CN109738440A - 一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，包括：在岩体露头或岩体开挖面上布置一个标靶，使用手机内置电子罗盘测量其产状；利用智能手机对待测量的岩体进行人工移动拍照；将获取的手机照片导入专业摄影测量软件生成三维岩体点云模型；基于标靶产状进行标定，得到相机坐标系与世界坐标系的转换矩阵；采用RANSAC算法提取岩体结构面，获取相机坐标系下结构面单位法向矢量；采用转换矩阵得到世界坐标系下结构面的单位法向矢量，从而计算得到结构面的产状。本发明方法适用于天然岩体露头及边坡、地下隧洞开挖面的岩体结构面测量，其优点是：现场操作简便易行，对复杂场地的适应性强。

Description

一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法

技术领域

本发明属于工程地质测量技术领域，具体涉及一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法。

背景技术

岩体工程的稳定性主要受结构面控制，正确测量岩体的结构面产状对于建立岩体工程地质模型、开展岩体工程稳定性评价与指导支护设计具有重要意义。

传统岩体结构面产状的测量主要有三类方法。

第一类方法是接触式人工测量，这种方法是利用地质罗盘近距离直接测量结构面的产状。由于岩体露头范围大，特别是对于高位岩体，测量人员往往很难到达测量位置，另一方面，对于一些危岩体，对人身危险性较大，不宜近距离开展接触测量。此外，人工接触测量耗时长，效率低，受主观影响大。

第二类方法是非接触式摄影测量技术，采用相机按照一定的要求对被测对象连续拍摄图像，同时使用全站仪或GPS测量一定数量的控制点(3个以上)，通过控制点坐标来标定摄影测量得到的点云坐标，测量过程中需要使用照相机和全站仪等多个仪器配合，从而导致现场测量操作复杂，效率低下。

第三类方法是使用三维激光扫描技术，利用激光扫描仪获取测量岩体的三维点云数据，由于测量得到的点云数据是相对坐标，该方法同样需要使用全站仪或GPS测量一定的控制点，再实现点云数据从相对坐标到世界坐标的转换。由于激光扫描仪造价比较高，仪器笨重，还需要配合全站仪使用，从而导致现场测量操作复杂，实施困难。

结合上述三类方法存在的不足之处，寻求一种简易、轻便的岩体结构面产状测量方法就显得很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，能够测量难以近距离接触的结构面产状，克服了传统方法仪器笨重、需要多个仪器配合、高位岩体接触困难的弊端，为正确认识地质构造提供依据。

本发明的原理在于：在边坡岩体露头面或开挖面上放置一个矩形标靶，使得标靶一条边保持水平，采用手机进行非接触移动拍摄，将获取的照片导入摄影测量软件中建立岩体三维点云模型；采用RANSAC算法提取岩体结构面，获取相机坐标系下结构面单位法向矢量；同时利用标靶产状得到相机坐标系与世界坐标系的转换矩阵；基于转换矩阵得到世界坐标系下结构面的单位法向矢量，从而计算得到结构面的产状。

一种边坡岩体结构面产状测量方法，包括如下步骤：

1)在待测量岩体露头或开挖面上布设一个标靶，使得标靶的一条边保持水平，利用手机内置的电子罗盘测量标靶面的产状，记录其倾向和倾角；

2)对待测量岩体进行拍照，并确保两幅照片之间达到一定的重叠率，且拍摄的照片中含有标靶；

3)将拍摄获取的照片导入专业的摄影测量软件，生成基于相机坐标系的三维岩体点云模型；

4)在三维岩体点云模型中找到标靶，提取标靶面三个角点A，B，C的坐标，运用关系式1计算向量AB与向量AC的单位矢量ab和ac，运用关系式2计算标靶面单位法向矢量ad；

