何燕蘭，李浩，陳新璽

(1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京　210098；　2.河海大學(xué)，江蘇 南京　210098；　3.上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上?！?00137)

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平硐正射影像展示圖生成方法研究

何燕蘭1*，李浩2，陳新璽3

(1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué)，江蘇 南京210098；3.上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海200137)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有攝影地質(zhì)編錄方法處理平硐工作量大、效率不高的缺點(diǎn)，在自主研制的高精度活動(dòng)控制架基礎(chǔ)上，研究了基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。精度分析及實(shí)驗(yàn)證明該方法現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率高、內(nèi)業(yè)處理方便快速，且精度達(dá)到施工地質(zhì)編錄要求。

關(guān)鍵詞：攝影地質(zhì)編錄；活動(dòng)控制架；平硐；正射影像展示圖

1引言

平硐主要是指水利水電工程中用于勘探地質(zhì)條件的中小型硐室，地質(zhì)人員通過(guò)平硐查明工程建筑物地區(qū)的工程地質(zhì)條件，從而分析預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題，充分利用有利的地質(zhì)條件，避開(kāi)或改造不利的地質(zhì)因素，為工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)用和管理提供可靠的地質(zhì)資料。因此平硐的地質(zhì)編錄是水利水電工程建設(shè)中及其重要的一環(huán)，研究平硐的攝影地質(zhì)編錄方法具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

文獻(xiàn)[1]～[8]詳細(xì)介紹了基于普通數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄系統(tǒng)的基本原理與應(yīng)用，由上述文獻(xiàn)可知進(jìn)行攝影地質(zhì)編錄的關(guān)鍵是制作正射影像展示圖。但由于平硐一般硐徑較小，若在平硐中采用文獻(xiàn)[1]～[3]介紹的獲取原始影像方法來(lái)生成正射影像展示圖，需要布設(shè)很多拍攝站點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)及內(nèi)業(yè)工作量，影響地質(zhì)編錄的工作效率。因此本文研究基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。

2平硐正射影像展示圖制作原理

平硐正射影像展示圖是通過(guò)將原始像片投影到目標(biāo)柱面得到的，目標(biāo)柱面由已知的硐形參數(shù)確定。正射影像展示圖是保留了豐富的地質(zhì)和地貌特征的平面展示圖，是地質(zhì)編錄的底圖。本文利用自行研發(fā)的高精度活動(dòng)控制架，采用物方控制原理對(duì)原始影像進(jìn)行正射糾正；并根據(jù)糾正邊界自動(dòng)鑲嵌糾正影像，生成正射影像展示圖。平硐正射影像展示圖制作流程如圖1所示。

3原始影像獲取

自行研制的高精度活動(dòng)控制架上布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)，6個(gè)控制點(diǎn)的相對(duì)位置固定，相對(duì)參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得到。由于活動(dòng)控制架具有自動(dòng)整平功能及激光定向功能，因此架設(shè)好控制架后只需要記錄控制架基點(diǎn)坐標(biāo)即可得到6個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。自行研制的高精度活動(dòng)控制架如圖2所示。

本文采取的影像獲取方式為物方方式。在硐室的中軸線上安置活動(dòng)控制架，在中軸線附近手持普通數(shù)碼相機(jī)拍攝硐壁及控制架；向著控制架方向，大致每隔相同的距離拍攝一張影像，直到影像包含的控制點(diǎn)數(shù)小于4個(gè)無(wú)法較準(zhǔn)確的計(jì)算外方位時(shí)停止拍攝，即完成了一個(gè)攝段的拍攝。向前移動(dòng)活動(dòng)控制架，按照上述方法重復(fù)操作即可獲取整個(gè)硐室的原始影像，如圖3所示。

4影像展示圖生成算法

4.1影像幾何糾正

影像幾何糾正是將目標(biāo)柱面影像沿左硐壁底線展開(kāi)為平面，得到單張硐室展示影像的過(guò)程。由于平硐主要是矩形硐，現(xiàn)以矩形硐為例闡述其糾正原理及方法。

設(shè)硐寬為W，硐高為H，則平硐柱面方程為：

(1)

