专利名称：地质数码影像编录系统及其使用方法
技术领域：
本发明属于工程地质技术领域。尤其涉及一种地质数码影像编录系统及其使用方法。
背景技术：
在工程建设领域，现场地质测绘编录仍然沿袭着传统的手工作业方式，这种拉皮尺度量加目视估算的方式不仅工效低、精度低，技术落后，而且还存在劳动安全隐患，难以满足现代化施工技术条件下地质专业对现场快速反应的工程建设需求，已成为困扰广大地质技术人员的难题。既使以往有过基于近景摄影测量的各种地质测绘编录方案或设想，也从未根本解决编录模式与量测精度等问题。
随着信息化时代的来到，高新技术在工程建设中作用日趋广泛。计算机图形图像处理技术、GIS技术、CAD技术和自动化测量设备为地质数码影像测绘编录方法提供了技术支持和物质基础。目前，相关文献介绍的摄影编录方式大都基于如陆摄仪、近景摄影机等应用专门设备。但这种方式需要航空胶片或干板冲洗，需要专用设备如解析测图仪进行量测；该方式与地质专业知识的结合不够紧密，不能有效地提取地质要素进行描述和表达，因而实际上无法推广与应用。此外，利用数码相机进行地质编录的有关文献，由于忽视了数字相机的构像畸变和内外方位参数检测至使技术成果无精度可言。其主要缺陷有1、现行的像片控制方法不能有效控制精度；
2、普通像片代替量测像片处理，使像片无法定向；3、对起伏影像无法进行纠正与镶嵌；4、立体像缺乏定向依据，使立体模型无法空间定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提供一种基于数码相机可量测化改造、专用拍摄定位装置设计、数码相机成像、图形图像计算机处理和地质编录信息数据库管理的的地质数码影像编录系统及其使用方法。以取代传统的施工地质编录、地质平面测绘和钻孔岩芯素描等工作的手工作业模式，使地质工程技术人员从繁重的野外作业中得以解脱，大大减轻其劳动强度、提高工作效率。
本发明的技术解决方案是，提供一种地质数码影像编录系统及其使用方法，该系统由数码相机1、带支架的经纬仪2或地质数码摄影编录仪5、数码相机可量测化检测装置3和计算机4组成(参见图1～2)。
本发明所涉及的编录对象包括地下洞室、边坡、基坑、组合边坡(基坑)、山地(河谷)、钻孔岩芯，每一编录对象所对应的编录方法为现场拍摄模式优选6、图像处理7、地质要素提取及特征描述8、CAD成图9、编录信息管理10、外部功能扩展11(参见图3)。
所述数码相机1可以选择市面上任意款式，现场拍摄图像的范围与相机的场景视角密切相关。
所述带支架的经纬仪2由经纬仪与支架构成，数码相机安装在支架上，以此满足地下洞室图像采样时摄站点空间定位的需求；地质数码摄影编录仪5是一个机械光学定位仪器，主要针对经纬仪存在的一些不足，提供一种替换装置，它能够扩展相机型号的选择范围，大大简化现场地质图像采集的操作过程，且支持各种型号的数码相机配套使用；所述数码相机可量测化检测装置3具有一个箱形框架和标识空间坐标值标贴的相机可量测化检测装置；所述计算机4可选市面上任意一款IBM系列兼容机，CPU为PIII以上、内存大于128M、硬盘大于2G，通过编制专用软件完成图像处理、成果图生成和编录信息管理等事务。
所述现场拍摄模式优选6是指针对不同的编录场地优选拍摄站点和拍摄方式，对于地下洞室，依据其断面曲线方程和分期分层开挖方式优选摄站点位置，采用像方控制模式获取现场数码图像；摄站点连线可以是洞轴线，亦可以是现场开挖的局部边界或已成形的断面中心连线。对于边坡、基坑、山地(河谷)等地面对象，通过单幅照片预设不少于4个的影像标志测点，采用物方控制模式手持自由拍摄或定位拍摄获取现场图像，并且分设左右摄站点，对同一目标拍摄左右像片，形成立体像对，便于准确提取地质要素及结构面产状量算和空间关系转化。对于钻孔岩芯编录，现场岩芯按钻探进尺顺序分箱摆设，单一回转进尺岩芯分段标示记录牌，采用物方控制选择近距离摄站点拍照。
