一种基于平行摄影的勘探洞地质编录底图生成方法

摘要

本发明一种基于平行摄影的勘探洞地质编录底图生成方法，包括:平行摄影得到影像序列：采用基于活动控制架的控制方式和摄影主光轴平行于洞轴线的摄影方式，沿勘探洞中轴线拍摄影像序列；影像畸变差校正和影像的单像空间后方交会计算，获得已知内、外方位元素的构像质量良好的勘探洞影像数据；影像投影纠正：将消除构像畸变差影响的勘探洞原始影像投影到物方，形成物方目标影像并按照要求展开为平面，得到勘探洞单张展示影像；展示影像生成：将某段勘探洞内各单张展示影像拼接起来而生成影像地质编录底图。本发明实现了对勘探洞地质信息快速、高效、准确的采集和分析处理，使编录成果形式更为丰富且易于信息化应用，并能够满足地质编录精度要求。

说明书

技术领域

本发明涉及摄影测量技术领域，具体涉及一种基于平行摄影的勘探洞地质编录底 图生成方法。

背景技术

地质编录是在地质勘查、勘探中对各种地质现象进行描绘、量测和记录的技术过 程，它可为研究区域的地质和矿产的分析、评价及其工程设计、开发，提供必不可少的资料。 传统的地质编录都是以地质素描为主，依靠人工现场勘测，画出地质构造线，量测并标注结 构面产状。这种作业方式工作量大、劳动强度高、受施工干扰大，且编录的几何精度低、信息 反馈慢，同时编录成果不易于统计分析和应用共享，已不适应于现实生产力的发展和现代 工程对地质信息快速响应的需要。

摄影地质编录，是近年发展起来的地质编录新兴技术，可以较好地解决了对洞室、 隧道、边坡、基坑等地质工程的编录问题。然而，相比于大型隧洞，勘探洞是特殊的一类，其 洞径十分狭窄。现有的摄影地质编录技术主要适用于大型洞室，若直接用于勘探洞的地质 编录，会因摄像场地覆盖面积狭小而引起作业效率骤降，使得该技术无法实用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于平行摄影的勘探洞地 质编录底图生成方法，实现对勘探洞地质信息快速、高效、准确的采集和分析处理。

为了解决现有技术的上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于平行摄影的勘探洞地质编录底图生成方法，其特征在于：该方法包括如 下步骤：

步骤1、平行摄影得到影像序列：采用基于活动控制架的控制方式和摄影主光轴平 行于洞轴线的摄影方式，沿勘探洞中轴线每隔一定的距离正对着活动控制架方向拍摄影像 序列；

步骤2、影像预处理：包括影像畸变差校正和影像的单像空间后方交会计算，从而 获得已知内、外方位元素的构像质量良好的勘探洞影像数据；

步骤3、影像投影纠正：将消除构像畸变差影响的勘探洞原始影像投影到物方，形 成物方目标影像，并按照要求展开为平面，得到勘探洞单张展示影像；其中，所述的物方抽 象为目标柱面；

步骤4、展示影像生成：将某一段勘探洞内各单张展示影像拼接起来而生成影像地 质编录底图。

在所述步骤1中，所述的基于活动控制架的控制方式和摄影主光轴平行于洞轴线 的摄影方式是指：

将活动控制架设置在勘探洞轴线上，并使其横轴与洞轴线垂直；记录活动控制架 基点在勘探洞工程坐标系中的坐标：Y为0、Z是地面至活动控制架基点的距离、X根据桩号来 确定；由于活动控制架主杆、横向标杆及活动控制架基点的相对位置固定，通过活动控制架 基点的坐标和活动控制架六个控制点与基点间的参数值，计算得到每个控制点在勘探洞工 程坐标系中的坐标，控制点与基点之间的位置参数通过高精度测量进行测定；作业员手持 数码相机，从起点桩号开始，沿勘探洞中轴线每隔一定距离正对着活动控制架方向拍摄影 像，每张影像内均包含勘探洞的左右壁和顶板的局部区域以及正前方活动控制架上的六个 控制点；所述的一定的距离并不固定，前提是保证前后相邻影像的洞壁顶板部分有重叠区 域；一个活动控制架设置站为覆盖一段勘探洞的若干张影像所共用；然后，沿勘探洞前进并 重新设置活动控制架，并重复上述拍摄步骤；在所述的重复拍摄中，始终要保证前后相邻影 像的洞壁顶板部分有重叠区域。

