一种基于SfM-MVS点云的地质剖面生成方法

一种基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法
技术领域
1.本发明涉及地质属性信息提取技术领域，特别涉及一种基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法。


背景技术：

2.露头地质剖面测绘是地质科学的基础工作，地质剖面测量指的是在踏勘选定的某一地段内，沿一定方位实际测量和编制地质剖面图的过程，是对测区地层、构造、岩浆岩、矿体重点问题的研究解剖过程，是控制测区地层格架、表现地质构造格架、划分填图单位的依据，是填图质量的关键前提。地质剖面主要包括横剖面图、柱状图、正交剖面图和平衡剖面等类型。传统的测绘方法为导线法，该方法依靠罗盘、测绳、地形图等工具和资料，属于接触式测量，往往受不可达、通视条件、导线弯曲、人工测量误差等因素的限制。点坐标法利用地基rtk-gps替代了测绳，克服了通视条件的限制，然而仍需要提前准备地形图，并利用罗盘测量产状，用直尺等测量地质体的几何学特征，仍停留在接触式测量的技术阶段，致使野外工作的时长和劳动强度很大，相对费时费力。此外，接触时测量其实依靠肉眼观测岩石和构造，是离散的抽样调查和主观判断过程，无法获得露头的全面、宏观的、客观的数据，并且测量得到的是一次性的结果，无法实现从数据生成地质剖面的数字化和智能化目标。
3.目前，遥感是一种无接触测量的传感方式，因其在周期性、宏观和系统方面的特殊优势而被广泛应用于地球科学领域。因此遥感驱动的地质调查具有替代接触式测量的潜力，尤其是近年来发展起来的无人机sfm-mvs(structure from motion with multi-view stereo具有多视图立体感的运动结构)三维点云技术为彻底改变前述接触式测量的现状带来了契机。它不仅可以获得地形信息，还可以对露头有身临其境的效果。例如，得益于激光扫描技术或摄影测量的发展，对地质露头(数字露头模型)的高分辨率和超高分辨率(厘米到毫米)可以进行逼真再现。这些技术，结合廉价和易于使用的无人机技术，使获取几平方公里范围内毫米到厘米分辨率的地形数据成为可能，为快速收集详细的地质构造三维信息提供了客观方法。当数据采集后，室内制图工作已经实现自动绘制，这就使得通过露头点云地质研究成为一个十分有潜力的发展方向。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一套基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法。基于sfm-mvs点云的地质剖面测绘方法，实现了三维遥感在露头尺度研究中的突破，继承了遥感的非接触性、宏观性、全面性和多时相等特征，更为关键的是将野外人工主观记录过程转变为数据采集和信息提取两大板块，避免了人力不可达、离散信息观测、认识不一致等弊端，使得地质露头得到数字化保存，能为露头大数据建设提供方法保障，操作简便、作业环境适应性强、更为方便灵活，可重复性强、可以应用于地质填图和科研工作。
5.本发明提供一套基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法，包括以下步骤：
6.选择地质剖面测量的露头对象，采集待测露头对象多方位的图像，构成图像集；
7.将图像集导入点云建模软件中，生成稀疏点云和密集点云；
8.针对有相对地理坐标控制的点云，利用控制面法进行姿态和尺寸校正，获得校正后的露头点云模型；
9.对露头点云模型进行分类和分层，标定地质界限点及地形控制点，完成地质界限点和地形控制点3d坐标的提取，对地质界限点坐标赋予地质属性信息，并将密集点云以扩展名为.las的点云数据格式导出；
10.将导出的密集点云导入至点云处理软件，利用虚拟罗盘测定出露达到设定值的结构面的产状，或者用三点法计算出露未达到设定值的结构面的产状；
11.将产状数据和地质属性信息整合为excel二维关系数据表，投影计算后导入数据成图软件中；
12.利用数字成图软件生成剖面格架，并进一步整饰和填充地质岩性和构造国标花纹，形成地质剖面图。
