专利名称：一种数码遥感地质测绘的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数码遥感地质测绘的方法及装置。主要应用于水利、水电、交通、矿山 等各类工程的高陡(岩质)边坡、开挖基坑和地下洞室的地质测绘(编录)。
技术背景工程地质测绘是指采用搜集资料、调査访问、地质测量、遥感解译等方法，查明场地的 工程地质要素，并绘制相应的工程地质图件。工程地质测绘(编录)作为工程地质工作中不 可缺少的一项极为重要的内容，对消除地质隐患，优化设计，选择合理的施工方法，指导工 程的安全营运和充分发挥工程的目标效益，具有重要意义。传统的地质测绘(编录)方法， 常常需要投入大量人力和耗费大量时间，而且存在劳动安全隐患，难以满足特殊地形条件和 现代施工技术条件下地质专业工作的需要。特别是近年来陆续开工的西部特大型水电工程逐 渐增多，现场工作面大，地质条件复杂，施工要求高，作业时间紧，需要地质工程师能够机 动快速反应，这对传统的地质测绘(编录)方法提出了新的挑战。所谓数码遥感地质测绘，是以普通数码相机作为传感器，以普通三脚架上架设数码相机 方位控制装置作为遥感平台，采用光学摄影方式在地面站点拍摄被探测目标场地的图像，经 过微机处理后获得工程场地的立体影像和地质解译数据。该方法具有设备简单、操作迅速、 成果适用、性价比高等优点，非常适合应用到场地条件、施工条件和地质测绘要求比较特殊 的工程中。目前，相关文献介绍的数码遥感方法在中小比例尺的地形测量和地质测绘中应用 较多，而在大比例尺的数码遥感地质测绘(编录)的应用中还不完全成熟，存在的缺陷体现 在如下几个方面1、 现行数码摄影编录方法操作过程比较复杂，需要专门的检测装置率定数码相机参数；2、 利用数学模型对场地的立体像对进行展示平面投影，成果仅能在二维平面上利用， 没有真正得到场地的三维立体影像模型；3、 地质结构面的产状获取方法较原始，首先要通过测量交会的方法计算立体像对的工 程坐标，然后利用结构面上三个及三个以上点的工程坐标计算结构面产状。这种方 法计算出的产状，不仅代表性有限，而且误差范围难以验证；4、 不能表达场地表面的起伏特征，无法获得地质结构面的出露迹线；5、 场地空间地质分析能力有限，不能满足施工地质工作更广泛的需要。 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缺陷，提供一种基于数码摄影测量、 数字图像处理、静态三维影像建立与工程地质分析等技术的数码遥感地质测绘的方法及装 置，创新或改进使用方法中的多项技术环节，实现地质测绘(编录)工作在外业时的机动快 速反应，在内业中的微机全程处理和三维信息化，从而取代传统的手工作业模式，提高工作 的质量和效率。本发明所采用的技术方案是 一种数码遥感地质测绘的方法，其特征在于该方法包括以 下步骤-A) 拍摄模式优选，根据高陡边坡、开挖基坑和地下洞室三种场地条件选择相对应的基 本模式、扩展模式和条带模式三种拍摄模式中的一种；B) 数码图像拍摄，Bl)根据步骤A)选定的拍摄模式确定数码遥感摄站点的个数和位置，B2)在确定的摄站点位置架设三脚架，将数码相机固定在数码相机操作平台上，并保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转轴线的交点上，再将数码相机操作平台固定在三脚架上，使数码相机操作平台调整至大致水平，B3)在拍摄场地范围内标记或找到不少于3个坐标控制点，B4)在每个摄站点拍摄一幅或连续多幅图像，同一个摄站点拍摄的多幅图像之间重合部 分应为单幅图像的10%，相邻摄站点分别拍摄的单幅图像或多幅图像经计算机拼合处理后的 单幅图像重合部分应为60%，平行摄站点拍摄的图像条带之间重合部分应为30%;C) 三维影像模型建立，将多个摄站点拍摄的图像输入计算机，建立具有实际空间方位 的三维影像模型；D) 空间属性数据提取，基于三维影像模型采集地质结构面的空间属性数据E) 空间属性数据利用，利用采集的地质结构面空间属性数据生成技术成果图表。 