上式中X2、Y2、Z2是物點(diǎn)在硐室工程坐標(biāo)系D-X2Y2Z2下的坐標(biāo)，如圖4所示；其中X2過(guò)硐軸線，指向拍攝方向；Y2垂直于X2，指向左硐壁；Z2豎直向上。其對(duì)應(yīng)的像空間輔助坐標(biāo)系S-u2v2w2，坐標(biāo)軸u2、v2、w2分別平行于硐室工程坐標(biāo)系D-X2Y2Z2的X2、Y2、Z2軸。

設(shè)硐壁上一點(diǎn)A，在硐室工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(XA，YA，ZA)，其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)a的坐標(biāo)為(x，z)，像空間輔助坐標(biāo)為(u2，v2，w2)，光線Sa存在以下的關(guān)系。

(2)

式中Xs2、Ys2、Zs2是相機(jī)投影中心在硐室工程坐標(biāo)系D-X2Y2Z2下的坐標(biāo)，如圖5所示。

利用活動(dòng)控制架建立控制物方坐標(biāo)系D-X1Y1Z1如圖5所示；其中Y1過(guò)硐軸線，指向拍攝方向；X1垂直于Y1指向右硐壁；Z1豎直向上。其對(duì)應(yīng)的像空間輔助坐標(biāo)系為S-u1v1w1，其中S為投影中心，坐標(biāo)軸u1、v1、w1分別平行于物方空間坐標(biāo)系D-X1Y1Z1的X1、Y1、Z1軸。在物方空間坐標(biāo)系D-X1Y1Z1中利用活動(dòng)控制架的控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出影像外方位(Xs1，Ys1，Zs2，φ1，ω1，κ1)，并利用外方位的角元素及像點(diǎn)a(x，z)，根據(jù)公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出像點(diǎn)a的像空間輔助坐標(biāo)(u1，v1，w1)。

由圖4、圖5可知：(u1，v1，w1)與(u2，v2，w2)，(Xs1，Ys1，Zs1)與(Xs2，Ys2，Zs2)的關(guān)系為：

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

由(u1，v1，w1)及墻面目標(biāo)面的方程計(jì)算出λ，從而根據(jù)式(4)解出光線Sa和墻面目標(biāo)面的交點(diǎn)A在硐室工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(XA，YA，ZA)。

根據(jù)A在硐室工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(XA，YA，ZA)得出A點(diǎn)在目標(biāo)展示影像的像平面坐標(biāo)(物方實(shí)際尺寸)(CX，CY)的公式為：

CX=XA

(5)

確定原始像片上的任一像元點(diǎn)在目標(biāo)展示影像圖上的相應(yīng)位置；目標(biāo)展示影像像平面坐標(biāo)系O-CXCY如圖6所示，其中CX軸指向硐室的縱深方向，CY軸指向各墻面展開(kāi)的方向。

取出目標(biāo)展示影像上的任一像元點(diǎn)(CX，CY)，將像元點(diǎn)的坐標(biāo)(CX，CY)反算為硐室工程坐標(biāo)(XA，YA，ZA)。再由式(4)計(jì)算出該點(diǎn)的(u1，v1，w1)，最終根據(jù)公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出該點(diǎn)的像平面坐標(biāo)(x，z)，在原始影像上找到相應(yīng)的位置，通過(guò)線性插值取出灰度賦給目標(biāo)展示影像像點(diǎn)(CX，CY)。如此便得到單張糾正影像。

由于本文采取的拍攝方法是朝著硐軸方向，為了得到變形最小的影像，保證編錄精度，并不是將原始影像上的所有像點(diǎn)進(jìn)行糾正，而是只糾正一定范圍內(nèi)的像點(diǎn)。糾正范圍的確定是根據(jù)原始影像最外沿的像點(diǎn)，計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的硐室工程坐標(biāo)系中的物點(diǎn)坐標(biāo)(X2，Y2，Z2)，找出X2的最大值；只在X2+△X的寬度中進(jìn)行幾何糾正，△X由拍攝間距確定。

4.2影像鑲嵌

影像鑲嵌即將幾何校正后的多張影像局部展示圖自動(dòng)拼接成完整的硐室影像展示圖的影像處理過(guò)程。影像拼接的依據(jù)是正射影像展示圖的展示坐標(biāo)。由于影響展示精度的主要因素是拍攝距離及影像變形。拍攝距離越近、影像變形越小精度越好，因此影像拼接時(shí)采用用距離近的影像覆蓋距離遠(yuǎn)的影像，從而完成多張正射影像展示圖的鑲嵌。

