利用近景攝影測量方法測量和表征巖體表面三維結(jié)構(gòu)特征方法研究

徐國明，翟春慧，隋洪杰

(1.山東招金地質(zhì)勘查有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400；2.招金礦業(yè)股份有限公司金翅嶺金礦，山東 招遠(yuǎn) 265400)

1 近景攝影測量概述

近景攝影測量屬于攝影測量的一個(gè)分支。

它廣泛應(yīng)用于力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)等各個(gè)方面。在測量巖體表面時(shí)主要具有以下一些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：①近景攝影測量能在瞬間獲取大量物理信息和幾何信息。所獲取的物理信息及幾何信息方便管理，隨時(shí)使用。②利用近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量時(shí)，一般不傷及被測量目標(biāo)，不干擾被測物自然狀態(tài)，測量作業(yè)一般不受惡劣環(huán)境的影響。③該技術(shù)有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，并擁有現(xiàn)代軟硬件，可以根據(jù)需要，選擇滿足所需工作的不同精度。④近景攝影測量獲取的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行快速處理且可以輸出計(jì)算的各種結(jié)果。該結(jié)果的輸出包括多種形式，例如數(shù)據(jù)、圖形、圖像數(shù)字表面模型等。

2 近景攝影測量數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用獲取立體像對(duì)的方式來完成。

本次實(shí)例采用被攝目標(biāo)不動(dòng)而相機(jī)移動(dòng)的方法。所采用相機(jī)是尼康D80，它屬于非量測相機(jī)。非量測攝影機(jī)設(shè)計(jì)制造的初衷不是出于量測目的，但它擁有量測相機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)：社會(huì)擁有量大、使用方便、價(jià)格低廉，同時(shí)也適合某種專業(yè)的特殊要求，如連續(xù)攝影、高速攝影等。

除了數(shù)碼相機(jī)，還有三角架、用于不同距離時(shí)所使用的鏡頭以及用于模型生成的標(biāo)桿。

數(shù)據(jù)采集過程中樹立范圍桿的時(shí)候應(yīng)注意以下方面：范圍桿被垂直的豎立在離要進(jìn)行成像的墻面盡可能近的地方，但不可以影響到成像觀測區(qū)域。該范圍桿有一個(gè)氣泡水準(zhǔn)儀用來保證它處于垂直狀態(tài)并且該范圍桿用小三角架來進(jìn)行固定。同時(shí)要保證標(biāo)桿的上下兩個(gè)表盤平行并暴露正對(duì)著攝影者。

標(biāo)桿垂直地表的主要作用：①通過確定表盤上兩個(gè)點(diǎn)的距離從而確定出最后生成的三維圖像上任意兩點(diǎn)的距離；②標(biāo)桿垂直于地表從而以標(biāo)桿為標(biāo)準(zhǔn)確定出最后生成的三維圖像上結(jié)構(gòu)面的傾角。

2.2 數(shù)據(jù)處理

近景像片或影像需要經(jīng)過后期的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及影像資料糾正處理。數(shù)據(jù)采集時(shí)使用的是立面圖模式，當(dāng)用其表現(xiàn)一個(gè)立體形態(tài)物體時(shí)，物體已經(jīng)通過不同的顏色、明暗程度、重疊遮擋等建立起了一種透視關(guān)系從而可以對(duì)其細(xì)部進(jìn)行區(qū)分，因此內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集人員應(yīng)熟悉視覺表示的一些基本規(guī)律。通過選擇物體特征的結(jié)構(gòu)線條等進(jìn)一步完善其透視匹配關(guān)系，從而使測繪圖件更準(zhǔn)確地反映出立體物態(tài)的形態(tài)。

近景攝影測量過程是一個(gè)將模擬型圖件轉(zhuǎn)化為數(shù)字型文件的過程。它既可以轉(zhuǎn)化為圖紙，又可以以各種數(shù)據(jù)形式進(jìn)入信息管理系統(tǒng)中，便于對(duì)其進(jìn)行分析、處理及成果保存管理

此次我們使用的是由奧地利開發(fā)的Shape MetriX3D系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠得到被測物體的三維圖像表面。

通過對(duì)所獲得的圖片的處理，我們可以將三維圖像真實(shí)化，并且對(duì)獲得的真實(shí)化的三維數(shù)據(jù)和影像結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從而獲得所需要的長度、面積、體積、表面的空間方位、不連續(xù)組的空間變化等信息，并可以通過CAD、MS Excell、JPG等多種方式輸出。

3 原理及結(jié)果分析

三維圖像生成的原理：大量的成像線彼此相交、重建成一組三位表面點(diǎn)。將這些點(diǎn)連接起來就形成了一個(gè)三維表面模型(圖1)。

3.1 原理

在拍攝時(shí)，要求相機(jī)連線與巖石面平行，從而拍出來的左右照片亦在同一平面上。原理示意圖如圖2所示。同名點(diǎn)像片示意圖如圖3所示。

圖1 三維圖像生成原理圖

圖2 原理示意圖

圖3 同名點(diǎn)像片示意圖

假設(shè)

(XS1,YS1,ZS1)=(0,0,0)

則可知

(XS2,YS2,ZS2)=(D0,0,0)

由圖3、圖4可知

此處x1-x2為左右視差。

物體點(diǎn)的坐標(biāo)為

3.2 精度分析

由以上原理分析可知，影響量測精度的有x1,y1,x2,XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2。

其中x1,y1,x2，是在公式

中直接體現(xiàn)的。因?yàn)?XS1,YS1,ZS1)=(0,0,0)是直接假設(shè)的，雖然拍攝時(shí)保證S1,S2在一條直線上且保證該連線與被測物保持平行。但是在實(shí)際測量中并不能完全做到，所以XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2也成為影像精度的因素。

外業(yè)近景測量攝影時(shí)按精度劃分可以分為毫米級(jí)、厘米級(jí)、分米級(jí)等精度級(jí)別范圍?？梢愿鶕?jù)需要合理選擇被攝物體的攝影精度。此外，攝影站、像控點(diǎn)、攝影縱距和攝影基線長度的選擇應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。根據(jù)工作過程中的技術(shù)要求，選擇不同的內(nèi)業(yè)測圖方法，以滿足測圖精度。

4 總結(jié)

本文以通過對(duì)一實(shí)例的描述，著重闡述了如何通過影像對(duì)巖體表面進(jìn)行三維建模的過程，并對(duì)軟件進(jìn)行了原理及精度分析，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了軟件精度相對(duì)較低且受人為影響較大等問題。但近景攝影測量因其測量方便快捷、不干擾被測物自然狀態(tài)、可提供基于三維空間坐標(biāo)的各種產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)仍可作為某些場合的測量手段的首選。

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