在所述步骤2中：

(2-1)所述的影像畸变校正，是指：采用顾及径、切向变形的畸变校正模型，对原始 影像进行畸变差改正，其模型公式为：

$\{\begin{array}{c}\Delta x=(x-x_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_1(r^2+2{\left(x-x_0\right)}^2)+2p_2(x-x_0)(y-y_0)\\ \Delta y=(y-y_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_2(r^2+2{\left(y-y_0\right)}^2)+2p_1(x-x_0)(y-y_0)\end{array}---\left(1\right)$

式中，Δx、Δy为像点坐标x、y的构像畸变差改正值；x₀、y₀为相机内方位元素；r为 像点的向径，即k₁、k₂、k₃、p₁、p₂为畸变差校正系数；

(2-2)所述的单像空间后方交会，是指：先利用角锥体法解算外方位线元素的近似 值，并据此估计出外方位角元素的初始值，然后再利用共线方程解法整体平差，解算出像片 外方位元素精确值。

在所述步骤3中，所述的影像投影纠正，是指将消除构像畸变差影响的勘探洞原始 影像投影到物方，形成物方目标影像，并按照要求展开为平面，得到勘探洞单张展示影像； 其具体过程包括：

(3-1)计算像点的像空间工程辅助坐标：

设勘探洞为矩形洞，洞宽W，洞高H，勘探洞柱面方程表示为下式(2)：

其中，X,Y,Z为勘探洞工程坐标；

根据摄影测量共线方程，由像平面坐标x、y解算出每个像元对应的像空间辅助坐 标系坐标从而得到像空间工程辅助坐标系坐标u、v、w：

$\left(\begin{array}{c}\bar{u}\\ \bar{v}\\ \bar{w}\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}x-x_0\\ y-y_0\\ f\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\bar{w}\\ -\bar{u}\\ \bar{v}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，旋转矩阵R为把像空间坐标系转换为像空间辅助坐标系的旋转变换矩阵，由 像片外方位元素中的三个角元素确定，外方位元素由单像空间后方交会得到；x₀、y₀、f为已 知的像片内方位元素；

(3-2)计算投影系数及物方坐标：

设洞壁上一点A，在勘探洞工程坐标系中的坐标为(X_A,Y_A,Z_A)，其对应的像点a的坐 标为(x_a,y_a)，像空间工程辅助坐标为(u_a,v_a,w_a)；S为投影中心，在勘探洞工程坐标系中的坐 标为(X_S,Y_S,Z_S)，由单像空间后方交会计算得到；投影光线SaA存在以下的关系：

$\frac{X_A-X_S}{u_a}=\frac{Y_A-Y_S}{v_a}=\frac{Z_A-Z_S}{w_a}=\lambda ---\left(5\right)$

由投影光线及勘探洞目标柱面方程计算出投影系数λ；首先根据影像的投影关系 判别与投影光线相交的目标面，然后由式(2)与式(5)联立解得像点的投影系数λ；最后按式 (7)即可解出物点A在勘探洞工程坐标系下的物方坐标(X_A,Y_A,Z_A)：

$\left(\begin{array}{c}{X}_A=X_S+{\mathrm{\lambda u}}_a\\ Y_A=Y_S+{\mathrm{\lambda v}}_a\\ Z_A=Z_S+{\mathrm{\lambda w}}_a\end{array}\right)---\left(7\right)$