关系式1为：

关系式2为：

ad＝ab×ac

关系式1和关系式2中，x_A、y_A、z_A为点A的坐标，x_B、y_B、z_B为点B的坐标，x_C、y_C、z_C为点C的坐标；

5)根据罗盘测量得到的标靶面产状，运用关系式3计算世界坐标系三个轴的单位矢量ox、oy、oz，其中ox、oy轴分别和正东、正北方向保持一致，oz轴竖直向上；

关系式3为：

关系式3中，α₀为标靶面倾向，β₀为标靶面倾角；

6)从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面，得到结构面的单位法向矢量，运用关系式4将其转换为世界坐标系下的单位法向矢量；

关系式4为：

关系式4中，(n_x，n_y，n_z)为结构面在世界坐标系下的单位法向矢量，为结构面在相机坐标系下的单位法向矢量；

7)采用关系式5计算岩体结构面的产状

关系式5为：

关系式5中，α为结构面倾向，β为结构面倾角；

8)重复步骤6)和7)，提取岩体露头或岩体开挖坡面出现的所有结构面的产状信息。

进一步的，所述步骤1)中的标靶为矩形。

进一步的，所述步骤2)中两幅照片之间的重叠率大于60％。

进一步的，所述步骤2)中利用手机对待测量岩体进行拍照。

进一步的，所述步骤6)中采用RANSAC算法从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面。

与现有技术相比，本发明方法的优点是：

1.本发明通过布设一个矩形标靶对测量区域的正北方向进行标定，基于坐标转换得到相机坐标与世界坐标的转换矩阵，不需要其它仪器的配合来实现点云坐标的标定。

2.本发明所提供的测量方法在整个野外操作过程中，仅需要一部手机即可完成全部外业测量，操作简单易行，不需要使用笨重的仪器，减轻了负重，提高了效率。

3.本发明无需获取所拍照片的GPS信息，通过标靶面的产状即可推算出坐标转换关系，对于无法接受GPS信号或GPS信号不良的地方，本发明具有较强的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的现场照片图；

图3为本发明实施例的结构面提取图，其中A，B，C为标靶上三个角点；

图4为本发明实施例从标靶面坐标系转换到世界坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步说明。

如图1所示一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，包括如下步骤：

1)在待测量岩体露头或开挖面上布设一个矩形标靶，使得标靶的一条边保持水平，使用手机内置电子罗盘测量标靶面的产状，记录其倾向和倾角；

2)利用智能手机对待测量岩体进行拍照，确保两幅照片之间有60％以上的重叠率，且拍摄的照片中含有标靶；

3)将获取的多幅手机照片导入专业的摄影测量软件，生成基于相机坐标系的三维岩体点云模型；

4)在三维岩体模型中找到标靶，提取标靶面三个角点A，B，C的坐标，运用关系式1计算向量AB与向量AC的单位矢量ab和ac，运用关系式2计算标靶面单位法向矢量ad。

关系式1为：

关系式2为：

ad＝ab×ac

关系式1和关系式2中，x_A、y_A、z_A为点A的坐标，x_B、y_B、z_B为点B的坐标，x_C、y_C、z_C为点C的坐标；

5)根据罗盘测量得到的标靶面产状，运用关系式3计算世界坐标系三个轴的单位矢量ox、oy、oz，其中ox、oy轴分别和正东、正北方向保持一致，oz轴竖直向上。

关系式3为：

关系式3中，α₀为标靶面倾向，β₀为标靶面倾角；

6)采用RANSAC算法从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面，得到结构面单位法向矢量，运用关系式4将其转换为世界坐标系下的单位法向矢量。

关系式4为：

关系式4中，(n_x，n_y，n_z)为结构面在世界坐标系下的单位法向矢量，为结构面在相机坐标系下的单位法向矢量；

7)采用关系式5计算岩体结构面的产状信息。

关系式5为：

关系式5中，α为结构面倾向，β为结构面倾角；

8)重复步骤6)和7)，提取岩体露头或岩体开挖坡面出现的所有结构面的产状信息。

如图2～4所示，下面通过一个具体实施例对本发明方法的技术方案进行详细说明。

(1)在武汉市南望山某一岩石露头面上布设一个矩形标靶(图2)，使得标靶的一条边保持水平，用手机内置电子罗盘测量标靶面的产状，测得标靶面的倾向α₀为197°，倾角β₀为52°；

