CN112344877B - 无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置及方法，通过数字光栅投影设备向岩体结构面出射一系列连续的宽度不同的光栅条纹，接触岩体表面后受非规则凸体的影响，条纹发生变形，被左右两台工业摄像机捕捉并记录，并将空间位置坐标、拍摄俯仰角集成至图像信息中存储在图片中，以光栅投影作为捕捉特征点对左右摄像机的集成图像信息进行计算和拼接，利用最小二乘法解算被测表面上点的实际空间三维坐标，通过计算相关任意不共线点所构成的空间曲面的法向向量，进行简化三角剖分，再利用计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数。本发明适应性强、简洁便携、精度高，可有效测量工程背景下的岩体结构面三维形貌参数。

Description

无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石结构面测量技术领域，尤其涉及一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置及方法。

背景技术

岩体结构面的粗糙度表征是岩石力学基本物理行为特征的重要衡量指标，直接影响岩体结构面的峰值剪切强度和初始剪胀角。工程中常使用JRC-JCS模型表征岩体结构面粗糙度，但利用结构面剖切面线投影的办法衡量粗糙度是以大幅度牺牲精度为前提的。G.Grasselli通过光学扫描技术，对结构面的几何形貌特征进行了细观的三维定义，提出了最大接触面积比A₀、最大表面视倾角

分布参数C作为表面形貌参数，并建立了结构面视倾角分布函，形成了对应峰值剪切强度的Grasselli模型，通过YANG J、TATONE B S A.等人的进一步完善形成具有较高精度和完整物理释义的Grasselli系模型。基于三维形貌参数及其对应峰值剪切强度模型是有效提升测量精度的手段，该方法已在实验室及小型野外试验中取得成熟应用，但其参数测量需要精密仪器，应用半径无法满足工程大规模测量的要求。因此寻找一种简易测量方法对于工程应用推广具有重大意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置，包括：

测量模块、动态维稳模块、动力模块和计算机分析模块；

所述测量模块包括：两个工业摄像头和一个数字光栅投影设备；

所述动态维稳模块包括：下置单云台和水平连杆；

所述动力模块由无人机的动力系统构成；

所述计算机分析模块内置数据采集卡和基于反算JRC的数据校准模块；

所述动态维稳模块将下置单云台与无人机的底部中心位置连接，下置单云台的另一端与水平连杆的中心位置连接，并在水平连杆的中心位置悬挂数字光栅投影设备，在水平连杆的两端分别通过摄像头旋动机械转盘悬挂一个工业摄像头。

所述数字光栅投影设备的角度不可调节，两个工业摄像头的机身角度可按档位机械调节。

所述下置单云台的水平旋转角度为0°-180°，水平旋转速度为3°-10°/s，垂直旋转速度为4°/s。

所述工业摄像头具有无线传输能力，将捕捉到岩体结构表面反射的光栅条纹信息通过无线通信发送到计算机分析模块中。

另一方面，本发明还提供一种采用上述无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置进行大型岩体结构面三维形貌参数测量的方法，包括如下步骤：

步骤1：标定空间坐标，由无人机内置GPS系统定位空间基点；

步骤2：标定内部参数，将标定块型号和误差限值输入系统，将左右摄像头拍摄的标定块特征点图像传输至系统，系统通过摄影测量学原理自动确定测量装置内部参数，并建立点云空间坐标和实际空间坐标的转换矩阵M；

步骤3：确定测量范围，依据裸露岩体整体倾向的一致性划分测量区域；

步骤4：在保证一次测量为完整基面积的前提下，以测量移动次数最少为原则，依据测量范围和重叠等级确定基测量面积；

步骤5：对无人机辅助测量结构面三维形貌参数的装置进行测量前的校准和摄像头的角度调整，过程如下：

步骤5.1：确定摄像头角度，依据基测量面积确定摄像头角度，利用机械转盘将摄像头旋至基面积指定档位，锁死；

步骤5.2：共点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，将左右摄像头点云数据进行共点匹配，若无匹配项则返回步骤2，重新标定内部参数；

步骤5.3：单点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，关闭测量和数据传输，将云台旋转180°，无人机定点悬停旋转180°，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，系统计算误差，镜头传感器自动校准；

