CN101038158A - 大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，包括以下步骤：先在岩石表面画出测量网格，任意两个相邻的测量网格之间设有重叠区域；在每个重叠区域内设置至少3个不共线的固定特征点；用形貌仪对其中一个测量网格进行测量；移动形貌仪位置，对相邻的一个测量网格进行测量；利用特征点将相邻测量网格中的数据转换到相同的坐标系中，从而使相邻两个测量网格的数据自动拼接在一起；对所有网格逐一测量，最终得到整个岩石表面的三维形貌数据。这种测量方法不需要设置固定的基准线，因此使用更加方便；每次的测量基准是变化的，不会受到形貌仪量程的限制。

Description

大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法

技术领域

本发明涉及一种岩石表面形貌的测量方法。

背景技术

对岩石表面形貌进行现场测量时，岩石的尺寸一般较大，由于表面形貌仪长度和高度的量程是一定的，所以在现场测量较大的岩石表面时，就需要分段测量。分段测量时，要有一条固定的基准线，在现场固定一条基准线是较困难的，而且当表面形貌起伏太大时，会超过形貌仪的高度量程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，使用该方法不需要设置固定的基准线就可以对大尺寸岩石表面进行分区测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，包括以下步骤：

一、先量好岩石表面的产状，然后在岩石表面上沿预定方向(一般为倾向或走向)画出测量网格，测量网格的面积应小于形貌仪最大有效测量面积，任意两个相邻的测量网格之间设有重叠区域；

二、在每个重叠区域内设置至少3个不共线的固定特征点；

三、用形貌仪对其中一个测量网格进行测量，并记录测量数据；

四、移动形貌仪位置，对相邻的一个测量网格进行测量，并记录测量数据；

五、将几个特征点在步骤四中测得的坐标转换到跟步骤三中的完全一致，进而将步骤四中的所有数据转换到与步骤三相同的坐标系中，从而使两个测量网格的数据自动拼接在一起；

六、重复步骤四至五，将所有测量网格的数据进行测量拼接，得到整个岩石表面的三维形貌数据。

为了便于确定特征点的圆心位置，特征点的形状为外方内圆。为了便于识别，特征点的颜色为外黑内白。

本发明采用分块重叠测量的方法，利用重叠区域内的特征点来实现测量数据的坐标转换，将相邻两次测量之间的数据统一到同一个坐标系中，从而实现相邻区域数据的拼接，最终将所有区域的数据都拼接在一起，实现对大尺寸岩石表面三维形貌的测量。这种测量方法不需要设置固定的基准线，因此使用更加方便；每次的测量基准是变化的，不会受到形貌仪量程的限制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的测量原理示意图。

图2是本发明测量方法的分区域测量示意图。

图3是本发明的测量网格多次拼接的示意图。

图4是一种坐标转换的方法示意图。

具体实施方式

先对本发明的测量原理加以说明：本发明中采用的特征点自动拼接技术，是在要分块测量岩石表面的相邻两块先设置一个公共区域，在区域内设置至少3个、不共线的特征点。在不同的空间下测量，得到两个特征点的间距是相同的，故利用空间坐标变换，将两次测量的结果归结到一个坐标系下。利用该方法，可以对大面积的岩石表面进行多次测量，将测量结果拼接，获得整个面的形貌特征。

为方便特征点的提取，特征点被设计成外方内圆、外黑内白的样式，仪器在扫描时通过识别黑白相交的边界判断圆心位置。设置特征点时应尽量使特征点位于两个视角的重叠区域，并且特征点处于无序状态，随机分布。

如图1、图2所示，当岩石表面大于形貌仪的有效测量面积时，为了保证平面的测试质量，将被测曲面S(x，y，z)分成两个区域S₁(x₁，y₁，z₁)和S₂(x₂，y₂，z₂)进行分块测量。在测量区域1时，测量系统在位置点A，参考坐标系的状态为o₁x₁y₁z₁；在测量区域2时，测量系统在位置B点，参考坐标系的状态为o₂x₂y₂z₂。测量完成后，曲面S(x，y，z)在oxyz坐标系中被离散为分别对应于S1和S2的两组互不相关的数据点集，记为P1和P2，它们都包含对应于公共区域的测量点集，记为Pc。

为了实现坐标归一化，就必须在测量系统中变换o₂x₂y₂z₂，使之与o₁x₁y₁z₁完全重合，就可实现P1与P2的拼接。三维坐标系o₁x₁y₁z₁与o₂x₂y₂z₂之间的位置关系可以用一个3×3的旋转矩阵R和平移向量T表示，即

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]+T=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{122}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]---\left(1\right)$

如果知道了R和T的值，就可以利用公式(1)将坐标系o₂x₂y₂z₂进行旋转和平移，转化为o₁x₁y₁z₁坐标系，所以三维拼接的实质就是求取测量装置在不同测量位置时，各坐标系与基准坐标系之间的位置变换关系R和T，知道了R和T，就能将各块测量的数据转换到同一个坐标系下，实现拼接任务了。

特征点拼接原理如图2所示，人工设定拼接特征点的拼接方法要求相邻的两个拼接区域必须有共同的重合区域，要求在区域1和区域2重合区域上布置一系列的拼接特征点A、B、C、D等。通过三维坐标测量，可以得出这些特征点在两次测量中的坐标值。从特征点序列中任取3个不共线的特征点A、B和C，利用它们的坐标值进行变换，使它们对应重合，就能够完成区域1和2的拼接。设A、B、C这3个特征点在区域1和2中所对应的坐标值分别为：(P_1a，P_1b，P_1c)，(P_1a，P_2b，P_2c)，则变换过程可分解为：