(2)利用智能手机对待测量岩体进行拍摄，确保两幅照片之间有60％以上的重叠率，且拍摄的照片中含有标靶，共拍摄25照片；

(3)将拍摄的25张手机照片导入专业的摄影软件中，生成基于相机坐标系的三维岩体点云模型，如图3所示；

(4)在三维岩体点云模型中测得标靶面A，B，C三个角点的坐标分别为(-0.326,1.553,18.631)，(0.695,1.783,18.075)，(-0.166,0.379,18.438)，导入关系式1计算出向量AB的单位矢量ab＝(0.862,0.194,-0.469)，向量AC的单位矢量ac＝(0.133,-0.978,-0.160)，然后把ab、ac导入关系式2中计算出标靶面的单位法向矢量ab＝(-0.490,0.076,-0.869)；

(5)如图4所示，将测得标靶面的倾向α₀＝197°、倾角β₀＝52°、单位矢量ab、ac、ad导入关系式3中得到世界坐标系三个方向轴的单位矢量：ox＝(0.085,-0.988,0.131)，oy＝(-0.177,0.115,0.977)，oz＝(-0.980,-0.106,-0.165)；

(6)采用RANSAC算法从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面P1的单位法向矢量，运用关系式4得到结构面在世界坐标系下的单位法向矢量为(-0.030,0.688,-0.725)。

(7)采用关系式5得到岩体结构面P1的倾向为177.5°，倾角为43.5°。

(8)重复步骤(6)和(7)，提取该岩体露头出现的结构面P2-P24，得到这些结构面的产状信息，见表1。

表1结构面产状

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)在待测量岩体露头或开挖面上布设一个标靶，使得标靶的一条边保持水平，利用手机内置的电子罗盘测量标靶面的产状，记录其倾向和倾角；

2)对待测量岩体进行拍照，并确保两幅照片之间达到一定的重叠率，且拍摄的照片中含有标靶；

3)将拍摄获取的照片导入专业的摄影测量软件，生成基于相机坐标系的三维岩体点云模型；

4)在三维岩体点云模型中找到标靶，提取标靶面三个角点A，B，C的坐标，运用关系式1计算向量AB与向量AC的单位矢量ab和ac，运用关系式2计算标靶面单位法向矢量ad；

关系式1为：

关系式2为：

ad＝ab×ac

关系式1和关系式2中，x_A、x_A、z_A为点A的坐标，x_B、y_B、z_B为点B的坐标，x_C、y_C、z_C为点C的坐标；

5)根据罗盘测量得到的标靶面产状，运用关系式3计算世界坐标系三个轴的单位矢量ox、oy、oz，其中ox、oy轴分别和正东、正北方向保持一致，oz轴竖直向上；

关系式3为：

关系式3中，α₀为标靶面倾向，β₀为标靶面倾角；

6)从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面，得到结构面的单位法向矢量，运用关系式4将其转换为世界坐标系下的单位法向矢量；

关系式4为：

关系式4中，(n_x，n_y，n_z)为结构面在世界坐标系下的单位法向矢量，为结构面在相机坐标系下的单位法向矢量；

7)采用关系式5计算岩体结构面的产状

关系式5为：

关系式5中，α为结构面倾向，β为结构面倾角；

8)重复步骤6)和7)，提取岩体露头或岩体开挖坡面出现的所有结构面的产状信息。

2.根据权利要求1所述基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，其特征在于：所述步骤1)中的标靶为矩形。

3.根据权利要求1所述基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，其特征在于：所述步骤2)中两幅照片之间的重叠率大于60％。

4.根据权利要求1所述基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，其特征在于：所述步骤2)中利用手机对待测量岩体进行拍照。

5.根据权利要求1所述基于智能手机的岩体结构面产状非接触测量方法，其特征在于：所述步骤6)中采用RANSAC算法从相机坐标系下的三维岩体点云模型中提取岩体结构面。