步骤5.4：GPS定位校准，飞行器自系统自动校准；

步骤5.5：悬停校准，飞行器自系统自动校准。

步骤6：路径设定，利用辅助无人机测绘岩体空间图像，输入基面积和重叠等级，系统根据基测量面积对岩石表面进行分块，并生成路径方案和悬停点坐标；

所述对岩石表面进行分块时相邻的两块的重叠区域不小于30％。

步骤7：设置无人机按设定路径自动巡航，或人工指引飞行，并开启测量；

步骤8：数字光栅投影将不同条纹间隔密度的光栅重叠，向岩体结构面表面出射一系列连续的宽度不同的光栅条纹，实现灰度二进制编码；接触岩体表面后因受到表面非规则凸体的影响，条纹发生变形，被左右两台工业摄像机捕捉并记录下来，并将空间位置坐标、拍摄俯仰角集成至图像信息中存储在图片中，通过无线通信发送到计算机分析模块；

步骤9：将左右摄像机的集成图像信息进行共点匹配，利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标，通过计算相关任意不共线点所构成的空间曲面的法向向量，利用最小二乘法解算实现三角剖分，获取唯一解数据，再利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数；

所述利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标的方法如下：

(1)拾取结构面凸体点：

投影装置将光栅条纹投射在岩体结构面表面上，经凸体变形，分别由左右摄像头捕捉，两侧摄像头分别以独立内置坐标完成测量；单个摄像头的测量原理如下：

将岩体结构面表面某一凸体与相邻凸体边界围合平面的绝对平整延伸面作为参考平面Ω，在被测结构面上选取任一点P，称为凸体拾取点，P在参考平面Ω上的投影为P’，线段PP’的长度即点P距离Ω平面的高度为h，数字光栅投影设备结构中心与点P连线延长线交参考面Ω的交点为点A，摄像机光学中心与点P连线延长线交参考平面Ω的交点为点B；

数字光栅投影设备出射光线至参考平面Ω上的点A，摄像机捕捉到A，经过结构面凸体变形作用，该光线照射到凸体表面的点P，此时摄像机捕捉到B，即经过凸体变形作用点A移动到新的位置点B，AB的距离a耦合了凸体拾取点的高程信息h(X，Y)，以此表示受到了表面形状的调制；

其中，a与系统的几何参数有关，即工业摄像机光心到参考平面Ω的距离d、数字光栅投影设备结构中心与工业摄像机光学中心的距离L有关，即：

h(X,Y)＝f(d，L，a) (2)

(2)通过共点匹配，确定被测点在左右摄像机中的像点坐标：

对于任意一点P，其在两台工业摄像机内置坐标系统中单独形成坐标P₁(X₁,Y₁,Z₁)和P₂(X₂,Y₂,Z₂)，空间内任意点的两坐标向量符合同一个转换矩阵函数，形式如下：

其中，

为旋转矩阵，

为平移矩阵，其中

为3×3可逆矩阵，

为1×3向量，由系统经过标定点校准后自动确定，连续一次测量中

为确定不变量，系统重启后需重新定义；

(3)利用左右摄像机中的像点坐标，计算被测点实际空间坐标：

经由方程

其中，u，v为像点在摄像机坐标体系下的齐次坐标，即

u₁＝X₁/Z₁,v₁＝Y₁/Z₁,u₂＝X₂/Z₂,v₂＝Y₂/Z₂，消去Z₁、Z₂，利用最小二乘法解得：

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为所求被测点实际空间坐标，(X₁,Y₁)(X₂,Y₂)为左右摄像头像点，M为转换矩阵，左、右摄像头各存在一个转换矩阵，分别表示为：