所述图像处理7包括图像分幅编码、图像畸变校正、图像几何纠正、图像镶嵌。图像分幅编码依据拍摄对象所在的工程部位和图像自有属性统一制定，由计算机自动完成。图像畸变校正根据相机的畸变系数和原始图像每个像素点的行列号，利用畸变校正公式计算其对应的新的行列号，对原始图像所有像素重排，得到畸变校正后的图像。图像几何纠正是指生成正射影像图，本发明采用了二种方法。其一是基于外方位元素的几何纠正，按中心投影三点共线原理，根据不同的拍摄角度和位置，并针对不同的开挖断面，输入不同的参数，计算畸变校正后像片中的每个像元对应的物方空间坐标，进一步变换到目标展示坐标系中，再利用图像像素重采样，对每个像元进行重排。生成的新图像上每部分的比例尺一致，并记录了每张新像片的四个角点坐标，作为影像镶嵌的依据。其二是基于透视变换的几何纠正，以透视变换公式为几何纠正模型，以像片坐标作为平差值。通过每张像片上四个或四个以上控制点的像片坐标和坡面坐标采用间接平差的方法计算，再利用图像像素重采样，对每个像元进行重排得到几何纠正图像。图像镶嵌是指割去相邻经几何纠正的图像之间的重叠部分，并且通过接缝线把多幅图像拼成一幅大的图像，本发明中采用了半自动镶嵌和全自动镶嵌，半自动图像镶嵌是指用户手工绘出接缝线，由计算机根据手工绘出的接缝线来进行镶嵌；全自动图像镶嵌是指用户只需输入图幅号，计算机根据图幅号在数据库中找到相应图像的四角坐标记录，并把在相邻图像取得相对应图像四角地面坐标的平均值直接作为接缝线的初使坐标，来进行多张图像的自动镶嵌。
所述地质要素提取及特征描述8是指镶嵌图像所包含的地质信息进行编绘和属性提取。其中地质特征描述采用现场统计归类，将同一地区主要地质特征采用枚举法，预先定义专业描述文字对比字段，并纳入数据库管理，用户操作时只需直接点击选择对应的地质特征即可完成；结构面空间产状量测采用①立体像对量测法，即利用图像空间共线方程原理采用前方交会或后方交会—前方交会法计算出结构面三个或三个以上点的物方坐标，从而确定该面，求出其产状。②正射影像量测法，即把正射影像镶嵌图经过地理编码配准后，取不在同一直线上的三个或三个以上的点的影像平面坐标点，当确定了一个结构面上的三个或三个以上空间点的坐标时，就可以确定该面的空间展布，即可量测该面的产状。
所述CAD成图9是指编录信息按照相关规程规范生成正式成果图表的过程，本发明是在AutoCAD VBA集成环境下编制程序，产生独立的菜单系统和辅助成图应用功能，通过自动成图与人机辅助对话的办法生成符合相关规程规范和技术精度的地质测绘编录成果图(包括洞室地质编录展示图、洞室指定纵横剖面图，边坡(基坑)地质编录展示图、编录平面图、编录立面图，平面地质测绘图，钻孔岩芯编录图)，图形可返回数据库存档。
所述编录信息管理10是指所有的编录图像、技术成果全部存入数据库，实现图形特征与属性特征的连接与管理，使地质测绘编录要素的双向查询得以方便实现。同时，空间数据库管理系统还可通过DLL技术或OLE技术与外部应用程序相接，如岩体稳定性算法程序等可按空间数据库结构直接调用测绘编录要素，成果亦可在空间数据库中进行地质测绘编录要素图的制图，装饰等，实现图表的输出。
所述外部功能扩展11是指编录信息的数据资源后续利用。根据有关岩土体稳定性计算软件的标准数据格式，提供相对应的数据库标准通讯数据文件，形成与外部应用软件相连接的桥梁和纽带，实现地质编录信息资源的共享。