(1)固定{P_1i(x，y，z)}，平移{P_2i(x，y，z)}，使得点P_2a和P_1a重合；

(2)再使{P_2i(x，y，z)}绕点P_2a旋转，使得P_2b和P_1b重合；

(3)再使{P_2i(x，y，z)}绕点P_2a P_2b旋转，使得P_2c和P_1c重合；

通过上述变换，就可以将P_1a和P_1a，P_2b和P_2b，P_1c和P_2c对应重合了，将以上变换过程复合，就能够得出o₁x₁y₁z₁与o₂x₂y₂z₂之间的位置关系R和T了。在实际测量中，由于测量过程中各种因素的影响，同一特征点分次测量识别时会产生定位误差，因此对同一特征点在分区域测量时，特征点对之间会产生相对误差，造成拼接误差。为减少拼接误差，通常在公共测量区域布置4个或4个以上的拼接特征点。通过多次计算，降低因拼接点的测量误差带来的拼接误差。

下面对本发明的测量步骤进一步说明。

如图3所示，测量前，先量好岩石表面的产状，然后在岩石表面上沿预定方向(一般为倾向或走向)画出测量网格A1，A2，A3……，测量网格的面积应小于形貌仪最大有效测量面积。任意相邻的两个测量网格A1和A2之间、A1和A5之间都留有公共的重叠区域(如图3中的阴影部分所示)，在重叠区域内安放特征点，特征点个数应大于等于3，要求在测量过程中特征点的位置不能改变。用形貌仪对A1进行测量，在已有A1数据的基础上，移动形貌仪位置，对A2进行测量，首先寻找几个特征点圆心坐标，将几个特征点第二次测量数据的坐标系转换到跟第一次完全一致，即初始化第二次测量的坐标系；测量完毕，数据自动拼接到已有的A1数据上。重复上述的步骤至将所有测量网格的数据进行测量拼接，得到整个岩石表面的三维形貌数据。

本发明中所用到的特征点的坐标转换方法属于公知的数学变换方法，为了更清楚起见，对这种坐标变换方法补充说明如下：

如图4所示，空间坐标系OXYZ中一点P(X，Y，Z)，转换到新坐标系O″X″Y″Z″中，其坐标变化为P(x″，y″，z″)。

坐标系O′X′Y′Z′与坐标系OXYZ原点位置相同，坐标系O′X′Y′Z′与坐标系O″X″Y″Z″，坐标轴存在以下关系：O′X′//O″X″，O′Y//O″Y″，O′Z′//O″Z″。故从坐标系OXYZ转换到坐标系O″X″Y″Z″中，包含两个过程：先从坐标系OXYZ向O′X′Y′Z′转换，再从坐标系O′X′Y′Z′向O″X″Y″Z″转换。

(1)、坐标系OXYZ向O′X′Y′Z′转换

坐标系O′X′Y′Z′与坐标系OXYZ原点位置O与O′相同，故整个转换过程为坐标系旋转。直角坐标系中的坐标旋转较为复杂，步骤繁琐，故将其转换到极坐标下。

设有某向量P(x₀，y₀，z₀)，OP长度为r，OP与z轴的夹角为，OP在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ，故P点坐标可以表示为：

                        x₀＝r·sin·cosθ

                        y₀＝r·sin·sinθ    (1)

                        z₀＝r·cos

坐标系旋转以后，坐标系OXYZ转变为新坐标系O′X′Y′Z′，该向量的新坐标为P(x₀′，y₀′，z₀′)。旋转后，O′P′的长度不变，仍为r，O′P′与z′轴的夹角为+Δ，O′P′在X′O′Y′平面的投影与X′轴的夹角为θ+Δθ，故P′点坐标可以表示为：

                      x₀′＝r·sin(+Δ)·cos(θ+Δθ)

                      y₀′＝r·sin(+Δ)·sin(θ+Δθ)  (2)

                      z₀′＝r·cos(+Δ)

故只需知道Δ，Δθ的值，就可以知道旋转坐标系后P点的坐标值。

(2)、坐标系O′X′Y′Z′向O″X″Y″Z″转换

O′X′YZ′和O″X″Y″Z″的坐标轴相互平行，故只需计算由于原点位置不同造成的平移，有：

                     x₀″＝x₀′+u

                     y₀″＝y₀′+v  (3)

                     z₀″＝z₀′+h

联立两次坐标系的转换，可以OXYZ坐标系中一点P在O″X″Y″Z″坐标系中的坐标值。

                       x₀″＝r·sin(+Δ)·cos(θ+Δθ)+u

                       y₀″＝r·sin(+Δ)·sin(θ+Δθ)+v    (4)

                       z₀″＝r·cos(+Δ)+h

式中的Δ、Δθ、u、v、h在坐标旋转前为已知参数。

Claims (3)

1.一种大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，其特征是包括以下步骤：

一、先量好岩石表面的产状，然后在岩石表面上沿预定方向(一般为倾向或走向)画出测量网格，测量网格的面积应小于形貌仪最大有效测量面积，任意两个相邻的测量网格之间设有重叠区域；

二、在每个重叠区域内设置至少3个不共线的固定特征点；

三、用形貌仪对其中一个测量网格进行测量，并记录测量数据；

四、移动形貌仪位置，对相邻的一个测量网格进行测量，并记录测量数据；

五、将几个特征点在步骤四中测得的坐标转换到跟步骤三中的完全一致，进而将步骤四中的所有数据转换到与步骤三相同的坐标系中，从而使两个测量网格的数据自动拼接在一起；

六、重复步骤四至五，将所有测量网格的数据进行测量拼接，得到整个岩石表面的三维形貌数据。

2.根据权利要求1所述的大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，其特征是：所述特征点的形状为外方内圆。

3.根据权利要求2所述的大尺寸岩石表面三维形貌的测量方法，其特征是：所述特征点的颜色为外黑内白。

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