由系统结合公式(2)自动标定。

所述利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数的过程如下：

(1)利用三角剖分将扫描的结构面形貌做精简网格划分，利用定点坐标确定凸体表面外法向向量

为

在参考平面Ω的投影向量，

为剪切方向向量，系统默认沿参考平面Ω间隔60°生成各向剪切方向向量，按下式计算{θ^*}：

tanθ^*＝-tanθcosα

其中，

为剪切方向向量，

为凸体表面外法向向量，

为参考平面法向向量，

为凸体表面外法向向量在参考平面的投影，θ^*为视倾角，{θ^*}为结构面各个凸体视倾角的集合，θ为凸体表面外法向向量

和参考平面Ω法向向量夹角，α为剪切方向向量

和凸体表面外法向向量在参考平面的投影向量

的夹角；

(2)将{θ^*}制成

曲线,曲线与坐标轴的交点G、F分别为A₀、θ_max ^*，其中，

为面向剪切方向大于某一视倾角的凸体面积之和与粗糙表面实际面积的比值，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，θ_max ^*为视倾角集合{θ^*}中的最大值；

(3)按式

进行数据拟合可得到参数C。

步骤10：待路径上所有的悬停点都测量完毕后，采用测量拼接的方法将多次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，完成所有测量区域的拼合；

所述测量拼接的方法如下：

在区域内设置至少3个不共线的特征点，对两个区域分别进行三维坐标测量，得出特征点在2次测量中的坐标值；不同次测量中，特征点之间间距是相同的，利用特征点间距不变原理，进行坐标的空间变换，将2次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，即完成了两个区域的拼接过程。

本实施例中，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，装置在测量时通过识别黑白相交的边界捕捉圆心坐标。设置特征点时应使特征点位于2个视角的重叠区域。

步骤11：系统反算JRC，系统将所测各基面积结构面三维形貌参数按式(1)反算出JRC值，现场随机选取岩体结构面可测量的区域测算JRC值，与反算结果比对，误差容许值以工程需要确定，其中反算公式的系统误差为±2％；

其中，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，

为最大视倾角，C为拟合参数，用以表征粗糙度；σ_n为法向应力，σ_t为材料抗拉强度，JCS为节理壁面抗压强度；

步骤12：复测，无法满足工程精度要求的，需重新测量。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的装置及方法可对实际工程的大幅天然岩体结构面进行原位测量，获得三维形貌参数一手数据，突破了实验室测量的限制，可大规模用于工程测量；测量精度略低于机械触针式表面形貌仪的精度，但这个对于岩石表面形貌的测量足够反映出岩石表面的细节；一次测量的最大有效面积可以通过调整摄像头的角度进行定量调节；质量轻、体积小、系统模块化，其中测量模块可与满足性能要求的动力模块任意组合；除必要手动校准外，可实现全周期系统自动校准。

附图说明

图1为本发明实施例中无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置的结构图；

图2为本发明实施例中结构面三维形貌参数测量方法的流程图；

图3为本发明实施例中结构面凸体点拾取原理示意图；

图4为本发明实施例中共点匹配原理示意图；

图5为本发明实施例中结构面表面空间信息编码及测量原理示意图；

图6为本发明实施例中结构面形貌特征三角网格化及其参数几何关系示意图；

图7为本发明实施例中岩体结构面

曲线示意图。

其中，1为无人机动力系统，2为距离深感探测器，3为红外感知系统，4为下置单云台，5为连杆，6为摄像头悬动机械转盘，7为工业摄像头，8为数字光栅投影设备，9为工业摄像头，10为副摄像头，11为镜头智能校准系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例所述的一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置，包括：

测量模块、动态维稳模块、动力模块和计算机分析模块；

所述测量模块包括：两个工业摄像头7、9和一个数字光栅投影设备8；

本实施例中优先选用禅思H20T-四传感器摄像头；

所述动态维稳模块包括：下置单云台4和水平连杆5；

所述动力模块由无人机的动力系统1构成；

本实施例动力模块优先选择经纬M300 RTK行业级无人机，应具有高精度GPS定位、10公里以上的图传距离、2.5kg以上的负载能力。悬停精度应满足以下要求：垂直向，±0.1m(视觉定位正常工作时)、±0.5m(GPS正常工作时)、±0.1m(RTK定位正常工作时)；水平向，±0.3m(视觉定位正常工作时)、±1.5m(GPS正常工作时)、±0.1m(RTK定位正常工作时)。