13.优选地，所述采集待测露头对象多方位的图像时：
14.若待测露头区没有rtk-gnss信号，则在被摄场景内放置地面控制面作为基准参考面，采用罗盘量取地面控制面的倾向和倾角，并将量取的倾向和倾角转换为ned坐标，获得参照物的真实姿态和尺寸参数；
15.若待测露头区有rtk-gnss信号，则用rtk-gnss无人机直接拍图像，或者用rtk-gnss基站布设地面控制点，测得待测露头中控制点的点坐标。
16.优选地，若待测露头区没有rtk-gnss信号，利用了控制面法进行了密集点云的姿态和尺寸校正。
17.优选地，所述采集待测露头对象多方位的图像时，遥感平台产生移动，连续图像间的重叠度不小于60％。
18.优选地，在生成稀疏点云和密集点云之前，依据点云建模软件的图像质量估计功能将质量不满足要求的图像剔除，利用剩余图像生成稀疏点云和密集点云。
19.优选地，针对有绝对地理坐标控制的点云，直接对稀疏点云和密集点云进行分类和分层。
20.优选地，所述地质剖面图包括水平岩层柱状图、倾斜岩层横剖面图和褶皱岩层横纵联合剖面图。
21.优选地，所述水平岩层柱状图、倾斜岩层横剖面图需要一次数据成图过程，所述褶皱岩层横纵联合剖面图至少需要三次横剖面图的联合生成过程。
22.本发明提供的基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法具有如下有益效果：
23.(一)本发明利用了遥感的非接触性本质，劳动强度减小。该方法不需要前测手往返进行商议地质测量内容，不需要考虑前后测量人员的通视条件，且它可以结合岩性接触和倾向资料，可以精确测量规模很大的地层厚度，人力不可达的局限性减小。因为它只需要获得露头的图像数据即可，现有手持、自拍杆、无人机、车载等各种负载相机的方式。这有利于深切割的黄土覆盖区、森林覆盖区等特殊地区填图。
24.(二)该方法继承了遥感的宏观、全面、系统的优势。该方法相比于传统地质填图的另一个优点是提取模型任何地方产状资料的能力，在填图区域内提供很好的覆盖而不存在空间数据空白。
25.(三)该方法实现了地质剖面测绘的仪器化与定量化。该方法全流程依靠仪器采集数据，不需要人工读数，提高了精确度和准确度。除了野外采样仍然需要劳动力之外，整个工作流程将三维遥感技术引入到露头地质剖面测绘，不仅克服了接触式测量的缺点，还将肉眼观测和人工记录转变为仪器观测和计算机数据处理，使得本项工作继承了遥感的非接触、全面、宏观、及时等优点。无人机和近景摄影设备的使用使得人力不可达区也可以进行剖面测量。这大大降低了地质人员的劳动强度和野外危险性，突破了人工测量抽样调查的限制。
26.(四)该方法允许多次测量，优化成图。只要露头能够观测，任何一个露头点云数据体都可以作为备选的剖面成图点。因此，根据此方法进行剖面的测量，实际上只需要一次性的高密度多露头观测，即可最终筛选最优露头进行成图。
27.(五)该方法可到到身临其境和数字化保存的效果。由于该方法获得了三维露头模型，得到了身临其境的效果，因而允许进行大量的室内分析，可以重复访问和共享露头数据，而不需要额外的实地工作，这完全不同于人工剖面测量方式。野外观测的重复性和再现性可以毫不费力地进行，可以进行新的观测或测试以前的观测。测量也可以在多个尺度下进行，从点测量(类似于手持式罗盘)到更大的区域。同时，它提供了快速和准确测量不规则或风化表面的能力。该方法的运用还提供了一个地区某一时相的数字化保存，这是无价的，因为在一些地方，地质露头不是永久的。
附图说明
28.图1为本发明实施例提供的基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法的流程详图；
29.图2为露头点云模型上选点、投影及方位计算示意图；
30.图3为褶皱岩层横纵联合剖面图；
31.图4为本发明实施例提供的基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法的流程图。
具体实施方式
32.下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
