CN103759713B - 一种基于全景影像的危岩落石调查方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全景影像的危岩落石调查方法，布设控制点，获取工点的全景影像，结合各个控制点的真实坐标，计算全景影像在工程坐标系下的姿态参数以及单位球心位置进行全景影像定向；结合工点的数字高程模型建立全景影像可量测的三维可视化环境得到具有地理参考的三维全景影像；识别危岩落石并提取危岩落石信息。本发明通过获取工程建设区域的全景影像，在高精度数模的支持下建立了数字化的危岩落石三维解译环境，改进了危岩落石遥感解译方法，准确高效的确定危岩落石的分布范围、规模大小、空间形态和位置。通过三门峡至荆门段煤运通道和新疆巴伦台至伊尔根等铁路工程的实际应用，证明本发明方法行之有效。

Description

一种基于全景影像的危岩落石调查方法

技术领域

本发明涉及一种危岩落石调查方法，具体涉及一种基于全景影像的三维危岩落石调查、信息提取方法。

背景技术

危岩落石是山区重要的地质灾害之一，具有灾害点多、分布面广、突发性强、难以预测等特点。在山区铁路、公路工程项目建设中，危岩落石调查是工程勘察的一项重要内容，同时既有铁路、公路路堑边坡也需定期进行危岩落石的调查。通过危岩落石调查，确定线路附近危岩落石的分布位置、规模及对工程危害影响大小。

传统危岩落石调查方法以人工调查为主辅以航、卫片解译，该方法存在外业工作量大、效率低、精度差、安全隐患大等缺点；传统遥感解译是在二维平面解译，解译成果需多次转绘，解译精度较低，难以满足对工程建设质量、安全和效率要求不断提高的需要。

本单位原有基于通过机载激光雷达实现危岩落石信息的提取、量化分析与危险性评估，通过机载激光雷达扫描精确获取覆盖工程所在区域的三维点云与影像，通过激光点云数据处理等步骤并建立数据库；激光点云和数码影像之间的交互处理步骤较为繁琐，数据处理量大。

发明内容：

发明提供一种利用工程建设区域的全景影像在高精度数模的支持下，实现危岩落石三维调查的一种方法。克服了传统调查方法存在的缺点，且有效提高了勘察效率和精度。基于全景影像的三维危岩落石调查方法是直接利用高分辨率的数码成像设备对工作区进行水平和垂直两个方向的旋转拍摄，通过全景拼接合成一幅包含全部场景的影像，再经过全景影像的定向、建模，实现数字高程模型下的全景影像三维浏览、量测、矢量提取以及危岩落石的信息提取，成果可直接成图，将提取的危岩落石信息如边界、尺寸、类型等信息展绘到地形图上，无需人工转绘，并生成危岩落石设计处置横断面。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于方法包括如下步骤：(1)根据现有的工程勘察资料确定工程沿线含有危岩落石的区域作为工点；(2)在工点布设控制点，并获取工点的影像；(3)拼接影像得到工点的全景影像；(4)全景影像定向：求解全景影像在工程坐标系下的单位球心位置及姿态参数；(5)建立全景影像可量测的三维可视化环境：建立工点的数字高程模型DEM；依据姿态参数及单位球心位置绘制单位球；先将全景影像映射并绘制到单位球上得到全景单位球，然后将数字高程模型DEM和全景影像单位球在三维环境中绘出，并将视点中心设置在单位球中心，得到全景影像可量测的三维可视化环境；(6)识别并提取危岩落石信息：基于步骤(5)建立的全景影像可量测的三维可视化环境识别危岩落石，然后依据如下的方法提取危岩落石信息：通过全景影像可量测的三维可视化环境中全景单位球和数字高程模型DEM间的几何关系，解算待测目标点位置；(7)提取步骤(6)所识别的各个危岩落石所在位置的横断面线，并将危岩落石信息标注于输出的横断面线上。

较佳地，步骤(2)中控制点均匀分布于工点，其在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)，通过无合作目标全站仪进行测量，量测精度高于5cm；利用数码成像设备对工点在水平和垂直两个方向旋转拍摄序列影像，各序列影像间具有20%以上的重叠度，影像分辨率应高于5cm。