所述计算机分析模块内置数据采集卡和基于反算JRC的数据校准模块；

所述动态维稳模块将下置单云台4与无人机的底部中心位置连接，下置单云台4的另一端与水平连杆5的中心位置连接，并在水平连杆5的中心位置悬挂数字光栅投影设备8，在水平连杆5的两端分别通过摄像头旋动机械转盘6悬挂工业摄像头7、9。

所述数字光栅投影设备8的角度不可调节，两个工业摄像头7、9的机身角度可按档位机械调节。

所述下置单云台4的水平旋转角度为0°-180°，水平旋转速度为3°-10°/s，垂直旋转速度为4°/s。

所述工业摄像头7、9具有无线传输能力，将捕捉到岩体结构表面反射的光栅条纹信息通过无线通信发送到计算机分析模块中。

另一方面，本实施例还提供一种采用上述无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置进行结构面三维形貌参数测量的方法，其流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：标定空间坐标，由无人机内置GPS系统定位空间基点；

步骤2：标定内部参数，将标定块型号和误差限值输入系统，将左右摄像头拍摄的标定块特征点图像传输至系统，系统通过摄影测量学原理自动确定测量装置内部参数，并建立点云空间坐标和实际空间坐标的转换矩阵M；

步骤3：确定测量范围，依据裸露岩体整体倾向的一致性划分测量区域；

本实施例中，依据裸露岩体整体倾向的一致性划分实验测量区域为1000mm×1000mm。

步骤4：在保证一次测量为完整基面积的前提下，以测量移动次数最少为原则，依据测量范围和重叠等级确定基测量面积；

优先选择测量面积为200mm×200mm、300mm×300mm、500mm×500mm中的一种，在本实施例中选择测量面积为300mm×300mm。

步骤5：对无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置进行测量前的校准和摄像头的角度调整，过程如下：

步骤5.1：确定摄像头角度，依据基测量面积确定摄像头角度，利用机械转盘将摄像头旋至基面积指定档位，锁死；

步骤5.2：共点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，将左右摄像头点云数据进行共点匹配，若无匹配项则返回步骤2，重新标定内部参数；

步骤5.3：单点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，关闭测量和数据传输，将云台旋转180°，无人机定点悬停旋转180°，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，系统计算误差，镜头传感器自动校准；

步骤5.4：GPS定位校准，飞行器自系统自动校准；

步骤5.5：悬停校准，飞行器自系统自动校准。

步骤6：路径设定，利用辅助无人机测绘岩体空间图像，输入基面积和重叠等级，系统根据基测量面积对岩石表面进行分块，并生成路径方案和悬停点坐标；

所述对岩石表面进行分块时相邻的两块的重叠区域不小于30％。

步骤7：设置无人机按设定路径自动巡航，或人工指引飞行，并开启测量；

步骤8：数字光栅投影将不同条纹间隔密度的光栅重叠，向岩体结构面表面出射一系列连续的宽度不同的光栅条纹，实现灰度二进制编码，其原理如图5所示；接触岩体表面后因受到表面非规则凸体的影响，条纹发生变形，被左右两台工业摄像机捕捉并记录下来，并将空间位置坐标、拍摄俯仰角集成至图像信息中存储在图片中，通过无线通信发送到计算机分析模块；

步骤9：将左右摄像机的集成图像信息进行共点匹配，利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标，通过计算相关任意不共线点所构成的空间曲面的法向向量，利用最小二乘法解算实现三角剖分，获取唯一解数据，再利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数；

所述利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标的方法如下：

(1)拾取结构面凸体点，其示意图如图3所示：

投影装置将光栅条纹投射在岩体结构面表面上，经凸体变形，分别由左右摄像头捕捉，两侧摄像头分别以独立内置坐标完成测量；单个摄像头的测量原理如下：

将岩体结构面表面某一凸体与相邻凸体边界围合平面的绝对平整延伸面作为参考平面Ω，在被测结构面上选取任一点P，称为凸体拾取点，P在参考平面Ω上的投影为P’，线段PP’的长度即点P距离Ω平面的高度为h，数字光栅投影设备结构中心与点P连线延长线交参考面Ω的交点为点A，摄像机光学中心与点P连线延长线交参考平面Ω的交点为点B；