本发明步骤A)中所述的基本模式适用于小型边坡或开挖基坑，要求分设左右两个摄站点，并在每个摄站点分别拍摄单张左图像和右图像，直接形成立体像对。本发明步骤A)中所述的扩展模式适用于大型边坡或开挖基坑，要求设置左右两个摄站 点，根据场地情况在每个摄站点分别拍摄一组连续有部分重叠的图像，左右摄站点分别拍摄 的一组图像经拼合剪裁处理形成两个单幅图像，从而间接形成立体像对。本发明步骤A)中所述的条带模式适用于地下洞室或山地河谷，要求等间隔布置一排或 近平行的多排摄站点，每个摄站点拍摄一左一右两幅图像，左右图像有部分重合，每一排摄 站点拍摄一个图像条带，条带与条带之间也有部分重叠，左右相邻的两个摄站点拍摄的图像 形成一个立体相对，全部摄站点拍摄的图像形成多个立体像对。所述数码遥感摄站点至拍摄对像之间的距离控制在5-250m之间，站站之间与物站之间 距离的比值范围为l: 2-1: 10。用于一次建立三维影像模型的所有图像必须使用固定拍摄焦距的同一数码相机。 本发明还涉及一种数码遥感地质测绘的系统，其特征是该系统由数码相机、数码相机操 作平台、三脚架和计算机组成，数码相机装在可分档水平旋转及垂直俯仰设定角度的数码相 机操作平台上，并保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转轴线的交点上， 数码相机操作平台固定在三脚架上，计算机用于处理数码相机拍摄的图像。本发明的有益效果是本发明以普通的数码相机作为遥感器，具有设备简单、操作迅速、 成果适用、性价比高等优点，非常适合应用到场地条件、施工条件和地质测绘要求比特殊的 工程中，尤其适合应用于大比例尺的数码遥感地质测绘(编录)中，以其优异的快速机动性， 极大地减少了人力和时间的耗费，同时消除了劳动安全隐患。
图l是本发明的流程框图。图2是本发明所使用设备的系统结构图。 图3是本发明实施例1基本模式的拍摄示意图。 图4是本发明实施例2扩展模式的拍摄示意图。 图5是本发明实施例3条带模式的拍摄示意图。 图6是条带模式下拍摄地下洞室的示意图。 图7是本实施例中数码相机操作平台的立体图。 图8是本实施例中数码相机操作平台的左视图。 图9是本实施例中数码相机操作平台的主视图。 图IO是本实施例中数码相机操作平台的俯视图。
具体实施方式
实施例l,如图l-3所示，本例的操作方法包括以下步骤A) 本例的拍摄模式选择基本模式，适用于小型边坡或开挖基坑，拍摄范围较小，单幅 照片即可以呈现拍摄对象。B) 数码图像拍摄，Bl)根据步骤A)选定的基本拍摄模式确定数码遥感摄站点5为两个， 一左一右并排布 置(如图3所示)，摄站点布置原则是，根据拍摄目标场地范围的大小和摄站点与坡面的距 离，控制拍摄距离范围为5-250m，本例的距离是50m，站站之间与物站之间距离的比值范围 为l: 2-1: 10，所有图像使用固定拍摄焦距的同一数码相机l，B2)在确定的摄站点位置架设三脚架3，三脚架可以采用一般测量专用的木制或金属制 三脚架，本例数码相机1选择日本佳能公司的Canon EOS-5D型数码相机，将数码相机1固 定在数码相机操作平台2上，该操作平台是专门为所选数码相机配套设计的专用仪器(将在 本文的后面作详细描述)，固定时保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转 轴线的交点上，再将数码相机操作平台2固定在三脚架3上，并使数码相机操作平台2调整 至大致水平，为后面的拍摄作好准备，B3)在拍摄目标场地范围内标记或找到3个坐标控制点6，所谓找到是指特征点坐标己 知，如施工放样点、勘探孔洞口等，B4)在一左一右两个摄站点分别拍摄单张图像，左图像和右图像重合约60%,直接形成 立体像对(基本模式一个站点只拍摄一张照片，两个站点分别拍摄的一左一右两张图像要求 重合60%)。