较佳地，步骤(4)的具体步骤为：(41)依据步骤(2)中布设的控制点在全景影像上的像素坐标(u,v)，通过单位球体的三维结构模拟球面全景影像依据公式转换为球面极坐标式中dx为单位球面全景影像的纵向像素数，dy为球面全景影像的横向像素数；(42)将步骤(41)所得的单位球面的球面极坐标依据公式转换为三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；(43)根据步骤(2)所设定的控制点求解全景影像的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)，具体方法为：将控制点在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)、步骤(41)所得的控制点在单位球面上的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)及单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)三点共线，得到关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 式中R为旋转矩阵具体形式为将上述关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$ 用泰勒级数展开成线性形式，根据步骤(2)所布设的三个以上控制点利用最小二乘法求解出全景影像的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)。

较佳地，步骤(5)的具体步骤为：(51)建立工点区域的数字高程模型DEM，数字高程模型DEM通过激光扫描点云或地形图三维等高线方式内插得到；(52)建立全景影像可量测的三维可视化环境：在三维场景中以步骤(4)所得的全景影像单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)为球心，姿态参数为球的姿态绘制一个单位球，将经定向的全景影像映射到单位球，得到全景单位球；然后将数字高程模型DEM和全景影像单位球在三维环境中绘出，并将视点中心设置在单位球中心，得到全景影像可量测的三维可视化环境；

较佳地，步骤(6)的具体步骤为：(61)建立遥感解译标志：在步骤(5)建立的全景影像可量测的三维可视化环境中建立遥感解译标志，遥感解译标志包括危岩、落石、节理裂隙构造、地层岩性；(62)识别危岩落石：根据所建立的遥感解译标志从全景影像可量测的三维可视化环境中通过人工或人机交互的方式识别危岩落石；(63)提取危岩落石信息：提取危岩落石信息的具体方法如下：通过全景影像可量测的三维可视化环境获取待测目标点位置的球面极坐标计算出其三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；根据目标点位置的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)和全景单位球球心位置坐标(X_c,Y_c,Z_c)建立空间直线方程，将空间直线方程与数字高程模型DEM求交得到待测目标点的三维坐标；危岩落石信息包括地层岩性信息、节理裂隙发育程度、裂隙类型、延伸长度、危岩落石的边界；量测危岩落石的尺寸；将所提取的危岩落石信息展绘到地形图上。

较佳地，步骤(7)的具体步骤为：(71)依次计算各个危岩落石所在横断面的横断面线直线方程；(72)各个横断面线直线方程所表示的横断面线与数字高程模型DEM的水平、竖直格网交点的三维坐标；(73)将各个三维坐标输出形成横断面线的线条图形，即提取了横断面；(74)将步骤(6)所得的各个危岩落石信息标注于对应的步骤(73)所得的各个横断面线上。

与现有技术相比，本发明的方法通过在工程区域工点布设控制点并获取工点的全景影像，结合工点的数字高程模型建立全景影像可量测的三维可视化环境，基于带有地理参考的三维全景影像识别危岩落石，利用带有地理参考的三维全景影像实现危岩落石信息的提取、量化分析，具有如下效果：

第一，在危岩落石工程地质信息解译过程中，实现了从二维平面到三维立体环境的转变，可方便进行信息的检索和提取工作，提高了遥感解译效率。

第二，在危岩落石信息解译过程中，实现了全数字化的解译环境。该环境下可进行多尺度解译，立体可放大、缩小，解译成果可直接展绘，无需转绘提高了遥感解译成果的效率和精度。

第三，无需调查人员攀爬陡峭的山坡，保证了调查人员的人身安全和运营线路的安全。同时将大量的野外调查工作转化成室内解译工作，大大降低了劳动强度，有效提高了工程勘察效率。

本发明通过获取工程建设区域的全景影像，在数字高程模型的支持下，利用全景影像实现危岩落石信息的提取、量化分析，提供了一种基于全景影像的山地灾害勘察新方法。针对数字摄影的全景影像，通过建模，建立了数字化的危岩落石三维解译环境，改进了危岩落石遥感解译方法，准确高效的确定危岩落石的分布范围、规模大小、空间形态和位置，实现危岩落石的三维遥感识别、信息提取，代替人工调查，极大的降低了野外工作量，大大缩短了调查周期，具有显著的经济效益和社会效益。通过三门峡至荆门段煤运通道和新疆巴伦台至伊尔根等铁路工程的实际应用，证明本发明方法行之有效。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图

