平硐正射影像展示圖生成方法研究

何燕蘭，李浩，陳新璽

(1.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京　210098；　2.河海大學，江蘇 南京　210098；　3.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上?！?00137)

?

平硐正射影像展示圖生成方法研究

何燕蘭1*，李浩2，陳新璽3

(1.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京210098；2.河海大學，江蘇 南京210098；3.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海200137)

摘要：針對現(xiàn)有攝影地質(zhì)編錄方法處理平硐工作量大、效率不高的缺點，在自主研制的高精度活動控制架基礎上，研究了基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。精度分析及實驗證明該方法現(xiàn)場作業(yè)效率高、內(nèi)業(yè)處理方便快速，且精度達到施工地質(zhì)編錄要求。

關鍵詞：攝影地質(zhì)編錄；活動控制架；平硐；正射影像展示圖

1引言

平硐主要是指水利水電工程中用于勘探地質(zhì)條件的中小型硐室，地質(zhì)人員通過平硐查明工程建筑物地區(qū)的工程地質(zhì)條件，從而分析預測可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，充分利用有利的地質(zhì)條件，避開或改造不利的地質(zhì)因素，為工程的規(guī)劃、設計、施工、運用和管理提供可靠的地質(zhì)資料。因此平硐的地質(zhì)編錄是水利水電工程建設中及其重要的一環(huán)，研究平硐的攝影地質(zhì)編錄方法具有重要的實際意義和應用價值。

文獻[1]～[8]詳細介紹了基于普通數(shù)碼相機的數(shù)字攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)的基本原理與應用，由上述文獻可知進行攝影地質(zhì)編錄的關鍵是制作正射影像展示圖。但由于平硐一般硐徑較小，若在平硐中采用文獻[1]～[3]介紹的獲取原始影像方法來生成正射影像展示圖，需要布設很多拍攝站點，勢必會增加現(xiàn)場及內(nèi)業(yè)工作量，影響地質(zhì)編錄的工作效率。因此本文研究基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。

2平硐正射影像展示圖制作原理

平硐正射影像展示圖是通過將原始像片投影到目標柱面得到的，目標柱面由已知的硐形參數(shù)確定。正射影像展示圖是保留了豐富的地質(zhì)和地貌特征的平面展示圖，是地質(zhì)編錄的底圖。本文利用自行研發(fā)的高精度活動控制架，采用物方控制原理對原始影像進行正射糾正；并根據(jù)糾正邊界自動鑲嵌糾正影像，生成正射影像展示圖。平硐正射影像展示圖制作流程如圖1所示。

3原始影像獲取

自行研制的高精度活動控制架上布設了6個控制點，6個控制點的相對位置固定，相對參數(shù)通過實驗室檢測得到。由于活動控制架具有自動整平功能及激光定向功能，因此架設好控制架后只需要記錄控制架基點坐標即可得到6個控制點的坐標。自行研制的高精度活動控制架如圖2所示。

本文采取的影像獲取方式為物方方式。在硐室的中軸線上安置活動控制架，在中軸線附近手持普通數(shù)碼相機拍攝硐壁及控制架；向著控制架方向，大致每隔相同的距離拍攝一張影像，直到影像包含的控制點數(shù)小于4個無法較準確的計算外方位時停止拍攝，即完成了一個攝段的拍攝。向前移動活動控制架，按照上述方法重復操作即可獲取整個硐室的原始影像，如圖3所示。

4影像展示圖生成算法

4.1影像幾何糾正

影像幾何糾正是將目標柱面影像沿左硐壁底線展開為平面，得到單張硐室展示影像的過程。由于平硐主要是矩形硐，現(xiàn)以矩形硐為例闡述其糾正原理及方法。

設硐寬為W，硐高為H，則平硐柱面方程為：

(1)

上式中X2、Y2、Z2是物點在硐室工程坐標系D-X2Y2Z2下的坐標，如圖4所示；其中X2過硐軸線，指向拍攝方向；Y2垂直于X2，指向左硐壁；Z2豎直向上。其對應的像空間輔助坐標系S-u2v2w2，坐標軸u2、v2、w2分別平行于硐室工程坐標系D-X2Y2Z2的X2、Y2、Z2軸。

設硐壁上一點A，在硐室工程坐標系中的坐標為(XA，YA，ZA)，其對應的像點a的坐標為(x，z)，像空間輔助坐標為(u2，v2，w2)，光線Sa存在以下的關系。

(2)

式中Xs2、Ys2、Zs2是相機投影中心在硐室工程坐標系D-X2Y2Z2下的坐標，如圖5所示。

利用活動控制架建立控制物方坐標系D-X1Y1Z1如圖5所示；其中Y1過硐軸線，指向拍攝方向；X1垂直于Y1指向右硐壁；Z1豎直向上。其對應的像空間輔助坐標系為S-u1v1w1，其中S為投影中心，坐標軸u1、v1、w1分別平行于物方空間坐標系D-X1Y1Z1的X1、Y1、Z1軸。在物方空間坐標系D-X1Y1Z1中利用活動控制架的控制點坐標計算出影像外方位(Xs1，Ys1，Zs2，φ1，ω1，κ1)，并利用外方位的角元素及像點a(x，z)，根據(jù)公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出像點a的像空間輔助坐標(u1，v1，w1)。