(3-3)原始影像投影纠正：

建立勘探洞展示影像的坐标系O-CXCY，其中，CX轴与洞轴方向平行，CY轴指向勘探 洞横截面的展开方向；

根据勘探洞工程坐标A(X_A,Y_A,Z_A)，由式(8)得到A点在展示影像坐标系中的坐标 CX_A、CY_A：

包括点A在内，按式(3)、(4)、(7)、(8)的数学关系对原始影像逐像元地投影纠正至 展示影像坐标平面，并经重采样后，即可取得新的单张展示影像。

在纠正制作展示影像时，对每张原始影像仅使用其构像比例尺最大、细节展示最 清晰的部分，即距离拍摄位置最近的一部分图像，其具体过程是：先计算出原始影像上各像 点对应物点的勘探洞工程坐标(X,Y,Z)，找出X的最大值X_max；然后依据相邻两张影像的外方 位元素X_S的差值推算出拍摄间距ΔX，得出X_max+ΔX，从而确定每张影像的物方纠正区域为 从X_max到X_max+ΔX的一段勘探洞。

在所述步骤4中，所述的展示影像生成是指，将某一段勘探洞内各单张展示影像拼 接起来而生成影像地质编录底图，具体过程为：

通过各影像的展示坐标(CX,CY)确定影像间的重叠区域，然后以重叠区域的中线 作为拼接线，拼接线坐标CX_L，其计算公式为：

CX_L＝(CX_max+CX’_min)/2(9)

其中，CX_max为拼接时左影像最右侧边缘像元在勘探洞展示影像坐标系O-CXCY中的 坐标，CX’_min为右影像最左侧边缘像元在勘探洞展示影像坐标系O-CXCY中的坐标；

处理重叠区域时，割去左影像在拼接线右侧CX≥CX_L的部分，同时割去右影像在拼 接线左侧CX≤CX_L的部分，再将左右影像合并在一起形成一幅新的图像，实现左右影像的拼 接；对所有单张展示影像两两进行拼接，从而得到一整幅某桩段内的勘探洞展示影像图。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果包括：

1.本发明的一种基于平行摄影的勘探洞地质编录底图生成方法，针对勘探洞的特 殊性，以独特的影像获取方式、影像方位控制方法、影像几何纠正和展示影像生成算法，形 成一种方便易行的影像地质编录新方法。

2.本发明实现了基于影像的勘探洞地质编录信息快速获取和处理，编录成果形式 更为丰富且易于信息化管理及应用，并能够满足勘探洞地质编录的精度要求。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的流程示意图。

图2为本发明的一个实施例的影像数据采集方式示意图。

图3为本发明的一个实施例的示意图及所涉及的坐标系统。包括：勘探洞工程坐标 系D-XYZ：原点D为洞轴线上起点桩号的位置，X轴与洞轴重合，指向拍摄方向，Y轴在水平面 内垂直于X，指向左洞壁，Z轴垂直向上；像空间工程辅助坐标系S-uvw：原点S为投影中心，坐 标轴u,v,w分别平行于勘探洞工程坐标系D-XYZ的X,Y,Z轴；摄影测量工程坐标系原 点D与勘探洞工程坐标系重合，轴与Y轴相反，轴与Z轴重合，轴与X轴重合；及像空间辅 助坐标系原点S为投影中心，坐标轴分别平行于摄影测量工程坐标系 的轴；勘探洞展示影像的坐标系O-CXCY：其中原点O为展示影像左下角的角 点位置，CX轴与洞轴方向平行，CY轴指向勘探洞横截面的展开方向。

图4为本发明的一个实施例的单张影像展示纠正示意图。

图5为本发明的一个实施例的根据展示坐标的影像拼接示意图。

图6为本发明所述方法中采用的活动控制架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的一个实施例的流程示意图。该实施例所述的一种基于平行摄影的 勘探洞地质编录底图生成方法，包括如下步骤：

