CN114858095B - 一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法，包括：布设控制点，从左右两个角度各拍摄一张围岩的影像；估算两幅影像拍摄时的内方位元素和外方位元素；进行误差分析，判断影像解析精度是否满足要求；在左幅影像中沿每条结构面迹线布设多个锚点；搜寻锚点在对应右幅影像中的位置；利用共线方程求解锚点三维坐标；确定结构面所在平面方程；根据平面方程解译出结构面的倾向和倾角。本发明可用于测量结构面暴露面积非常小，仅呈迹线出露而无法直接使用地质罗盘测量的情况，且不会受到磁场干扰，具有测量安全、准确、快速的优点。

Description

一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法

技术领域

本发明涉及岩体测量技术领域，特别涉及一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法。

背景技术

岩体结构面是岩体工程研究中的一项重要内容。结构面三要素包括：走向、倾向和倾角。目前，地质罗盘作为常规的岩体结构面产状测量方法，但容易受到磁场干扰，导致测量结果不准确，并且与岩面的近距离接触存在很大安全风险。此外，地质罗盘适用于出露面积较大的结构面，但在一些地下工程如交通隧道或地下矿山巷道开挖中，普遍存在结构面出露面积非常小，仅呈现出一条结构面迹线的情况，此时无法将地质罗盘紧密地贴合在结构面上。通常的处理方式是主观判断确定一个大致的方向后再使用地质罗盘进行测量，测量结果存在较大的偏差甚至错误。

岩体结构面是控制地下工程稳定性的决定性因素，因此，准确地测量呈迹线出露的结构面，对于开展更加详实的结构面调查和工程稳定性评价具有重要意义。

发明内容

本发明针对传统地质罗盘测量结构面产状容易受到磁场干扰且无法测量呈迹线出露时结构面产状的缺陷，提供一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法，尤其适用于地下开挖工程中呈迹线出露的结构面产状测量，即首先通过双像求解迹线上多个锚点的三维坐标，由于经爆破后围岩存在显著凹凸不平，可利用最小二乘平面拟合法确定迹线所在平面方程，进而解译出结构面产状。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法，包括以下步骤：

S1、布设控制点，从左右两个角度各拍摄一张围岩的影像；

S2、估算两幅影像拍摄时的内方位元素和外方位元素；

S3、进行误差分析，判断影像解析精度是否满足要求；

S4、在左幅影像中沿每条结构面迹线布设多个锚点；

S5、搜寻锚点在对应右幅影像中的位置；

S6、利用共线方程求解锚点三维坐标；

S7、确定结构面所在平面方程；

S8、根据平面方程解译出结构面的倾向和倾角。

优选地，所述步骤S1中，两次拍摄保证相机间隔预定距离，所述预定距离设为摄影基线距离，使用彩色颜料在围岩上标注至少3个控制点，每3个控制点的位置呈三角形分布，并使用全站仪测量各个控制点的三维坐标。

优选地，所述步骤S2中，将两幅影像和控制点导入Metashape软件，标识控制点后，经软件自动估算影像三个内方位元素x₀，y₀，f和六个外方位元素，外方位元素包括三个外方位线元素和三个外方位角元素，三个外方位线元素X_S,Y_S,Z_S用于确定影像或摄影光束的空间位置，三个外方位角元素

ω,κ用于确定影像或摄影光束的姿态。

优选地，所述步骤S3中，记录左右拍摄的影像中每个控制点的像平面坐标，然后利用共线方程求解控制点的三维坐标，并将计算值与全站仪实测值进行比较，若两者之间的欧式距离小于预设值，则认为影像解析的控制点三维坐标计算满足精度要求，否则增大摄影基线距离，重复步骤S1和S2，直到误差满足精度要求；其中，所述预设值为彩色颜料标注的控制点的直径；