数字光栅投影设备出射光线至参考平面Ω上的点A，摄像机捕捉到A，经过结构面凸体变形作用，该光线照射到凸体表面的点P，此时摄像机捕捉到B，即经过凸体变形作用点A移动到新的位置点B，AB的距离a耦合了凸体拾取点的高程信息h(X，Y)，以此表示受到了表面形状的调制；

其中，a与系统的几何参数有关，即工业摄像机光心到参考平面Ω的距离d、数字光栅投影设备结构中心与工业摄像机光学中心的距离L有关，即：

h(X,Y)＝f(d，L，a) (2)

(2)通过共点匹配，确定被测点在左右摄像机中的像点坐标，其示意图如图4所示：

对于任意一点P，其在两台工业摄像机内置坐标系统中单独形成坐标P₁(X₁,Y₁,Z₁)和P₂(X₂,Y₂,Z₂)，空间内任意点的两坐标向量符合同一个转换矩阵函数，形式如下：

其中，

为旋转矩阵，

为平移矩阵，其中

为3×3可逆矩阵，

为1×3向量，由系统经过标定点校准后自动确定，连续一次测量中

为确定不变量，系统重启后需重新定义；

(3)利用左右摄像机中的像点坐标，计算被测点实际空间坐标：

经由方程

其中，u，v为像点在摄像机坐标体系下的齐次坐标，即

u₁＝X₁/Z₁,v₁＝Y₁/Z₁,u₂＝X₂/Z₂,v₂＝Y₂/Z₂，消去Z₁、Z₂，利用最小二乘法解得：

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为所求被测点实际空间坐标，(X₁,Y₁)(X₂,Y₂)为左右摄像头像点，M为转换矩阵，左、右摄像头各存在一个转换矩阵，分别表示为：

由系统结合公式(2)自动标定。

所述利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数的过程如下：

(1)利用三角剖分将扫描的结构面形貌做精简网格划分，利用定点坐标确定凸体表面外法向向量

为

在参考平面Ω的投影向量，

为剪切方向向量，其示意图如图6所示，系统默认沿参考平面Ω间隔60°生成各向剪切方向向量，按下式计算{θ^*}：

tanθ^*＝-tanθcosα

其中，

为剪切方向向量，

为凸体表面外法向向量，

为参考平面法向向量，

为凸体表面外法向向量在参考平面的投影，θ^*为视倾角，{θ^*}为结构面各个凸体视倾角的集合，θ为凸体表面外法向向量

和参考平面Ω法向向量夹角，α为剪切方向向量

和凸体表面外法向向量在参考平面的投影向量

的夹角；

(2)将{θ^*}制成

曲线，如图7所示，曲线与坐标轴的交点G、F分别为A₀、θ_max ^*，其中，

为面向剪切方向大于某一视倾角的凸体面积之和与粗糙表面实际面积的比值，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，θ_max ^*为视倾角集合{θ^*}中的最大值；

(3)按式

进行数据拟合可得到参数C。

步骤10：待路径上所有的悬停点都测量完毕后，采用测量拼接的方法将多次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，完成所有测量区域的拼合；

所述测量拼接的方法如下：

在区域内设置至少3个不共线的特征点，对两个区域分别进行三维坐标测量，得出特征点在2次测量中的坐标值；不同次测量中，特征点之间间距是相同的，利用特征点间距不变原理，进行坐标的空间变换，将2次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，即完成了两个区域的拼接过程。

步骤11：系统反算JRC，系统将所测各基面积结构面三维形貌参数按式(1)反算出JRC值，现场随机选取岩体结构面可测量的区域测算JRC值，与反算结果比对，误差容许值以工程需要确定，其中反算公式的系统误差为±2％；

其中，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，

为最大视倾角，C为拟合参数，用以表征粗糙度；σ_n为法向应力，σ_t为材料抗拉强度，JCS为节理壁面抗压强度；

步骤12：复测，无法满足工程精度要求的，需重新测量。

Claims (5)

1.一种采用无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的方法，方法采用一种无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置，其特征在于，所述无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置包括测量模块、动态维稳模块、动力模块和计算机分析模块；