5基于影像展示圖的編錄方法

平硐展示圖以影像形式客觀、詳盡、準(zhǔn)確地記錄了平硐地質(zhì)信息，像點(diǎn)與硐室的目標(biāo)柱面上物點(diǎn)之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，地質(zhì)編錄只需以影像展示圖為底圖描繪出構(gòu)造線，標(biāo)注應(yīng)用的產(chǎn)狀要素及巖層特性即可。

6精度分析及實(shí)驗(yàn)

6.1理論精度

(1)像點(diǎn)構(gòu)像精度

像點(diǎn)構(gòu)像精度主要取決于構(gòu)像畸變殘差及內(nèi)方位元素誤差，根據(jù)控制場(chǎng)檢測(cè)方法得出考慮構(gòu)像畸變殘差及內(nèi)方位元素誤差聯(lián)合影像，像點(diǎn)坐標(biāo)中誤差mx=my≈2像元。

(2)平硐影像展示圖的精度

以直墻硐壁為例，由式(4)可導(dǎo)出投影點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)中誤差：

(6)

設(shè)像平面坐標(biāo)為X=200，Y=200像素，根據(jù)上述外方位精度及式(6)，當(dāng)距離為 6 m時(shí)，最壞情況下mX=28 mm、mZ=23 mm滿足地質(zhì)編錄要求。

6.2實(shí)際試驗(yàn)精度

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)影像的構(gòu)象畸變校正、影像幾何糾正、影像增強(qiáng)及影像鑲嵌等得到的硐室展示影像圖如圖8所示。檢查點(diǎn)的精度如表1所示：

x均方差：7.629 mm；y均方差：0.75 mm；z均方差：3.820 mm。

7結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有攝影地質(zhì)編錄方法處理平硐工作量大、效率不高的缺點(diǎn)，提出了基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該方法方便可行，且精度達(dá)到施工地質(zhì)編錄要求，實(shí)現(xiàn)了平硐的快速攝影地質(zhì)編錄，提高平硐的攝影地質(zhì)編錄效率。為了更好地提高平硐攝影地質(zhì)編錄效率，筆者將研究實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的自動(dòng)提取及使用攝影的方式獲取原始影像。

參考文獻(xiàn)

[1]李浩，張友靜，華錫生. 硐室攝影地質(zhì)編錄原理及其精度[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(6)：578～581.

[2]楊朝輝，李浩. 洞室數(shù)字正射影像展示圖的生成[J]. 測(cè)繪信息與工程，2003，28(3)：16～18.

[3]李浩，張友靜，華錫生等. 硐室數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄及其基本算法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，29(9)：805～808.

[4]張友靜，李浩，劉新中. 攝影地質(zhì)快速編錄的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，3：36～38.

[5]楊立君，李浩. 數(shù)字地質(zhì)編錄中坡面展示影像圖的制作研究[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪，2004，27(6)：33～35.

[6]劉新中，李浩. 施工地質(zhì)數(shù)碼影像編錄系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2005，4：93～96.

[7]王明華. 復(fù)雜硐室地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2007.

[8]楊彪. 基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 南京：河海大學(xué)，2004.

Making Orthographic Image of Underground Chamber Based on Common Digital Imaging

He Yanlan1，Li Hao2，Chen Xinxi3

(1.College of Civil Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.HoHai University，Nanjing 210098，China；3.Shanghai ocean engineering survey and Design Research Institute，Shanghai 200137，China)

Key words：photo geologic logging；high-precision control tripod orthographic image；underground chamber

Abstract：Using existing methods of geologic logging in underground chamber bring hard and inefficient work， so we independently developed a high-precision control tripod. Based on the high-precision control tripod， we research the methods of making orthographic image of underground chamber. Simulation experiments prove this method is efficient， convenient and its’ precision satisfied geologic logging’s request.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-101-04

中圖分類(lèi)號(hào)：P624.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

*收稿日期：2016—02—18

作者簡(jiǎn)介：何燕蘭(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事攝影測(cè)量及地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。