上对划分的矩形幅面进行标点布置(在地面摆放激光标点器，激光照射到壁面上形成固定不动的红色影点)，作为要测坐标的点以及洞室内图像几何校正及相邻图像相互拼接的标识点，每个矩形幅面设放4个激光标点(A、 B、 C、 D) ， 4个激光标点位于每个矩形幅面的四角顶点，具体点的布置见图3，自桩号0+75开始摆放激光标点，水平间距5m(与施工桩号一致)，垂直布点间距3m，共布置5纵3横共计15个激光标识点(需要15个激光标点器)，划分出矩形幅面； 5、用免棱镜全站仪逐点测量各激光标识点的三维坐标，并采用空白纸画出各点位置及编号示意图； 6、数码拍摄配置照明灯具3，按步长和幅面对已设放激光标点的矩形幅面按序进行拍摄，拍摄的每幅图像应覆盖4个激光标点，图像幅面大于所划分的矩形幅面，为6X4m，相邻各幅图像前后上下通过激光标点相互衔接，即图像边沿为0. 5m，相互重叠，摄像机4镜头保持正向拍摄，按步长不断前移，分上、下两排 拍摄4张共计8张，下排从右至左，上排从左至右，拍摄不同高度开挖面时需调整照相点与壁面间的距离，照相机的拍摄距离为5 10米，正向拍摄上排图像时镜头的仰摄角度为0 15° ，正向拍摄下排图像时镜头的俯摄角度为0 5° ，然后平行移动，照相站点及灯光应位于取影范围的中间，灯光同步移动。单张图像编录范围为5X3m，实际拍摄取影范围按边沿各超出约0. 5m控制，即取影范围大致为6X4m，相邻照片间重叠范围约lm(图3)，激光点均位于重叠范围内，以便拼接。在拍摄完上述图像后再拍摄相邻的图像，激光标点交替移动，直至拍摄完毕。
步骤三计算机影像处理
现场仪测成像完成后，将拍摄的数字(数码)图像输入计算机，进行图像几何校正和拼接处理 1、将照片图像标识点三维坐标转换成洞室坐标系，一般以洞室设计尺寸为基准，得到图像上各标点的洞室坐标(二维坐标水平桩号及高程)； 2、根据每张图像上四个标点实际洞室坐标，采用VPstudio进行图像几何校正(校正)，把每张中心投影影像转变成正射投影图像； 3、影像增强处理及分段拼接影像在洞室中受粉尘及灯光的影响，色彩上有所差异，利用PhotoShop进行图像色差、亮度等增强处理。然后在PhotoShop对当天编录的影像拼接成一张影像图，相邻照片拼接时，如图3中第一张和第二张图像间拼接，A、 B标点为两张图像共点标志，其它照片图像拼接原理相同。分部拼接完后根据各标点的坐标在图像上标明桩号及高程，便于整体图像拼接。图像拼接完成后打印出图，作为地质人员现场地质解译的底图。 4、拼接到总图 分段拼接完成后，把总图打开，按桩号及高程，把分部照片图像拼接到总图上，再根据总图的色彩对分段图像进行调整。
步骤四地质解译与成图
1、图像现场地质解译 地质员以拍摄图像为底图(为快捷起见，有时为未校正的拼接图)，在图像上与现场开挖面比对勾画主要地质现象，画出地层岩性(包括岩脉)、断层、裂隙、软弱夹层、不利结构面组合块体等地质信息并进行标注，再对其产状、性状、规模等进行量测和描述，完成相应开挖面的地质编录草图。
2、数字影像线划图成图 数字影像线划图在室内进行，对仪测影像图片作几何校正及增强和拼接处理后比对现场编录草图，在AutoCAD中以该图片为背景矢量化成图。成图信息包括地层岩性、构造
(含产状)、岩体结构、水文地质、围岩类别、地质块体等，此流程完成的部分影像线划图即图4。
权利要求
一种大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于洞室壁面清理和现场施工放样，现场施工放样包括确定并测量控制点及壁面桩号，设定三维坐标点；设定洞室拍摄的纵向移动步长，按纵向移动步长将洞室分段，将各分段的洞壁划分成若干矩形幅面；对划分的矩形幅面用激光标点器设放激光标点，每个矩形幅面设放4个或4个以上激光标点，4个激光标点位于每个矩形幅面的四角，并且沿纵向前后两相邻的矩形幅面之间，前一幅后侧的2个激光标点为后一幅前侧的2个激光标点，沿周向上下两相邻的矩形幅面之间，上一幅下侧的2个激光标点为下一幅上侧的2个激光标点；用数码摄像机，配置照明灯具，按步长和幅面对已设放激光标点的矩形幅面按序进行拍摄，拍摄的每幅图像应覆盖4个激光标点，图像幅面大于所划分的矩形幅面，相邻各幅图像前后上下通过激光标点相互衔接，即图像边沿相互重叠，摄像机镜头保持正向拍摄，按步长不断前移，在拍摄完相邻的图像后，激光标点交替移动，直至拍摄完毕；同时用免棱镜全站仪对激光标点进行三维坐标测量并记录；将拍摄的数字图像输入计算机，通过计算机图像处理软件对采集的硐室图像进行校正和拼接；以校正和拼接的图像为底图进行地质现场解译与成图。