33.本发明提供了一种基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法，替代了察传统的导线法以及地基gps点坐标法，从接触式测量转变为非接触式测量。参照图1和图4，本发明中的地质剖面生成方法是经由图像采集和3d建模、地球空间数据和地质属性数据提取和地质剖面生成三大步骤完成的，具体包括以下步骤：
34.s1：选择地质剖面测量的露头对象，进行sfm-mvs所需的图像采集，获取待测露头多方位的图像集；
35.确保连续图像间的重叠度不小于60％，且遥感平台应产生移动，保障sfm算法顺利进行；
36.若待测露头区没有rtk-gnss信号，则在被摄场景内放置地面控制面，并采用罗盘量取控制面的倾向和倾角，采用罗盘量取地面控制面的倾向和倾角，并将量取的倾向和倾
角转换为ned坐标，获得参照物的真实姿态和尺寸参数；
37.若待测露头区有rtk-gnss信号，则用rtk-gnss无人机直接拍摄合适的图像，或者用rtk-gnss基站布设地面控制点，测得待测露头中控制点的点坐标，用于姿态和尺寸校正。
38.进一步地，无人机rtk-gnss信号接收利用了网络位置服务，而基站rtk-gnss信号只利用了卫星位置服务。
39.s2：剔除存在问题的照片，将剩余图片集导入至点云建模软件中，通过固定流程生成稀疏点云和密集点云；
40.s3：针对有绝对地理坐标控制的点云，直接进入下一步；针对有相对地理坐标控制的点云，应利用控制面法进行姿态和尺寸校正，校正后的露头点云模型进入下一步，注意控制面法校正的点云为自定义坐标系；且所测点云可以设置不同的拍照距离以获得多尺度的点云并进行多尺度融合，其中高密度的点云主要针对感兴趣位置进行。
41.s4：结合地质专家岩性和构造性质等知识和经验，对露头点云模型进行分类和分层，标定地质界限点，并目视标定地形控制点；
42.s5：在点云数据处理软件如(metashape和lidar360等)之中，完成地质界限点和地形控制点3d坐标的提取，并对地质界限点坐标赋予地质属性信息，并将密集点云以扩展名为.las的点云数据格式导出；
43.s6：将3d点云导入至产状计算软件(如cloudcompare等)中，利用虚拟罗盘测定出露良好的结构面的产状，或者用三点法计算出露较差的结构面的产状，这些产状即为地球空间数据中的参数之一；
44.s7：将上述空间数据和地质属性数据整合为excel二维关系数据表，投影计算后导入数据成图软件如mapgis中。
45.s8：利用数字成图软件如mapgis生成剖面格架，并进一步整饰和填充地质岩性和构造国标花纹，形成地质剖面图。
46.本实施例中，地质剖面图包括水平岩层柱状图、倾斜岩层横剖面图和褶皱岩层横纵联合剖面图，其中前两种只需要一次数据成图过程，后一种需要多于两次横剖面图的联合生成过程。
47.本实施例中，三维的、彩色的、多尺度融合的sfm-mvs点云允许地质专家在所述步骤4中对岩性和构造性质等感兴趣的地质现象进行判别与点位的标定和提取，从而保证了后续空间数据和地质属性数据的耦合与同时提取。
48.步骤s1～s3，如图1中步骤一所示，进行露头图像采集和三维点云建模。
49.步骤s4～s6，如图1中步骤二所示，进行露头的地球空间信息和地质属性信息提取，尤其是进行各种结构面的判别和产状的提取，进行露头分层，如图2和3所示的不同地层的岩性和构造的观察已经确定。
50.步骤s7，如图1中步骤三和图2a所示，将空间上高低不同，位置各异的地质点坐标投影到同一水平面上。
51.步骤s7，如图1中步骤三和图2c所示，将空间上非共线的这些地质点坐标，投影到统一的基线上，基线由首尾相连确定。
52.步骤s7，如图1中步骤三和图2d所示，将空间上高低不同，位置各异的的这些地质点坐标，通过三角函数关系计算各个点间的方位角、坡度角度、平距等空间参数。
53.步骤s7，如图1中步骤三所示，将前述获得的产状、方位角、坡度角度、平距等空间参数整理后导入mapgis软件中，生成仅有地形剖面线和地质界线的地质剖面格架图，如图1中步骤三所示的初始剖面和图2c的剖面格架。
54.步骤s8，如图1中步骤三所示，将剖面格架中，按照岩性国标填充花纹，生成如图1中步骤三最终剖面或者图3有米格子背景的地质剖面图。