图2为本发明实施例建立具有地理参考的三维全景影像示意图

图3为本发明实施例提取危岩落石结果示意图1

图4为本发明实施例提取危岩落石结果示意图2

图5为本发明实施例提取危岩落信息横断面线示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明实施例的方法包括如下步骤：

第一步，根据现有的工程勘察资料确定工程沿线含有危岩落石的区域作为工点；利用工程勘察资料确定危岩落石在工程中的大致分布位置，在地形图上圈定含有危岩落石的范围作为危岩落石工点；这里可参考的资料主要包括：工程预可行性研究、可行性研究、初步设计等阶段收集的航、卫片，工程技术人员现场踏勘和调查成果。

第二步，在前述步骤确定的工点中布设控制点并获取所述工点的影像，具体步骤如下：

(21)在工点布设至少三个控制点并测量，布设控制点的主要要求为：尽可能采用定制的专用标志，在无法布设专用标志的情况下可采用明显点作为控制点；控制点应均匀分布在工点区域，并保证控制点在全景影像中清晰可辨；

(22)对各个控制点采用无合作目标全站仪进行测量获得其在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)，测量精度应高于5cm。

(23)获取工点的影像：采用数码成像设备拍摄相片，选择视野开阔，能看清工点危岩落石全貌的地点作为摄站获取全景影像。在摄站上首先架设三脚架，将三脚架调整到合适的高度，并保证其稳定，调节脚管的长度，使云台处于水平状态，并且保证整个拍摄过程中三脚架不能有任何移动。调节相机快门、光圈和ISO组合，获得合适的曝光。尽量使用小光圈，以形成大景深效果。设置镜头的对焦模式为手动对焦，对焦到无穷远。

为了保证后续拼接全景影像的全面性和准确性，相机镜头对准危岩落石工点在水平和垂直两个方向旋转拍摄序列影像，需保证影像间具有20%以上的重叠度，影像分辨率应高于5cm。

第三步，拼接上一步所采集到的影像得到工点处的全景影像。

首先要调节相片，为了实现后续的基于全景影像的高精度量测，需要对相机进行检校。相机检校需要在专业的检校场中进行检定。检校的结果为相机的内参数，主要包括主距f，像主点坐标x0、y0，镜头的径向畸变参数k1、k2，非径向畸变参数P1、P2。相机检校完成后利用成像模型和检校得到的相机内参数对拍摄的相片进行重采样，从而得到理想的成像相片。

拼接相片，拼接相片需借助专业的全景拼接软件进行，主要有Photoshop、CanonPhotoStitch、GigaPanStitch等软件。全景拼接的过程为：导入相片；排列相片；设置拼接参数，拼接相片；导出并保存拼接后的全景影像，即得到工点的全景影像。

第四步，全景影像定向，依据各个控制点在全景影像上的像素坐标计算出各个控制点在单位球中的三维直角坐标，结合各个控制点的真实坐标，计算全景影像在工程坐标系下的姿态参数以及单位球心位置，具体步骤如下：

(41)依据第二步中布设的控制点在全景图上的像素坐标(u,v)，通过单位球体的三维结构模拟球面全景影像依据公式转换为球面极坐标式中dx为单位球面全景影像的纵向像素数，dy为球面全景影像的横向像素数；

(42)将单位球面的球面极坐标依据公式转换为三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；

(43)根据第二步所设定的控制点求解全景图的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)，具体方法为：将所述控制点在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)、步骤(31)所得的控制点在单位球面上的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)及单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)三点共线，得到关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 式中R为旋转矩阵具体形式为

将上述关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$ 用泰勒级数展开成线性形式，根据第二步所布设的三个以上控制点利用最小二乘法求解出全景影像的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)。

第五步，建立全景影像可量测的三维可视化环境，具体步骤如下：

(51)建立工点的数字高程模型DEM，数字高程模型可以通过激光扫描点云、地形图三维等高线等方式内插得到。

如果对工点进行过激光扫描，可以通过激光扫描点云内插数字高程模型，具体方法是：对激光扫描点云进行分类，滤除点云中的植被和地物点，保留地面点；利用TerraScan软件基于分类后保留的地面点内插数字高程模型。

如果没有对工点进行过激光扫描，可以通过工点的1:2000数字地形图内插数字高程模型，具体方法是：从1:2000数字地形图中提取出等高线和高程点；将等高线的节点和高程点的三维坐标导出为文本格式的散点；利用TerraScan软件基于导出的散点内插数字高程模型。