所述共线方程建立像平面坐标系和大地坐标系之间的转换关系：

式中：x,y为像素点的像平面坐标；x₀，y₀，f为影像的内方位元素；X_S,Y_S,Z_S为影像的三个外方位线元素；X,Y,Z为待求三维坐标；a_i,b_i,c_i为影像的三个外方位角元素组成的9个方向余弦，i＝1,2,3；

已知一幅影像的内方位元素和外方位元素可以列出2个方程，待求未知数为3个，根据左右两幅影像可以列出4个方程，舍弃其中一个，即可求解影像中任一像素点的三维坐标。

优选地，所述步骤S4中，锚点数量至少为3个，为后续能够精确确定结构面所在平面，沿每条迹线布设8-12个锚点，并记录锚点的像平面坐标。

优选地，所述步骤S5中，根据基于图像灰度的模板匹配算法自动确定锚点在对应右幅影像中的位置；

所述基于图像灰度的模板匹配算法，取左幅影像中以锚点为原点，大小为s×t的像素为模板T(s,t)，在右幅影像中从左向右，从上向下依次截取与模板大小相等的区域，定义相似度评分标准：

式中：(s,t)为模板中任一像素坐标；I(x,y)为右幅影像；若恰好完美匹配则评分值接近于1，当R(x,y)取最大值时对应的(x,y)即为锚点在右幅影像中的像平面坐标。

优选地，所述步骤S6中，完成两幅影像中对应的锚点匹配后，将锚点在左右影像中的像平面坐标导入共线方程，可列出4个方程，舍弃其中一个，即可计算所有锚点的三维坐标。

优选地，所述步骤S7中，根据每条迹线上计算出的多个锚点的三维坐标(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3,...n，利用最小二乘法求解结构面所在平面方程，平面方程表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0(C≠0) (4)

将其变换为如下形式：

令

此时a₀x+a₁y+z+a₂＝0，最小二乘求解平面方程的矩阵表达式为：

利用下式求解(a₀,a₁,a₂)，得到结构面所在平面方程；

优选地，所述步骤S8中，Y轴指向正北方向，故结构面倾向β、倾角α计算如下：

当a₀＞0,a₁＞0时，β＝β₀；

当a₀＞0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＞0时，β＝2π+β₀。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明所述方法无需使用地质罗盘，因此可用于测量结构面暴露面积非常小，仅呈迹线出露而无法直接使用罗盘测量的情况，为开展更加详实的结构面调查提供技术支撑。本发明通过左右影像解析获取结构面产状，无需与岩面近距离接触，也不会受到磁场干扰，具有测量安全、准确、快速的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法的流程图；

图2是本发明实施例中控制点布设方式和左右影像拍摄位置示意图；

图3是本发明实施例中影像内方位元素示意图；

图4是本发明实施例中影像外方位元素示意图；

图5是本发明实施例中基于灰度的模板匹配法搜索影像同名点示意图；

图6是本发明实施例中拟合得到的迹线平面示意图；

图7是本发明实施例中结构面产状计算示意图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、布设控制点，从左右两个角度各拍摄一张围岩的影像；

S2、估算两幅影像拍摄时的内方位元素和外方位元素；

S3、进行误差分析，判断影像解析精度是否满足要求；

S4、在左幅影像中沿每条结构面迹线布设多个锚点；

S5、搜寻锚点在对应右幅影像中的位置；

S6、利用共线方程求解锚点三维坐标；

S7、确定结构面所在平面方程；

S8、根据平面方程解译出结构面的倾向和倾角。

进一步地，所述步骤S1中，从左右两个角度各拍摄一张围岩影像，如图2所示，两次拍摄保证相机间隔预定距离，所述预定距离设为摄影基线距离，使用彩色颜料(例如：红色油漆)在围岩上标注至少3个控制点，每3个控制点的位置呈三角形分布，并使用全站仪测量各个控制点的三维坐标。