所述测量模块包括：两个工业摄像头和一个数字光栅投影设备；

所述动态维稳模块包括：下置单云台和水平连杆；

所述动力模块由无人机的动力系统构成；

所述计算机分析模块内置数据采集卡和基于反算JRC的数据校准模块；

所述动态维稳模块将下置单云台与无人机的底部中心位置连接，下置单云台的另一端与水平连杆的中心位置连接，并在水平连杆的中心位置悬挂数字光栅投影设备，在水平连杆的两端分别通过摄像头旋动机械转盘悬挂一个工业摄像头；

方法包括如下步骤：

步骤1：标定空间坐标，由无人机内置GPS系统定位空间基点；

步骤2：标定内部参数，将标定块型号和误差限值输入系统，将左右摄像头拍摄的标定块特征点图像传输至系统，系统通过摄影测量学原理自动确定测量装置内部参数，并建立点云空间坐标和实际空间坐标的转换矩阵M；

步骤3：确定测量范围，依据裸露岩体整体倾向的一致性划分测量区域；

步骤4：在保证一次测量为完整基面积的前提下，以测量移动次数最少为原则，依据测量范围和重叠等级确定基测量面积；

步骤5：对无人机测量大型岩体结构面三维形貌参数的装置进行测量前的校准和摄像头的角度调整；

步骤6：路径设定，利用辅助无人机测绘岩体空间图像，输入基面积和重叠等级，系统根据基测量面积对岩石表面进行分块，并生成路径方案和悬停点坐标；

步骤7：设置无人机按设定路径自动巡航，或人工指引飞行，并开启测量；

步骤8：数字光栅投影将不同条纹间隔密度的光栅重叠，向岩体结构面表面出射一系列连续的宽度不同的光栅条纹，实现灰度二进制编码；接触岩体表面后因受到表面非规则凸体的影响，条纹发生变形，被左右两台工业摄像机捕捉并记录下来，并将空间位置坐标、拍摄俯仰角集成至图像信息中存储在图片中，通过无线通信发送到计算机分析模块；

步骤9：将左右摄像机的集成图像信息进行共点匹配，利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标，通过计算相关任意不共线点所构成的空间曲面的法向向量，利用最小二乘法解算实现三角剖分，获取唯一解数据，再利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数；

所述利用左右摄像机像点坐标和转换矩阵计算被测表面上点的实际三维坐标的方法如下：

(1)拾取结构面凸体点：

投影装置将光栅条纹投射在岩体结构面表面上，经凸体变形，分别由左右摄像头捕捉，两侧摄像头分别以独立内置坐标完成测量；单个摄像头的测量原理如下：

将岩体结构面表面某一凸体与相邻凸体边界围合平面的绝对平整延伸面作为参考平面Ω，在被测结构面上选取任一点P，称为凸体拾取点，P在参考平面Ω上的投影为P’，线段PP’的长度即点P距离Ω平面的高度为h，数字光栅投影设备结构中心与点P连线延长线交参考面Ω的交点为点A，摄像机光学中心与点P连线延长线交参考平面Ω的交点为点B；

数字光栅投影设备出射光线至参考平面Ω上的点A，摄像机捕捉到A，经过结构面凸体变形作用，该光线照射到凸体表面的点P，此时摄像机捕捉到B，即经过凸体变形作用点A移动到新的位置点B，AB的距离a耦合了凸体拾取点的高程信息h(X，Y)，以此表示受到了表面形状的调制；

其中，a与系统的几何参数有关，即工业摄像机光心到参考平面Ω的距离d、数字光栅投影设备结构中心与工业摄像机光学中心的距离L有关，即：

h(X,Y)＝f(d，L，a) (2)

(2)通过共点匹配，确定被测点在左右摄像机中的像点坐标：

对于任意一点P，其在两台工业摄像机内置坐标系统中单独形成坐标P₁(X₁,Y₁,Z₁)和P₂(X₂,Y₂,Z₂)，空间内任意点的两坐标向量符合同一个转换矩阵函数，形式如下：