步骤1、平行摄影得到影像序列：采用基于活动控制架的控制方式和摄影主光轴平 行于洞轴线的摄影方式，沿勘探洞中轴线每隔一定的距离正对着活动控制架方向拍摄影像 序列；

步骤2、影像预处理：包括影像畸变差校正和影像的单像空间后方交会计算，从而 获得已知内、外方位元素的构像质量良好的勘探洞影像数据；

步骤3、影像投影纠正：将消除构像畸变差影响的勘探洞原始影像投影到物方，形 成物方目标影像，并按照要求展开为平面，得到勘探洞单张展示影像；其中，所述的物方抽 象为目标柱面；

步骤4、展示影像生成：将某一段勘探洞内各单张展示影像拼接起来而生成影像地 质编录底图。

图2所示为本发明影像数据采集方式示意图。

图3所示为本发明实施示意图及所涉及的坐标系统。包括勘探洞工程坐标系D- XYZ：原点D为洞轴线上起点桩号的位置，X轴与洞轴重合，指向拍摄方向，Y轴在水平面内垂 直于X，指向左洞壁，Z轴垂直向上；像空间工程辅助坐标系S-uvw：原点S为投影中心，坐标轴 u,v,w分别平行于勘探洞工程坐标系D-XYZ的X,Y,Z轴；摄影测量工程坐标系原点D 与勘探洞工程坐标系重合，轴与Y轴相反，轴与Z轴重合，轴与X轴重合；及像空间辅助 坐标系原点S为投影中心，坐标轴分别平行于摄影测量工程坐标系的轴；勘探洞展示影像的坐标系O-CXCY：其中原点O为展示影像左下角的角点位置， CX轴与洞轴方向平行，CY轴指向勘探洞横截面的展开方向。

在本发明实施例所述方法步骤1中，所述的基于活动控制架的控制方式和摄影主 光轴平行于洞轴线的摄影方式是指：

将活动控制架设置在勘探洞轴线上，并使其横轴与洞轴线垂直；记录活动控制架 基点在勘探洞工程坐标系中的坐标：Y为0、Z是地面至活动控制架基点的距离、X根据桩号来 确定；由于活动控制架主杆、横向标杆及活动控制架基点的相对位置固定，通过活动控制架 基点的坐标和活动控制架六个控制点与基点间的参数值，计算得到每个控制点在勘探洞工 程坐标系中的坐标，控制点与基点之间的位置参数通过高精度测量进行测定；作业员手持 数码相机，从起点桩号开始，沿勘探洞中轴线每隔一定距离正对着活动控制架方向拍摄影 像，每张影像内均包含勘探洞的左右壁和顶板的局部区域以及正前方活动控制架上的六个 控制点；所述的一定的距离并不固定，前提是保证前后相邻影像的洞壁顶板部分有重叠区 域；一个活动控制架设置站为覆盖一段勘探洞的若干张影像所共用；然后，沿勘探洞前进并 重新设置活动控制架，并重复上述拍摄步骤；在所述的重复拍摄中，始终要保证前后相邻影 像的洞壁顶板部分有重叠区域。

在本发明实施例所述方法步骤2中：

(2-1)所述的影像畸变校正，是指：采用顾及径、切向变形的畸变校正模型，对原始 影像进行畸变差改正，其模型如下式：

$\{\begin{array}{c}\Delta x=(x-x_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_1(r^2+2{\left(x-x_0\right)}^2)+2p_2(x-x_0)(y-y_0)\\ \Delta y=(y-y_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_2(r^2+2{\left(y-y_0\right)}^2)+2p_1(x-x_0)(y-y_0)\end{array}---\left(1\right)$

式中，Δx、Δy为像点坐标x、y的构像畸变差改正值；x₀、y₀为相机内方位元素；r为 像点的向径，即k₁、k₂、k₃、p₁、p₂为畸变差校正系数；

(2-2)所述的单像空间后方交会，是指：先利用角锥体法解算外方位线元素的近似 值，并据此估计出外方位角元素的初始值，然后再利用共线方程解法整体平差，解算出像片 外方位元素精确值。

如图4所示，为本发明的一个实施例的单张影像展示纠正示意图。

在本发明实施例所述方法步骤3中的影像投影纠正，是指将消除构像畸变差影响 的勘探洞原始影像投影到物方，形成物方目标影像，并按照要求展开为平面，得到勘探洞单 张展示影像；其具体过程包括：