2. 按权利要求1所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于所述的纵 向移动步长为3 5米；每幅拍摄的图像幅面范围4m 7. 5mX 3m 6m，包含有4个或4个 以上激光标点；每幅拍摄的图像幅面相对划分的矩形幅面各侧边沿外延0. 3 0. 6米。
3. 按权利要求1或2所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于所述 的数码摄像机为500万像素以上的数码摄像机；摄像机的摄像距离为5 10米，正向拍摄 时镜头的仰摄角度为0 15° ，俯摄角度为0 5。。
4. 按权利要求1或2所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于所述 的图像校正和拼接包括根据图像拼接需要，编写摄像坐标点生成程序，根据测量成果自动 在AutoCAD中生成图像接合图，采用VPstudio或Geom即软件，输入每幅图像中已明确标 示的测量点坐标，实现图像的自动几何校正，将影像由中心成像转换成目标洞壁面的正射 影像图；利用Photoshop中进行色差、亮度等增强处理并最终分层分段拼接和拼接到总图， Geom即可实现两张图像的自动拼接。
5. 按权利要求1或2所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于所述 的地质解译与成图包括根据现场拍摄图像在室内进行校正快速拼接后输出作为底图，再 到现场比对开挖面勾绘主要地质现象草图和地质描述，最终再以高精度拼接的图像作为底 图比对外业草图在AutoCAD中矢量化成图，形成包含图像信息的地质影像线划图。
6. 按权利要求5所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于所述的现 场比对开挖面勾绘草图和地质描述是在图像上与现场开挖面比对勾画进行地质编录，通过 图上画出地层岩性、断层、裂隙、软弱夹层、不利结构面组合块体地质信息并进行标注，再对 其产状、性状、规模进行量测和描述，完成相应开挖面的地质编录草图。
7. 按权利要求5所述的大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，其特征在于地质影像 线划像信息包括地层岩性、构造、岩体结构、水文地质、围岩类别、地质块体。
全文摘要
本发明涉及一种大型洞室仪测成像可视化地质编录方法，包括洞室壁面清理和现场施工放样，设定三维坐标点；对划分的矩形幅面用激光标点器设放激光标点，用数码摄像机，按步长和幅面对已设放激光标点的矩形幅面按序进行拍摄，拍摄的每幅图像应覆盖4个激光标点；同时用免棱镜全站仪对激光标点进行三维坐标测量并记录；将拍摄的数字图像输入计算机进行校正和拼接；最后进行地质现场解译与成图。本发明突破了传统可视化编录中无法单张图片精确定位和定点校正拼接的最大难题；拍摄后，利用拼接图片或简图进行现场解译及综合描述等，成功地实现了与常规地质编录的有机结合，实现了真正意义上的、可大规模应用于生产的、符合规程规范的地质编录。
文档编号G06T11/00GK101709964SQ20091027305
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者刘承新, 刘聪元, 宋肖冰, 廖立兵, 朱斌成, 满作武, 潘金鹤, 王家祥, 王德阳, 薛果夫, 赵克全, 陈又华, 雷荣华 申请人:长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)