此外，本发明还提供了①将基于组合边坡(基坑)的水平投影编录的单幅纠正图像统一投影到大地水准面上，按照大地坐标镶嵌，得到水平展示镶嵌图像。②将基于曲面边坡的投影编录采用先模拟曲面方程，再进行曲面展示投影。③将基于山地(河谷)的地质平面测绘编录采用三维空间建模及基于DSM的单片投影转绘方法实现数码影像地质编录。就是利用一个现有的数字表面模型(DSM，目标是地形时，即为DEM)，由像点坐标出发，建立投影光线，通过与DSM的交会来确定投影点物方坐标的计算过程。传统的数字投影转绘都是对航片进行的，通常用于影像纠正生成正射影像，而数字投影转绘新方法适用于地面影像的转绘。
使用本系统进行地质数码影像编录的方法分为以下步骤i、数码相机可量测化，其主要任务包括数码相机的畸变差校检、内方位元素检测和外方位元素的控制。所述数码相机可量测化检测方式如下(1)、使用上述数码相机1在平坦的垂直面上构建一坐标网格(参见图4)，网格单元大小依数码相机采用之焦距与景深调整；①、通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机4进行图像分析、计算与确定畸变系数，进行相机畸变系数检测；所述畸变系数的计算方法是采用如下数学模型对原始影像进行畸变校正Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>②、将设有数码相机的带支架的经纬仪2或地质数码摄影编录仪5，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将所得图像传输到计算机4进行图像分析确定其外方位控制元素。
(2)、使用数码相机可量测化检测装置3进行相机内方位元素检测。即在检测装置前方架设两台经纬仪或全站仪，利用经纬仪或全站仪观测所有标贴代表的控制点，通过前方交会和三角高程法获得各控制点的物方坐标，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机4进行图像分析、计算与确定其内方位元素。所述内方位元素的计算方法是采用如下数学模型 本发明使用时即由上述步骤(1)～(2)，获得相机畸变系数和内、外方位元素，从而实现了数码相机的可数量化。
ii、将经过量测化检测过的数码相机1置于边坡或基坑或山地或河谷或钻孔岩芯地面拍摄场地，在单幅照片可拍摄的场景内设置4个影像标志测量点，根据上述现场拍摄模式优选方式选择摄站点，采用物方控制模式手持相机拍摄或将相机安装在三角架上进行定位拍摄获取现场图像，并且分设左、右摄站点，分别对同一目标拍摄成左、右两张图像，形成立体像对，便于准确提取地质要素及结构面产状量算和空间关系转化。
iii、将经过量测化检测过的数码相机1安装在带支架的经纬仪2或地质数码摄影编录仪5上后，置于地下洞室地质编录现场，依据地下洞室断面曲线方程和分期、分层开挖方式选择摄站点位置，摄站点连线可以是洞轴线，也可以是现场开挖的局部边界或已成形的断面中心连线，采用像方控制模式依次分别沿摄站点连线对每一个摄站点分幅拍摄条带图像。相邻摄站点所拍图像要求略有重叠。
iv、将上述步骤ii～iii所采集的图像传入计算机4，通过配套研制的专用软件处理，通过一系列的人机对话交互式操作，生成符合相关规程规范要求的地质编录技术成果图表。且所有的图形图像全部纳入数据库管理，形成可后续利用的共享数据源。
本发明的有益效果是系统独立完整、操作简便、经济实用，精度满足要求，大大推动了高新技术在地质专业中的应用，使地质工程技术人员从繁重的野外地质测绘编录中得以解脱，减轻了劳动强度、提高了工作效率和成果质量。
图1为本发明一个实施例的结构示意图；图2为本发明另一实施例的结构示意图；图3为本发明编录方法框图。
图4为本发明坐标网格示意图。
以上图1～3中1-数码相机， 2-带支架的经纬仪，3-数码相机可量测化检测装置， 4-计算机，5-地质数码摄影编录仪。
6-现场拍摄模式优选，7-图像处理， 8-地质要素提取及特征描述9-CAD成图， 10-编录信息管理，11-外部功能扩展。