(3-1)计算像点的像空间工程辅助坐标：

设勘探洞为矩形洞，洞宽W，洞高H，勘探洞柱面方程表示为下式(2)：

其中，X,Y,Z为勘探洞工程坐标；

根据摄影测量共线方程，由像平面坐标x、y解算出每个像元对应的像空间辅助坐 标系坐标从而得到像空间工程辅助坐标系坐标u、v、w：

$\left(\begin{array}{c}\bar{u}\\ \bar{v}\\ \bar{w}\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}x-x_0\\ y-y_0\\ f\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\bar{w}\\ -\bar{u}\\ \bar{v}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，旋转矩阵R为把像空间坐标系转换为像空间辅助坐标系的旋转变换矩阵，由 像片外方位元素中的三个角元素确定，外方位元素由单像空间后方交会得到；x₀、y₀、f为已 知的像片内方位元素；

(3-2)计算投影系数及物方坐标：

设洞壁上一点A，在勘探洞工程坐标系中的坐标为(X_A,Y_A,Z_A)，其对应的像点a的坐 标为(x_a,y_a)，像空间工程辅助坐标为(u_a,v_a,w_a)；S为投影中心，在勘探洞工程坐标系中的坐 标为(X_S,Y_S,Z_S)，由单像空间后方交会计算得到；投影光线SaA存在以下的关系：

$\frac{X_A-X_S}{u_a}=\frac{Y_A-Y_S}{v_a}=\frac{Z_A-Z_S}{w_a}=\lambda ---\left(5\right)$

由投影光线及勘探洞目标柱面方程计算出投影系数λ；首先根据影像的投影关系 判别与投影光线相交的目标面，然后由式(2)与式(5)联立解得像点的投影系数λ；最后按式 (7)即可解出物点A在勘探洞工程坐标系下的物方坐标(X_A,Y_A,Z_A)：

$\left(\begin{array}{c}{X}_A=X_S+{\mathrm{\lambda u}}_a\\ Y_A=Y_S+{\mathrm{\lambda v}}_a\\ Z_A=Z_S+{\mathrm{\lambda w}}_a\end{array}\right)---\left(7\right)$

(3-3)原始影像投影纠正：

建立勘探洞展示影像的坐标系O-CXCY，其中，CX轴与洞轴方向平行，CY轴指向勘探 洞横截面的展开方向；

根据勘探洞工程坐标A(X_A,Y_A,Z_A)，由式(8)得到A点在展示影像坐标系中的坐标 CX_A、CY_A：

包括点A在内，按式(3)、(4)、(7)、(8)的数学关系对原始影像逐像元地投影纠正至 展示影像坐标平面，并经重采样后，即可取得新的单张展示影像。

因对勘探洞设计了沿洞轴的特殊拍摄方式来提高摄影编录效率，但这会引起勘探 洞成像细节随物距变远而迅速压缩。为了取得勘探洞开挖表面精细影像并保证地质编录精 度，在纠正制作展示影像时，对每张原始影像仅使用其构像比例尺最大、细节展示最清晰的 部分，即距离拍摄位置最近的一部分图像，其具体过程是：先计算出原始影像上各像点对应 物点的勘探洞工程坐标(X,Y,Z)，找出X的最大值X_max；然后依据相邻两张影像的外方位元素 X_S的差值推算出拍摄间距ΔX，得出X_max+ΔX，从而确定每张影像的物方纠正区域为从X_max到 X_max+ΔX的一段勘探洞。像方区域为图4所示的阴影部分。

在本发明实施例所述方法步骤4中的展示影像生成是指，将某一段勘探洞内各单 张展示影像拼接起来而生成影像地质编录底图，具体过程为：

通过各影像的展示坐标(CX,CY)确定影像间的重叠区域，然后以重叠区域的中线 作为拼接线，拼接线坐标CX_L，其计算公式为：

CX_L＝(CX_max+CX’_min)/2(9)