进一步地，所述步骤S2中，将两幅影像和控制点导入Metashape软件，标识控制点后，经软件自动估算影像三个内方位元素x₀，y₀，f(如图3所示)和六个外方位元素(如图4所示)，外方位元素包括三个外方位线元素和三个外方位角元素，三个外方位线元素X_S,Y_S,Z_S用于确定影像或摄影光束的空间位置，三个外方位角元素

ω,κ用于确定影像或摄影光束的姿态。

进一步地，所述步骤S3中，记录左右拍摄的影像中每个控制点的像平面坐标，然后利用共线方程求解控制点的三维坐标，并将计算值与全站仪实测值进行比较，若两者之间的欧式距离小于预设值，则认为影像解析的控制点三维坐标计算满足精度要求，否则增大摄影基线距离，重复步骤S1和S2，直到误差满足精度要求。其中，所述预设值为彩色颜料标注的控制点的直径，例如采用红色油漆标注的控制点的直径，所述预设值优选为3cm左右。

所述共线方程建立像平面坐标系和大地坐标系之间的转换关系：

式中：x,y为像素点的像平面坐标；x₀，y₀，f为影像的内方位元素；X_S,Y_S,Z_S为影像的三个外方位线元素；X,Y,Z为待求三维坐标；a_i,b_i,c_i为影像的三个外方位角元素组成的9个方向余弦，i＝1,2,3；

已知一幅影像的内方位元素和外方位元素可以列出2个方程，待求未知数为3个，根据左右两幅影像可以列出4个方程，舍弃其中一个，即可求解影像中任一像素点的三维坐标。

进一步地，所述步骤S4中，锚点数量至少为3个，为后续能够精确确定结构面所在平面，沿每条迹线布设8-12个锚点，并记录锚点的像平面坐标。

进一步地，所述步骤S5中，根据基于图像灰度的模板匹配算法自动确定锚点在对应右幅影像中的位置；

所述基于图像灰度的模板匹配算法，如图5所示，取左幅影像中以锚点为原点，大小为s×t的像素为模板T(s,t)，在右幅影像中从左向右，从上向下依次截取与模板大小相等的区域，定义相似度评分标准：

式中：(s,t)为模板中任一像素坐标；I(x,y)为右幅影像；若恰好完美匹配则评分值接近于1，当R(x,y)取最大值时对应的(x,y)即为锚点在右幅影像中的像平面坐标。

进一步地，所述步骤S6中，完成两幅影像中对应的锚点匹配后，将锚点在左右影像中的像平面坐标导入共线方程，可列出4个方程，舍弃其中一个，即可计算所有锚点的三维坐标。

进一步地，所述步骤S7中，如图6所示，根据每条迹线上计算出的多个锚点的三维坐标(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3,...n，利用最小二乘法求解结构面所在平面方程，平面方程表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0(C≠0) (4)

将其变换为如下形式：

令

此时a₀x+a₁y+z+a₂＝0，最小二乘求解平面方程的矩阵表达式为：

利用下式求解(a₀,a₁,a₂)，得到结构面所在平面方程；

进一步地，所述步骤S8中，如图7所示，Y轴指向正北方向，故结构面倾向β、倾角α计算如下：

当a₀＞0,a₁＞0时，β＝β₀；

当a₀＞0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＞0时，β＝2π+β₀。

本发明所述方法无需使用地质罗盘，因此可用于测量结构面暴露面积非常小，仅呈迹线出露而无法直接使用罗盘测量的情况，为开展更加详实的结构面调查提供技术支撑。本发明通过左右影像解析获取结构面产状，无需与岩面近距离接触，也不会受到磁场干扰，具有测量安全、准确、快速的优点。

需要说明的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

如本文使用的，术语“标称/标称地”是指在生产或制造过程的设计阶段期间设置的针对部件或过程操作的特性或参数的期望或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可能是由于制造过程或容限中的轻微变化导致的。如本文使用的，术语“大约”指示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“大约”可以指示给定量的值，其例如在值的5％-15％(例如，值的±5％、±10％或±15％)内变化。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双像解析的岩体结构面产状测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、布设控制点，从左右两个角度各拍摄一张围岩的影像；