其中，

为旋转矩阵，

为平移矩阵，其中

为3×3可逆矩阵，

为1×3向量，由系统经过标定点校准后自动确定，连续一次测量中

为确定不变量，系统重启后需重新定义；

(3)利用左右摄像机中的像点坐标，计算被测点实际空间坐标：

经由方程

其中，u，v为像点在摄像机坐标体系下的齐次坐标，即

u₁＝X₁/Z₁,v₁＝Y₁/Z₁,u₂＝X₂/Z₂,v₂＝Y₂/Z₂，消去Z₁、Z₂，利用最小二乘法解得：

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为所求被测点实际空间坐标，(X₁,Y₁)(X₂,Y₂)为左右摄像头像点，M为转换矩阵，左、右摄像头各存在一个转换矩阵，分别表示为：

由系统结合公式(2)自动标定；

步骤10：待路径上所有的悬停点都测量完毕后，采用测量拼接的方法将多次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，完成所有测量区域的拼合；

步骤11：系统反算JRC，系统将所测各基面积结构面三维形貌参数按式(1)反算出JRC值，现场随机选取岩体结构面可测量的区域测算JRC值，与反算结果比对，误差容许值以工程需要确定，其中反算公式的系统误差为±2％；

其中，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，

为最大视倾角，C为拟合参数，用以表征粗糙度；σ_n为法向应力，σ_t为材料抗拉强度，JCS为节理壁面抗压强度；

步骤12：复测，无法满足工程精度要求的，需重新测量。

2.根据权利要求1所述的大型岩体结构面三维形貌参数测量的方法，其特征在于，所述步骤5的过程如下：

步骤5.1：确定摄像头角度，依据基测量面积确定摄像头角度，利用机械转盘将摄像头旋至基面积指定档位，锁死；

步骤5.2：共点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，将左右摄像头点云数据进行共点匹配，若无匹配项则返回步骤2，重新标定内部参数；

步骤5.3：单点校准，试飞无人机，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，关闭测量和数据传输，将云台旋转180°，无人机定点悬停旋转180°，开启测量和数据传输，系统检索点云数据，系统计算误差，镜头传感器自动校准；

步骤5.4：GPS定位校准，飞行器自系统自动校准；

步骤5.5：悬停校准，飞行器自系统自动校准。

3.根据权利要求1所述的大型岩体结构面三维形貌参数测量的方法，其特征在于，所述步骤6中对岩石表面进行分块时相邻的两块的重叠区域不小于30％。

4.根据权利要求1所述的大型岩体结构面三维形貌参数测量的方法，其特征在于，所述利用表面形貌参数的计算公式，获得岩石结构面表面的形貌参数的过程如下：

(1)利用三角剖分将扫描的结构面形貌做精简网格划分，利用定点坐标确定凸体表面外法向向量

为

在参考平面Ω的投影向量，

为剪切方向向量，系统默认沿参考平面Ω间隔60°生成各向剪切方向向量，按下式计算{θ^*}：

tanθ^*＝-tanθcosα

其中，

为剪切方向向量，

为凸体表面外法向向量，

为参考平面法向向量，

为凸体表面外法向向量在参考平面的投影，θ^*为视倾角，{θ^*}为结构面各个凸体视倾角的集合，θ为凸体表面外法向向量

和参考平面Ω法向向量夹角，α为剪切方向向量

和凸体表面外法向向量在参考平面的投影向量

的夹角；

(2)将{θ^*}制成

曲线,曲线与坐标轴的交点G、F分别为A₀、θ_max ^*，其中，

为面向剪切方向大于某一视倾角的凸体面积之和与粗糙表面实际面积的比值，A₀为最大可能接触面积比，定义为面向剪切方向的微元面积和粗糙表面实际面积的比值，θ_max ^*为视倾角集合{θ^*}中的最大值；

(3)按式

进行数据拟合可得到参数C。

5.根据权利要求1所述的大型岩体结构面三维形貌参数测量的方法，其特征在于，所述测量拼接的方法如下：

在区域内设置至少3个不共线的特征点，对两个区域分别进行三维坐标测量，得出特征点在2次测量中的坐标值；不同次测量中，特征点之间间距是相同的，利用特征点间距不变原理，进行坐标的空间变换，将2次测量结果转换到同一个坐标系下，删除重合区域，即完成了两个区域的拼接过程。

Images