C) 三维影像模型建立，将多个摄站点拍摄的图像输入计算机4 (本例计算机选用Dell Precision T7400型工作站；操作系统采用Windows 2000或者Windows XP,软件支持平台有 O伍ce 2003、 AutoCAD 2004、澳大利亚ADAM公司的3DM系列软件，以及自主研发的水电 工程三维地质系统GeoEngine ; CPU需要500MHz PentiumIII或AMD Athlon及以上，内存 不小于512M，硬盘大于2G)，建立具有实际空间方位的三维影像模型。在此步骤中将拍摄 的图像传入计算机4，通过专用软件对拍摄图像进行系列处理，从而获得场地三维影像模型， 具体操作过程为1)图像编排，将同一摄站点拍摄的图像编排到一起；2)立体像对点搜索， 依据场地同一区块拍摄的左右两幅图像搜索对应的像素点，方式可以是自动搜索，也可以是 人工搜索；3)控制点坐标设定，将实际场地预布置的控制点反映到若干图像上的对应像素 点找出，然后给其设定大地坐标或工程坐标；4)数码相机畸变参数反算，根据单幅图像的 尺寸、数码相机感光片尺寸、拍摄设定焦距和图像上搜索的立体像对点相对位置自动反算数 码相机的2个或5个畸变参数；5)数字图像处理，图像处理包括图像增强、图像纠正、图 像拼接和图像裁剪，采用基本模式拍摄的图像不需要进行图像拼接和图像剪裁处理；6)立 体像对点和摄站点坐标计算，根据相邻摄站点所拍摄图像上的像对点位置和数码相机的畸变 参数计算像对点和摄站点的相对坐标，再根据确定的控制点坐标计算各像对点和摄站点的绝 对坐标；7)三维曲面网格剖分，根据已计算出绝对坐标的离散像对点，经过插值后建立不 规则三角形网格(TIN)表面；8)立体图像投影，按照摄站点到目标像点方向投影图像到不 规则三角形网格表面，得到三维影像模型。D) 空间属性数据提取，基于三维影像模型采集地质结构面的空间属性数据。此步骤的 操作顺序是首先，结合场地地质分析要求给地质结构面分类，定义地质结构面类型的几何表现形式，包括颜色、线宽、线型；然后，利用三维影像模型识别地质结构面的出露迹线， 选择当前地质结构面类型，确定属性编号，用空间平面或三维线条进行手工描绘，获得地质 结构面出露迹线的空间位置数据；最后，根据采集的地质结构面的三维线条概化出整体产状 数据，补充描述能够观察到的地质结构面特征数据。E)空间属性数据利用，利用采集的地质结构面空间属性数据生成技术成果图表。此步骤 是将步骤D)基于边坡或开挖基坑的三维影像模型提取的地质结构面空间属性数据导入专业 分析软件，通过一系列人机对话进行数据转换、图形编辑、格式整理等操作，按照有关规范 生成正式的成果图表和地质模型，主要包括二维平面、二维剖面(断面)图、二维等值线(等 高线、等深线、等厚线)分析图、场地三维地质模型、结构面属性列表、产状分布等密图、 产状分布玫瑰花图、结构面组合块体模型和块体极射赤平投影图。其中，平面图是将空间属 性数据直接投影绘制到水平面上，再经过简单编辑得到。步骤C)、 D)、 E)中使用的专业软件均是本领域中已经成熟的软件，本文不再展开描述。 实施例2，如图l、图2、图4所示，本例的操作方法包括以下步骤A) 本例的拍摄模式选择扩展模式，适用于大型边坡或开挖基坑， 一般是因为拍摄场地 的大小超过单幅照片拍摄的视角范围而采用。