所述步骤S1中，两次拍摄保证相机间隔预定距离，所述预定距离设为摄影基线距离，使用彩色颜料在围岩上标注至少3个控制点，每3个控制点的位置呈三角形分布，并使用全站仪测量各个控制点的三维坐标；

S2、估算两幅影像拍摄时的内方位元素和外方位元素；

所述步骤S2中，将两幅影像和控制点导入Metashape软件，标识控制点后，经软件自动估算影像三个内方位元素x₀，y₀，f和六个外方位元素，外方位元素包括三个外方位线元素和三个外方位角元素，三个外方位线元素X_S,Y_S,Z_S用于确定影像或摄影光束的空间位置，三个外方位角元素

ω,κ用于确定影像或摄影光束的姿态；

S3、进行误差分析，判断影像解析精度是否满足要求；

所述步骤S3中，记录左右拍摄的影像中每个控制点的像平面坐标，然后利用共线方程求解控制点的三维坐标，并将计算值与全站仪实测值进行比较，若两者之间的欧式距离小于预设值，则认为影像解析的控制点三维坐标计算满足精度要求，否则增大摄影基线距离，重复步骤S1和S2，直到误差满足精度要求；其中，所述预设值为彩色颜料标注的控制点的直径；

所述共线方程建立像平面坐标系和大地坐标系之间的转换关系：

式中：x,y为像素点的像平面坐标；x₀，y₀，f为影像的内方位元素；X_S,Y_S,Z_S为影像的三个外方位线元素；X,Y,Z为待求三维坐标；a_i,b_i,c_i为影像的三个外方位角元素组成的9个方向余弦，i＝1,2,3；

已知一幅影像的内方位元素和外方位元素可以列出2个方程，待求未知数为3个，根据左右两幅影像可以列出4个方程，舍弃其中一个，即可求解影像中任一像素点的三维坐标；

S4、在左幅影像中沿每条结构面迹线布设多个锚点；

所述步骤S4中，锚点数量至少为3个，为后续能够精确确定结构面所在平面，沿每条迹线布设8-12个锚点，并记录锚点的像平面坐标；

S5、搜寻锚点在对应右幅影像中的位置；

所述步骤S5中，根据基于图像灰度的模板匹配算法自动确定锚点在对应右幅影像中的位置；

所述基于图像灰度的模板匹配算法，取左幅影像中以锚点为原点，大小为s×t的像素为模板T(s,t)，在右幅影像中从左向右，从上向下依次截取与模板大小相等的区域，定义相似度评分标准：

式中：(s,t)为模板中任一像素坐标；I(x,y)为右幅影像；若恰好完美匹配则评分值接近于1，当R(x,y)取最大值时对应的(x,y)即为锚点在右幅影像中的像平面坐标；

S6、利用共线方程求解锚点三维坐标；

所述步骤S6中，完成两幅影像中对应的锚点匹配后，将锚点在左右影像中的像平面坐标导入共线方程，可列出4个方程，舍弃其中一个，即可计算所有锚点的三维坐标；

S7、确定结构面所在平面方程；

所述步骤S7中，根据每条迹线上计算出的多个锚点的三维坐标(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3,...n，利用最小二乘法求解结构面所在平面方程，平面方程表达式为：

Ax+By+Cz+D＝0(C≠0) (4)

将其变换为如下形式：

令

此时a₀x+a₁y+z+a₂＝0，最小二乘求解平面方程的矩阵表达式为：

利用下式求解(a₀,a₁,a₂)，得到结构面所在平面方程；

S8、根据平面方程解译出结构面的倾向和倾角；

所述步骤S8中，Y轴指向正北方向，故结构面倾向β、倾角α计算如下：

当a₀＞0,a₁＞0时，β＝β₀；

当a₀＞0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＜0时，β＝π+β₀；

当a₀＜0,a₁＞0时，β＝2π+β₀。

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