(52)建立全景影像可量测的三维可视化环境，具体方法是：利用openGL或OSG等三维引擎建立三维场景；在三维场景中以第二步所得的全景影像球心位置(X_c,Y_c,Z_c)为球心，姿态参数为球的姿态绘制一个单位球，将经定向的全景影像映射到所绘制的单位球得到全景单位球；并将所建立的数字高程模型DEM和所述全景单位球在三维场景中同时绘出，如图2所示得到全景影像可测量的的三维可视化环境，这个全景影像可量测的三维可视化环境具有地理参考信息，将视点固定在单位球的球心处，进行全景图的浏览。

第六步，基于全景影像可量测的三维可视化环境识别危岩落石并提取危岩落石信息，具体步骤如下：

(61)建立遥感解译标志：在第四步建立的全景影像可量测的三维可视化环境中建立遥感解译标志，所述遥感解译标志包括危岩、落石、节理裂隙构造、地层岩性；如危岩落石多发生在裸露的基岩区，植被不发育，故在全景影像上色调多较浅，亮度值较高；其中落石影像上多呈块、粒状，且具阴影；同时危岩因节理裂隙较发育，表面不平，具粗糙感。

(62)识别危岩落石，在第五步所建立的全景影像可量测的三维可视化环境中根据所建立的遥感解译标志通过人工或人机交互识别危岩落石。

危岩落石应当满足下列条件：裸露的基岩区，植被不发育，且坡度陡峻，上陡下缓，坡面不平整；岩体节理、裂隙发育，结构面多张开，且存在深而陡的、平行于坡面的张裂隙；与母岩即将发生分离并对工程、生命财产构成威胁的岩块或为已与母岩分离的岩石。

(63)提取危岩落石信息：通过以下方法从全景影像可量测的三维可视化环境中提取步骤(62)所识别的危岩落石信息：

基于步骤(52)建立的全景影像可量测的三维可视化环境进行三维量测，具体方法是：当需要在全景影像上测量时，将鼠标移动到待测目标点位置，通过全景影像可量测的三维可视化环境获取待测目标点位置的球面极坐标利用公式计算出其三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；根据目标点位置的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)和全景影像单位球心位置坐标(X_c,Y_c,Z_c)建立空间直线方程将所述空间直线方程与数字高程模型DEM求交得到待测目标点的三维坐标(X,Y,Z)；

当进行危岩落石边界圈定时，以单点量测方法依次测量危岩落石边界的各个拐点，将拐点组成三维多段线，保存或导出该三维多段线即为危岩落石边界。

所提取的危岩落石信息主要包括地层岩性信息，节理裂隙发育程度、裂隙类型（即张节理和剪节理）和延伸长度等信息，危岩落石的边界等，量测危岩落石的尺寸，并将提取的危岩落石信息（边界、尺寸、类型等）展绘到地形图上。

第七步，危岩落石信息提取完成后，为了方便对危岩落石进行处置设计需要提取横断面线。提取处置设计所需的横断面线的步骤如下：

(71)依次计算各个危岩落石所在横断面的横断面线直线方程，给定某个危岩落石所在处要切取的横断面的中桩坐标及断面线上除中桩外任意一点坐标，计算横断面线的方位角，利用方位角和中桩坐标，根据点斜式公式：y=kx+b，式中k为斜率，b为截距，x、y为平面坐标，得到横断面线的直线方程。

(72)计算各个横断面线直线方程所表示的横断面线与数字高程模型DEM的水平、竖直格网交点的三维坐标；按左右各一定长度计算横断面直线段与数字高程模型DEM的水平、竖直格网各个交点的三维坐标，将交点三维坐标按顺序排列，形成横断面坐标点列，将各个三维坐标点列输出形成横断面线的线条图形，即完成了横断面的提取；

(73)将提取的危岩落石因子信息标注在提取的横断面线上，供设计处理用。图5是带有危岩落石信息的横断面线示例。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

(1)根据现有的工程勘察资料确定工程沿线含有危岩落石的区域作为工点；

(2)在所述工点布设控制点，并获取所述工点的影像；

(3)拼接所述影像得到所述工点的全景影像；

(4)全景影像定向：求解所述全景影像在工程坐标系下的单位球心位置及姿态参数，具体步骤为：

(41)依据所述步骤(2)中布设的控制点在所述全景影像上的像素坐标(u,v)，通过单位球体的三维结构模拟球面全景影像依据公式转换为球面极坐标式中dx为单位球面全景影像的纵向像素数，dy为球面全景影像的横向像素数；