B) 数码图像拍摄，Bl)根据步骤A)选择的扩展拍摄模式确定数码遥感摄站点5为两个，并排布置(如图 4所示)，摄站点位置的确定遵循的原则是，根据拍摄对象范围的大小和摄站点与坡面的距离， 控制拍摄距离范围为5-250m，本例的距离是100m，站站之间与物站之间距离的比值范围为1: 2-1: 10，所有图像使用固定拍摄焦距的同一数码相机l，B2)在确定的摄站点位置架设三脚架3，三脚架可以采用一般测量专用的木制或金属制 三脚架，本例数码相机1选择日本佳能公司的Canon EOS-5D型数码相机，将数码相机1固 定在数码相机操作平台2上，该操作平台是专门为所选数码相机配套设计的专用仪器(将在 本文的后面作详细描述)，固定时保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转 轴线的交点上，再将数码相机操作平台2固定在三脚架3上，并使数码相机操作平台2调整 至大致水平，为后面的拍摄作好准备，B3)在拍摄场地范围内标记或找到3个坐标控制点6，B4)在左右两个摄站点分别拍摄一组连续有部分重合的图像，同一个摄站点拍摄的图像 之间重合部分应为单幅图像的10%，左右摄站点分别拍摄的一组图像需经计算机4拼合剪裁 处理，得到的左右两幅图像间接形成立体像对，且重合部分应为单幅图像的60%。C) 三维影像模型建立，将多个摄站点拍摄的图像输入计算机4 (与实施例l相同)，建立具有实际空间方位的三维影像模型。本步骤具体操作过程与实施例1基本相同，仅操作过 程5)数字图像处理有区别采用扩展拍摄模式在同一摄站点拍摄的一组图像需要进行图像 拼接和图像剪裁处理。本例步骤D)、 E)与实施例l相同，此处不再重复。实施例3，如图l、图2、图5所示，本例的操作方法包括以下歩骤A) 本例适用于地下洞室或山地河谷，由于拍摄范围狭长，其拍摄模式选择条带模式。B) 数码图像拍摄，Bl)根据步骤A)选定的拍摄模式等间隔布置一排或近平行的多排摄站点，本例布置2 排(如图5所示)，每排上设置多个摄站点5，所有图像使用固定拍摄焦距的同一数码相机l，B2)在确定的摄站点位置架设三脚架3，三脚架可以采用一般测量专用的木制或金属制 三脚架，本例数码相机1选择日本佳能公司的Canon EOS-5D型数码相机，将数码相机1固 定在数码相机操作平台2上，该操作平台是专门为所选数码相机配套设计的专用仪器(将在 本文的后面作详细描述)，固定时保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转 轴线的交点上，再将数码相机操作平台2固定在三脚架3上，并使数码相机操作平台2调整 至大致水平，为后面的拍摄作好准备，B3)在拍摄场地范围内标记或找到3个坐标控制点6，B4)每个摄站点拍摄左右两幅图像，同一个摄站点拍摄的两幅图像之间重合部分应为单 幅图像的10%，相邻的左边站点拍摄的右图像与右边站点拍摄的左图像重合部分应为60%， 每一排摄站点拍摄一个图像条带，相邻两排摄站点拍摄的图像条带之间重合部分应为30%。本例步骤C)、 D)与实施例l相同，此处不再重复。E)空间属性数据利用，利用采集的地质结构面空间属性数据生成技术成果图表。此步骤 是将步骤D)基于边坡、开挖基坑和洞室的三维影像模型提取的地质结构面空间属性数据导 入专业分析软件，通过一系列人机对话进行数据转换、图形编辑、格式整理等操作，按照有 关规范生成正式的成果图表和地质模型，除了实施例1中描述的全部成果图表和地质模型外， 对于洞室场地还包括洞室展示图和洞室断面图，其中洞室展示图是根据洞室三维参数将地质 结构面空间属性数据转换成二维的平面数据进行绘制和编辑得到。图6所示的是以条带模式拍摄的地下洞室，摄站点5距左、右洞壁l~3m内沿两洞壁底 线布置，分别对洞室左右两壁及顶拱进行拍摄，形成多个左半洞和右半洞立体像对，且左半 洞和右半洞的图像条带在洞顶部位重合30%。拍摄过程中，图像或条带的重合范围是通过数 码相机操作平台2的水平和垂直方向相对固定旋转角度进行控制的。在地下洞室中采用条带 模式拍摄时，需要照明灯7提高图像拍摄效果，如图6所示。