具体实施例方式
本发明提供一种地质数码影像编录系统及其编录方法，该系统由数码相机1、带支架的经纬仪2或地质数码摄影编录仪5、数码相机可量测化检测装置3和计算机组成4(参见图1～2)。本发明所涉及的编录对象或为地下洞室，或为边坡，或为基坑，或为组合边坡(基坑)，或为山地(河谷)，甚或为钻孔岩芯。每一编录对象所对应的编录方法包含有现场拍摄模式优选6、图像处理7、地质要素提取及特征描述8、CAD成图9、编录信息管理10及外部功能扩展11(参见图3)。
实施例1，参见图1，数码相机1选择日本佳能公司生产的PowerShot G2型数码相机。
带支架的经纬仪2由J2型经纬仪与专用支架连接而成，支架采用南京112厂生产的铝合金箱型无盖式结构的数码相机托盘式支架，用于地下洞室编录时安装数码相机。
数码相机可量测化检测装置3采用中国水电顾问集团中南勘测设计研究院圭臬新技术公司生产的SK-101型数码相机可量测化检测装置。该装置用于数码相机的可量测化改造，即精确测定数码相机的内、外方位元素，达到数码相机可应用于地质数码影像编录之目的。
计算机4选择北京联想公司生产的开天-4600型微机，操作系统为Windows XP，软件支持平台为MS-Office XP、MapInfo Professional6.5、AutoCAD 2004；软件开发平台为Microsoft Visual Studio 2000。通过开发专用图像处理、地质编录、数据库管理和CAD成图软件，达到生成地质专业所需技术成果图表之目的。
数码相机构像畸变系数的确定，使用上述数码相机1，在平坦的垂直面上构建一坐标网格(参见图4)，网格单元大小依数码相机采用之焦距与景深调整；通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机4进行图像分析、计算与确定畸变系数，进行相机畸变系数检测；所述畸变系数的计算方法是采用如下数学模型对原始影像进行畸变校正Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>数码相机外方位控制元素的确定，将设有上述数码相机1的摄影编录经纬仪或地质数码摄影编录仪，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将所得图像传输到计算机进行图像分析确定其外方位控制元素，使用数码相机可量测化检测装置进行相机内方位元素检测，即在检测装置前方架设两台经纬仪或全站仪，利用经纬仪或全站仪观测所有标贴代表的控制点，通过前方交会和三角高程法获得各控制点的物方坐标，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机进行图像分析、计算与确定其内方位元素，所述内方位元素的计算方法是采用如下数学模型 现场拍摄模式优选6用于地下洞室①单层连续开挖(自上往下一层一层全面开挖，非导洞或拉槽)方式，选择洞中心线作为摄站点纵轴线，每一桩段起始摄站点与桩号对应，依次按右手定则向前推进。每一摄站点均沿绕洞室断面的地质编录边界范围拍摄条带图像，条带间图像稍有重叠。
②分层分期开挖方式，如果为中间导洞方式仍选择洞中心线作为摄站点纵轴线，两侧拉槽开挖方式选择非地质编录的边界作为摄站点纵轴线，每一桩段起始摄站点与桩号对应，依次按右手定则向前推进。每一摄站点均沿绕洞室断面的地质编录边界范围拍摄条带图像，条带间图像稍有重叠。
现场拍摄模式优选6用于边坡、基坑、山地、河谷及钻孔岩芯对于边坡、基坑、山地、河谷等地面工况，采用物方控制模式手持自由拍摄或定位拍摄获取现场图像，现场拍摄时选择摄站点连线与坡面走向基本一致，摄站点与坡面距离控制在8～35m，拍摄方向从左往右推进，每一取景范围均分设左、右摄站点，依次分别拍摄左片和右片，构成立体像对。对于钻孔岩芯编录，采用物方控制模式手持自由拍摄或定位拍摄获取现场图像，现场岩芯按钻探进尺顺序分箱摆设，单一回转进尺岩芯分段标示记录牌，摄站点与岩芯相距1～3m。