55.本发明主要是基于3d点云建模软件和数据成图软件(如mapgis)，实例采用三维重建软件(如agisoft metashape)和三维点云处理开源软件(如cloudcompare)。首先通过诸如agisoft metashape的三维建模软件完成场景三维重建，然后利用诸如metashape，cloudcompare等软件判断地质界限点和地形控制点，并提取空间坐标以及产状，进一步再利用excel和mapgis等软件进行投影计算和数据成图。
56.本发明实现了利用sfm-mvs露头点云模型和投影换算公式生成地质剖面图的目的。该方法实现了非接触式测量，继承了遥感的非接触性、宏观性、全面性和及时性的优势，必将大大提高野外地质调查的质量和效率。
57.与现有技术相比，本发明提供的基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法具有如下显著优点：
58.(一)本发明提供了一套基于sfm-mvs点云的地质剖面生成方法，利用了遥感的非接触性本质，劳动强度减小。该方法不需要前测手往返进行商议地质测量内容，不需要考虑前后测量人员的通视条件，且它可以结合岩性接触和倾向资料，可以精确测量规模很大的地层厚度，人力不可达的局限性减小。因为它只需要获得露头的图像数据即可，现有手持、自拍杆、无人机、车载等各种负载相机的方式。这有利于深切割的黄土覆盖区、森林覆盖区等特殊地区填图。
59.(二)该方法继承了遥感的宏观、全面、系统的优势。该方法相比于传统地质填图的另一个优点是提取模型任何地方产状资料的能力，在填图区域内提供很好的覆盖而不存在空间数据空白。
60.(三)该方法实现了地质剖面测绘的仪器化与定量化。该方法全流程依靠仪器采集数据，不需要人工读数，提高了精确度和准确度。除了野外采样仍然需要劳动力之外，整个工作流程将三维遥感技术引入到露头地质剖面测绘，不仅克服了接触式测量的缺点，还将肉眼观测和人工记录转变为仪器观测和计算机数据处理，使得本项工作继承了遥感的非接触、全面、宏观、及时等优点。无人机和近景摄影设备的使用使得人力不可达区也可以进行剖面测量。这大大降低了地质人员的劳动强度和野外危险性，突破了人工测量抽样调查的限制。
61.(四)该方法允许多次测量，优化成图。只要露头能够观测，任何一个露头点云数据体都可以作为备选的剖面成图点。因此，根据此方法进行剖面的测量，实际上只需要一次性的高密度多露头观测，即可最终筛选最优露头进行成图。
62.(五)该方法可到到身临其境和数字化保存的效果。由于该方法获得了三维露头模型，得到了身临其境的效果，因而允许进行大量的室内分析，可以重复访问和共享露头数据，而不需要额外的实地工作，这完全不同于人工剖面测量方式。野外观测的重复性和再现性可以毫不费力地进行，可以进行新的观测或测试以前的观测。测量也可以在多个尺度下进行，从点测量(类似于手持式罗盘)到更大的区域。同时，它提供了快速和准确测量不规则
或风化表面的能力。该方法的运用还提供了一个地区某一时相的数字化保存，这是无价的，因为在一些地方，地质露头不是永久的。例如，地质露头可能被土木工程项目覆盖或移除，或通过采矿挖掘，最近的断层断裂可能被风化或人类活动抹去。
63.本发明改变了工作方式，不再使用导线和各种测量工具测量斜距、地层厚度等、也不再使用罗盘进行产状测量，取而代之的是依据不同遥感平台所进行的适用多尺度的摄影测量，三维点云建模和点云地质信息提取。其原理是研发出一套三角函数换算公式，从多尺度的sfm-mvs点云数据中提取地质剖面绘制所需要的空间数据和地质属性数据。该方法的建立将促使人们能够直接利用消费级相机、轻巧型无人机和个人电脑进行地质剖面的测绘，从而继承了遥感的宏观性、及时性和非接触性等优点，大大减少了野外工作强度，显著提高了露头地质工作的质量和效率，降低了外业人员的安全风险。最为关键的是，该方法借助遥感原理，将肉眼观测转变为仪器观测，是一种全新的思路，有望实现野外地质工作的仪器化、数字化和智能化。
64.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。