(42)将所述步骤(41)所得的单位球面的球面极坐标依据公式转换为三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；

(43)根据所述步骤(2)所设定的控制点求解所述全景影像的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)，具体方法为：将所述控制点在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)、所述步骤(41)所得的控制点在单位球面上的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)及单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)三点共线，得到关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 式中R为旋转矩阵具体形式为

将上述关系式 $\left[\begin{array}{c}X-X_c\\ Y-Y_c\\ Z-Z_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 用泰勒级数展开成线性形式，根据所述步骤(2)所布设的三个以上控制点利用最小二乘法求解出全景影像的姿态参数和单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)；

(5)建立全景影像可量测的三维可视化环境：建立所述工点的数字高程模型DEM；依据所述姿态参数及所述单位球心位置绘制单位球；先将所述全景影像映射并绘制到单位球上得到全景单位球，然后将所述数字高程模型DEM和所述全景影像单位球在三维环境中绘出，并将视点中心设置在单位球中心，得到全景影像可量测的三维可视化环境；

(6)识别并提取危岩落石信息：基于步骤(5)建立的全景影像可量测的三维可视化环境识别危岩落石，然后依据如下的方法提取危岩落石信息：通过所述全景影像可量测的三维可视化环境中所述全景单位球和所述数字高程模型DEM间的几何关系，解算待测目标点位置；

(7)提取步骤(6)所识别的各个危岩落石所在位置的横断面线，并将危岩落石信息标注于输出的横断面线上。

2.根据权利要求1所述的一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(2)中控制点均匀分布于工点，其在工程坐标系下的真实坐标(X,Y,Z)，通过无合作目标全站仪进行测量，量测精度高于5cm；利用数码成像设备对所述工点在水平和垂直两个方向旋转拍摄序列影像，各序列影像间具有20％以上的重叠度，影像分辨率应高于5cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(5)的具体步骤为：

(51)建立所述工点区域的数字高程模型DEM，所述数字高程模型DEM通过激光扫描点云或地形图三维等高线方式内插得到；

(52)建立全景影像可量测的三维可视化环境：在三维场景中以步骤(4)所得的全景影像单位球心位置(X_c,Y_c,Z_c)为球心，姿态参数为球的姿态绘制一个单位球，将经定向的全景影像映射到所述单位球，得到所述全景单位球；然后将所述数字高程模型DEM和所述全景影像单位球在三维环境中绘出，并将视点中心设置在单位球中心，得到全景影像可量测的三维可视化环境；

4.根据权利要求1所述的一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(6)的具体步骤为：

(61)建立遥感解译标志：在步骤(5)建立的全景影像可量测的三维可视化环境中建立遥感解译标志，所述遥感解译标志包括危岩、落石、节理裂隙构造、地层岩性；

(62)识别危岩落石：根据所建立的遥感解译标志从全景影像可量测的三维可视化环境中通过人工或人机交互的方式识别危岩落石；

(63)提取危岩落石信息：所述提取危岩落石信息的具体方法如下：通过全景影像可量测的三维可视化环境获取待测目标点位置的球面极坐标计算出其三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)；根据目标点位置的三维直角坐标(x₀,y₀,z₀)和所述全景单位球球心位置坐标(X_c,Y_c,Z_c)建立空间直线方程，将所述空间直线方程与数字高程模型DEM求交得到待测目标点的三维坐标；

所述危岩落石信息包括地层岩性信息、节理裂隙发育程度、裂隙类型、延伸长度、危岩落石的边界；量测危岩落石的尺寸；将所提取的危岩落石信息展绘到地形图上。

5.根据权利要求1所述的一种基于全景影像的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(7)的具体步骤为：

(71)依次计算各个危岩落石所在横断面的横断面线直线方程；

(72)各个横断面线直线方程所表示的横断面线与数字高程模型DEM的水平、竖直格网交点的三维坐标；

(73)将各个所述三维坐标输出形成横断面线的线条图形，即提取了横断面；

(74)将步骤(6)所得的各个危岩落石信息标注于对应的所述步骤(73)所得的各个横断面线上。