现场图像采集完成以后，通过图像处理7将其进行分幅编码、畸变校正、几何纠正、图像镶嵌，得到可供地质编录的镶嵌底图；通过地质要素提取及特征描述8，将上述编录底图转入Mapinfo 6.5中文版平台，利用自主编制的专用编录软件，采用人工引导式的目标交互识别技术将地质信息从影像中提取，得到地质编录初步成果图；通过CAD成图9，将上述地质编录初步成果图转入AutoCAD 2004中文版平台，利用自主编制的专用CAD专用成图模块，采用自动成图与人机对话相结合的方法生成符合相关规程规范和技术精度的地质编录成果图；通过编录信息管理10，将所有的原始图像、编录图像、技术成果全部存入数据库，实现图形特征与属性特征的连接与管理，使地质测绘编录要素的双向查询得以方便实现。
外部功能扩展11，是以编录信息管理10为基础，根据岩、土体稳定性计算软件和数理统计软件的标准数据格式，提供相对应的数据库标准通讯数据文件，形成与外部应用软件相连接的桥梁和纽带，实现地质数码编录信息资源的共享。
此外，针对高山峡谷区地质测绘和施工开挖场区的复杂表面，本发明还采用了三维空间建模和基于DSM的单片投影转绘方法来实现影像地质编录；即利用一个现有的数字表面模型DSM(当目标是地形时，为DEM)，由像点坐标出发，建立投影光线，通过与DSM的交会来确定投影点物方坐标；通过立体像对定向及影像匹配自动生成目标面的DSM，然后即可在原始数字影像上配准叠加矢量图层，通过数字影像投影转绘，将影像上描绘的矢量元素投影到物方空间，还可进一步投影到所需的空间成图平面上，编辑形成各种所需的技术成果图。曲面边坡采用了先模拟曲面方程，再进行曲面展示投影的方法；即现场拍摄图像时，在曲面坡上粘贴5个以上已知其坐标值的标志点，利用这些标志点模拟曲面方程，再将影像投影到该曲面的展示面上，生成正射影像图。多级组合边坡采用了水平影像组合投影镶嵌，根据影像获得像素点对应的空间坐标，量测得到每个像素点对应的大地坐标系X和Y坐标，再返回该桩段工作区获取相应的参数来反算得到其Z坐标，利用这些空间坐标进行影像配准，生成跨桩段的水平镶嵌图像编录图。
实施例2，参见图2，数码相机1选择日本尼康公司生产的Nikon D1X型专业数码相机，配备Nikon AF17-35型超广角专业镜头。其优点是现场图像采集畸变小、速度快、精度高。
地质数码摄影编录仪5是一个机械光学定位仪器，作为替换装置替换带支架的经纬仪2。该装置采用中国水电顾问集团中南勘测设计研究院圭臬新技术公司生产的DSY-201型地质数码摄影编录仪。该仪器分照准和基座两部分，仪器通过基座底板螺孔与普通三角架相连，照准部分安装有光学望远镜、水平与垂直定位度盘和相机安置槽。当数码相机安置后，可以非常方便地进行目标瞄准和拍摄空间数字定位。
其余装置及编录方法同实施例1。
权利要求
1.一种地质数码影像编录系统，其特征是，该系统由数码相机(1)、带支架的经纬仪(2)或地质数码摄影编录仪(5)、数码相机可量测化检测装置(3)和计算机(4)组成。
2.一种权利要求1所述的地质数码影像编录系统的使用方法，其特征是，该方法为以下步骤i、数码相机可量测化，包括数码相机的畸变差校检、内方位元素检测和外方位元素的控制，所述数码相机可量测化检测方式如下(1)、使用数码相机(1)，在平坦的垂直面上构建一坐标网格，网格单元大小依数码相机(1)采用之焦距与景深调整，①、通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机(4)进行图像分析、计算与确定畸变系数，进行相机畸变系数检测，所述畸