其中，CX_max为拼接时左影像最右侧边缘像元在勘探洞展示影像坐标系O-CXCY中的 坐标，CX’_min为右影像最左侧边缘像元在勘探洞展示影像坐标系O-CXCY中的坐标；

处理重叠区域时，割去左影像在拼接线右侧CX≥CX_L的部分，同时割去右影像在拼 接线左侧CX≤CX_L的部分，再将左右影像合并在一起形成一幅新的图像，实现左右影像的拼 接；对所有单张展示影像两两进行拼接，从而得到一整幅某桩段内的勘探洞展示影像图。如 图5所示，为本发明的一个实施例的根据展示坐标的影像拼接示意图。

勘探洞展示影像图，是以桩段(洞内两个桩号之间的一段)分幅管理的展示影像 图，亦是影像地质编录的底图，其由桩段内各张原始影像经投影纠正得到单张展示影像后， 再经过展示影像之间的拼接而生成。

影像拼接是裁去相邻影像之间的重叠部分，通过拼接线把多张展示影像自动拼接 成一幅整桩段的勘探洞展示影像图的处理过程。由于各单张展示影像均定义在统一的勘探 洞展示影像坐标系统中，故影像拼接的基础即是展示影像的像平面坐标。

图6所示为本发明所述方法中采用的活动控制架的结构示意图。该活动控制架已 获得中国发明专利“一种物方定位自动安平活动控制架”，专利号为CN201310399420.7。

根据本发明所述方法最终得到的展示影像可用于影像地质编录。主要包括：

(1)展示影像的空间坐标反算

基于勘探洞展示影像图，对任一像素的量测就可以读取其展示坐标。然而，影像地 质编录的主要工作之一，是通过影像上出露的地质结构线，量算获得相应结构面的空间产 状要素。显然，这里的关键是要获取结构线上空间不共一直线的三个以上点的勘探洞工程 坐标。

展示影像图形式上是平面图，实际上展示影像上的点与三维的勘探洞目标柱面之 间，存在着一一对应关系。故依据展示影像的像平面坐标，可以计算得到像点对应物点的勘 探洞工程坐标，进而计算得出岩层结构面产状。实现勘探洞展示影像量测结构面产状的关 键，是要解决展示平面坐标到物方空间坐标的反算问题。

对矩形勘探洞，展示影像坐标(CX,CY,CZ)与洞室目标柱面上物点的勘探洞工程坐 标(X,Y,Z)，满足式(10)关系：

显然，式(10)就是展示影像的空间坐标反算式，可以由各地质构造线的像片坐标 算出其空间坐标，进而计算该地质构造的产状。

(2)影像数字编录

展示影像图不但客观、真实地记录了勘探洞开挖表面的各种地质现象和工程状 况，而且按照工程地质制图规范进行了精确的几何处理。影像数字编录，就是将生成的勘探 洞展示影像图作为底图，集成GIS用户图形界面，通过影像判读与分析，在计算机上实现工 程地质编录要素的识别与描述、绘图与编辑、产状量算和属性数据记录等，生成并输出编录 成果图，同时实现图形、图像和属性数据的数据库管理。根据勘探洞数据库的设计，对编录 数据分层管理，设置相应的图层分类编录。数字编录过程主要分为以下三个环节。

1)编录图形的绘制与编辑

展示影像图经过地理编码配准后，根据展示影像图上表现的点、线、面状地质特 征，在相应的地质编录图层上绘制地质点或者线条等图形要素，并对绘制的图形进行制图 编辑。

2)结构面产状的量测与计算

在展示影像图上对地质结构面出露的结构线进行量测，反算得若干量测点的勘探 洞工程坐标，计算出该结构线所代表的结构面的空间产状。

3)编录属性数据的录入与注记

除产状要素外，工程地质编录还包括其它诸多地质要素属性数据，如结构面的性 质、填充状况、起伏状况等。这些地质属性数据的获取依赖于地质工程师基于影像的判识， 通过人机交互方式录入数据库并上图注记。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。