本发明中使用的数码相机操作平台2如图7-10所示，它具有圆柱形底座2-2,其上通过 水平转轴2-5固定U形支架2-6，底座2-2下方圆周上均匀制有一组卡扣2-l，可以牢固的与 放置在地面站点的三脚架固定连接。所述支架2-6两端上部通过两个同轴布置的垂直转轴 2-12固定U形相机托盘2-8，整个相机托盘2-8内嵌在支架2-6内，支架2-6外侧通过垂直转 轴2-12固定弹力钢片2-11,该弹力钢片另一端连接垂直转角控制触头2-10，利用弹力钢片 2-11的弹力使该垂直转角控制触头2-10穿过支架2-6上预留的小孔顶住相机托盘2-8，并与 相机托盘2-8上的弧形垂直转角控制卡槽2-9相配合；所述底座2-2表面制有一圈圆形水平 转角控制卡槽2-3，支架2-6底部对称布置两个与水平转角控制卡槽2-3相配合的水平转角控 制触头2-4;所述相机托盘2-8后侧边缘处的中心设有一颗穿透的相机固定螺丝2-7，用于固 定相机。所述相机托盘2-8上设有防滑软垫，以增加相机与相机托盘2-8之间的摩擦力，防 止相机在相机托盘2-8上发生位移，影响拍摄结果。所述水平转角控制卡槽2-3和垂直转角控制卡槽2-9内均匀设置一组凹陷触点，分别与 水平转角控制触头2-4和垂直转角控制触头2-10相对应，并且相邻两个凹陷触点之间夹角的 大小可根据实际应用情况确定，利用凹陷触点的间距来精确控制相机旋转的角度。在调整相 机水平方向上的拍摄角度时，支架2-6的旋转会带动两端底部的水平转角控制触头2-4紧贴 底座2-2表面上的水平转角控制卡槽2-3滑动，当水平转角控制触头2-4滑到水平转角控制 卡槽2-3内的凹陷触点时，因二者紧密接触而使支架2-6被相对固定，此时若相机在水平方 向拍摄角度达到要求，则可继续调整相机竖直方向上的拍摄角度；若此时仍未达到水平方向 的拍摄角度，则继续旋转支架，使其在水平方向上的拍摄角度达到要求。同理，在调整相机 水平方向上的拍摄角度时，相机托盘2-8转动必带动一侧的垂直转角控制卡槽2-9以垂直转 轴2-12为中心旋转，当弹力钢片2-11未固端的垂直转角控制触头2-10遇到垂直转角控制卡 槽2-9内的凹陷触点时，因二者紧密接触而使相机托盘2-8被相对固定，若相机在竖直方向 拍摄角度达到要求，即可进行拍摄；若此时仍未达到竖直方向的拍摄角度，则继续旋转相机 托盘2-8，使其在竖直方向上的拍摄角度达到要求。这种结构较之现有技术中旋转角度过于 自由的情况，能够精确控制相机旋转的角度，使得拍摄的图像之间有一定的重合范围。所述水平转轴2-5和两个垂直转轴2-12位于同一竖直平面上，水平转轴2-5的中心延长 线交于两垂直转轴2-12中心连线的中点，且装配后数码相机镜头中心与该交点基本重合。因 相机本身型号的不同导致相机镜头中心与两垂直转轴2-12中心连线的中点所存在的较小位 差可忽略。这种结构保证了在水平方向和竖直方向上调整拍摄角度都不会改变相机镜头中心 的空间位置，从而保证了现场连续拍摄图像的有效性，提高了作业效率。根据被拍摄场地情况的不同，高陡(岩质)边坡、开挖基坑、地下洞室一般地可以选择的最适宜的镜头焦距为100mm、 50mm、 20mm，对应的地质测绘数码遥感测控仪2也有三种 规格可选。除上述操作平台外，如使用一般的云台转动相机，相机镜头不能固定于一点，且拍摄左 右图像的重叠范围不能锁定。当拍摄远距离的目标场地建立低精度的三维影像模型时，云台 造成的镜头位移可以忽略，但是当拍摄洞室近距离目标场地时，难以保证拍摄的图像能够建 立三维影像模型。
权利要求