变系数的计算方法是采用如下数学模型对原始影像进行畸变校正Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>②、将设有数码相机(1)的带支架的经纬仪(2)或地质数码摄影编录仪(5)，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将所得图像传输到计算机(4)进行图像分析确定其外方位控制元素，(2)、使用数码相机可量测化检测装置(3)进行相机内方位元素检测，即在检测装置前方架设两台经纬仪或全站仪，利用经纬仪或全站仪观测所有标贴代表的控制点，通过前方交会和三角高程法获得各控制点的物方坐标，通过相机移位或定位拍摄图像，然后将图像传输到计算机(4)进行图像分析、计算与确定其内方位元素，所述内方位元素的计算方法是采用如下数学模型 ii、将经过量测化检测过的数码相机(1)置于边坡或基坑或山地或河谷或钻孔岩芯地面拍摄场地，在单幅照片可拍摄的场景内设置4个影像标志测量点，根据上述现场拍摄模式优选方式选择摄站点，采用物方控制模式手持相机拍摄或将相机安装在三角架上进行定位拍摄获取现场图像，并且分设左、右摄站点，分别对同一目标拍摄成左、右两张图像，形成立体像对，提取地质要素及结构面产状量算和空间关系转化，iii、将经过量测化检测过的数码相机(1)安装在带支架的经纬仪(2)或地质数码摄影编录仪(5)上，然后置于地下洞室地质编录现场，依据地下洞室断面曲线方程和分期、分层开挖方式选择摄站点位置，摄站点连线为洞轴线或现场开挖的局部边界或已成形的断面中心连线，采用像方控制模式依次分别沿摄站点连线对每一个摄站点分幅拍摄条带图像，iv、将上述步骤ii～iii所采集的图像传入计算机(4)，通过配套研制的专用软件处理，通过一系列的人机对话交互式操作，生成地质编录技术成果图表，将上述所得图形图像纳入数据库管理，形成可后续利用的共享数据源。v、以上述共享数据源为基础，根据岩、土体稳定性计算软件和数理统计软件的标准数据格式，提供相对应的数据库标准通讯数据文件，形成与外部应用软件相连接的桥梁和纽带，实现地质数码编录信息资源的共享。
3.根据权利要求2所述的地质数码影像编录系统的使用方法，其特征是，所述步骤ii为将基于组合边坡(基坑)的水平投影编录的单幅纠正图像统一投影到大地水准面上，按照大地坐标镶嵌，得到水平展示镶嵌图像。
4.根据权利要求2所述的地质数码影像编录系统的使用方法，其特征是，所述步骤ii为将基于曲面边坡的投影编录采用先模拟曲面方程，再进行曲面展示投影。
5.根据权利要求2所述的地质数码影像编录系统的使用方法，其特征是，所述步骤ii为将基于山地(河谷)的地质平面测绘编录采用三维空间建模及基于DSM的单片投影转绘方法实现数码影像地质编录。
全文摘要
一种地质数码影像编录系统及其使用方法，该系统由数码相机1、带支架的经纬仪2、数码相机可量测化检测装置3和计算机4组成。该方法为以下步骤i、数码相机可量测化；ii、于边坡、洞室、基坑等拍摄现场图像；iii、对选择的摄站点拍摄条带图像；iv、将步骤ii～iii采集的图像传入计算机4处理，生成符合要求的地质编录技术成果图表。上述系统独立完整、操作简便、经济实用，精度满足要求，使地质工作人员从繁重的野外测绘编录中解脱，劳动强度减轻，工作效率提高。
文档编号H04N5/232GK1794786SQ20051003231
公开日2006年6月28日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者李 浩, 刘新中, 张友静, 夏宏良, 杨彪, 邹文志 申请人:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院, 河海大学