1、一种数码遥感地质测绘的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤A)拍摄模式优选，根据高陡边坡、开挖基坑和地下洞室三种场地条件选择相对应的基本模式、扩展模式和条带模式三种拍摄模式中的一种；B)数码图像拍摄，B1)根据步骤A)选定的拍摄模式确定数码遥感摄站点5的个数和位置，B2)在确定的摄站点位置架设三脚架3，将数码相机1固定在数码相机操作平台2上，并保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转轴线的交点上，再将数码相机操作平台2固定在三脚架3上，使数码相机操作平台2调整至大致水平，B3)在拍摄场地范围内标记或找到不少于3个坐标控制点6，B4)在每个摄站点拍摄一幅或连续多幅图像，同一个摄站点拍摄的多幅图像之间重叠部分应为单幅图像的10％，相邻摄站点分别拍摄的单幅图像或多幅图像经计算机4拼合处理后的单幅图像重叠部分应为60％，平行摄站点拍摄的图像条带之间重叠部分应为30％；C)三维影像模型建立，将多个摄站点拍摄的图像输入计算机4，建立具有实际空间方位的三维影像模型；D)空间属性数据提取，基于三维影像模型采集地质结构面的空间属性数据；E)空间属性数据利用，利用采集的地质结构面空间属性数据生成技术成果图表。
2、 根据权利要求1所述的数码遥感地质测绘的方法，其特征在于步骤A)中所述的基本模式适用于小型边坡或开挖基坑，要求分设左右两个摄站点，并在每个摄站点分别拍摄 单张左图像和右图像，直接形成立体像对。
3、 根据权利要求1所述的数码遥感地质测绘的方法，其特征在于步骤A)中所述的扩展模式适用于大型边坡或开挖基坑，要求设置左右两个摄站点，根据场地情况在每个摄站 点分别拍摄一组连续有部分重叠的图像，左右摄站点分别拍摄的一组图像经拼合剪裁处理形 成两个单幅图像，从而间接形成立体像对。
4、 根据权利要求1所述的数码遥感地质测绘的方法，其特征在于步骤A)中所述的条带模式适用于地下洞室或山地河谷，要求等间隔布置一排或近平行的多排摄站点，每个摄 站点拍摄一左一右两幅图像，左右图像有部分重合，每一排摄站点拍摄一个图像条带，条带 与条带之间也有部分重叠，左右相邻的两个摄站点拍摄的图像形成一个立体相对，全部摄站 点拍摄的图像形成多个立体像对。
5、 根据权利要求1所述的数码遥感地质测绘的方法，其特征在于所述数码遥感摄站 点5至拍摄对像之间的距离控制在5-250m之间，站站之间与物站之间距离的比值范围为1: 2-1: 10。
6、 根据权利要求1所述的数码遥感地质测绘的方法，其特征在于用于一次建立三维 影像模型的所有图像必须使用固定拍摄焦距的同一数码相机1。
7、 一种数码遥感地质测绘的系统，其特征在于该系统由数码相机l、数码相机操作平 台2、三脚架3和计算机4组成，数码相机1装在可分档水平旋转及垂直俯仰设定角度的数 码相机操作平台2上，并保持相机镜头中心大致处于该操作平台水平及竖直两个转轴线的交 点上，数码相机操作平台2固定在三脚架3上，计算机4用于处理数码相机拍摄的图像。
全文摘要
本发明涉及一种数码遥感地质测绘的方法及装置。本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数码摄影测量、数字图像处理、静态三维影像建立与工程地质分析等技术的数码遥感地质测绘的方法。解决该问题的技术方案是A)拍摄模式优选，根据高陡边坡、开挖基坑和地下洞室三种场地条件选择相对应的基本模式、扩展模式和条带模式三种拍摄模式中的一种；B)数码图像拍摄；C)三维影像模型建立；D)空间属性数据提取；E)空间属性数据利用。本发明可用于水利、水电、交通、矿山等各类工程的高陡(岩质)边坡、开挖基坑和地下洞室的地质测绘(编录)。
文档编号G01C11/04GK101334278SQ20081006347
公开日2008年12月31日 申请日期2008年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者单治钢, 王国光, 贾海波 申请人:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院