由圖4、圖5可知：(u1，v1，w1)與(u2，v2，w2)，(Xs1，Ys1，Zs1)與(Xs2，Ys2，Zs2)的關系為：

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

由(u1，v1，w1)及墻面目標面的方程計算出λ，從而根據(jù)式(4)解出光線Sa和墻面目標面的交點A在硐室工程坐標系下的坐標(XA，YA，ZA)。

根據(jù)A在硐室工程坐標系下的坐標(XA，YA，ZA)得出A點在目標展示影像的像平面坐標(物方實際尺寸)(CX，CY)的公式為：

CX=XA

(5)

確定原始像片上的任一像元點在目標展示影像圖上的相應位置；目標展示影像像平面坐標系O-CXCY如圖6所示，其中CX軸指向硐室的縱深方向，CY軸指向各墻面展開的方向。

取出目標展示影像上的任一像元點(CX，CY)，將像元點的坐標(CX，CY)反算為硐室工程坐標(XA，YA，ZA)。再由式(4)計算出該點的(u1，v1，w1)，最終根據(jù)公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出該點的像平面坐標(x，z)，在原始影像上找到相應的位置，通過線性插值取出灰度賦給目標展示影像像點(CX，CY)。如此便得到單張糾正影像。

由于本文采取的拍攝方法是朝著硐軸方向，為了得到變形最小的影像，保證編錄精度，并不是將原始影像上的所有像點進行糾正，而是只糾正一定范圍內(nèi)的像點。糾正范圍的確定是根據(jù)原始影像最外沿的像點，計算得到其對應的硐室工程坐標系中的物點坐標(X2，Y2，Z2)，找出X2的最大值；只在X2+△X的寬度中進行幾何糾正，△X由拍攝間距確定。

4.2影像鑲嵌

影像鑲嵌即將幾何校正后的多張影像局部展示圖自動拼接成完整的硐室影像展示圖的影像處理過程。影像拼接的依據(jù)是正射影像展示圖的展示坐標。由于影響展示精度的主要因素是拍攝距離及影像變形。拍攝距離越近、影像變形越小精度越好，因此影像拼接時采用用距離近的影像覆蓋距離遠的影像，從而完成多張正射影像展示圖的鑲嵌。

5基于影像展示圖的編錄方法

平硐展示圖以影像形式客觀、詳盡、準確地記錄了平硐地質(zhì)信息，像點與硐室的目標柱面上物點之間存在一一對應關系，地質(zhì)編錄只需以影像展示圖為底圖描繪出構造線，標注應用的產(chǎn)狀要素及巖層特性即可。

6精度分析及實驗

6.1理論精度

(1)像點構像精度

像點構像精度主要取決于構像畸變殘差及內(nèi)方位元素誤差，根據(jù)控制場檢測方法得出考慮構像畸變殘差及內(nèi)方位元素誤差聯(lián)合影像，像點坐標中誤差mx=my≈2像元。

(2)平硐影像展示圖的精度

以直墻硐壁為例，由式(4)可導出投影點的物方空間坐標中誤差：

(6)

設像平面坐標為X=200，Y=200像素，根據(jù)上述外方位精度及式(6)，當距離為 6 m時，最壞情況下mX=28 mm、mZ=23 mm滿足地質(zhì)編錄要求。

6.2實際試驗精度

(1)實驗結果

經(jīng)過影像的構象畸變校正、影像幾何糾正、影像增強及影像鑲嵌等得到的硐室展示影像圖如圖8所示。檢查點的精度如表1所示：

x均方差：7.629 mm；y均方差：0.75 mm；z均方差：3.820 mm。

7結語

本文針對現(xiàn)有攝影地質(zhì)編錄方法處理平硐工作量大、效率不高的缺點，提出了基于普通數(shù)碼影像的平硐正射影像展示圖的快速生成方法。通過仿真實驗證明該方法方便可行，且精度達到施工地質(zhì)編錄要求，實現(xiàn)了平硐的快速攝影地質(zhì)編錄，提高平硐的攝影地質(zhì)編錄效率。為了更好地提高平硐攝影地質(zhì)編錄效率，筆者將研究實現(xiàn)控制點的自動提取及使用攝影的方式獲取原始影像。

參考文獻

[1]李浩，張友靜，華錫生. 硐室攝影地質(zhì)編錄原理及其精度[J]. 武漢大學學報，2002，27(6)：578～581.

[2]楊朝輝，李浩. 洞室數(shù)字正射影像展示圖的生成[J]. 測繪信息與工程，2003，28(3)：16～18.

[3]李浩，張友靜，華錫生等. 硐室數(shù)字攝影地質(zhì)編錄及其基本算法研究[J]. 武漢大學學報，2004，29(9)：805～808.

[4]張友靜，李浩，劉新中. 攝影地質(zhì)快速編錄的關鍵技術研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，3：36～38.

[5]楊立君，李浩. 數(shù)字地質(zhì)編錄中坡面展示影像圖的制作研究[J]. 現(xiàn)代測繪，2004，27(6)：33～35.

[6]劉新中，李浩. 施工地質(zhì)數(shù)碼影像編錄系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2005，4：93～96.

[7]王明華. 復雜硐室地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 南京：河海大學，2007.

[8]楊彪. 基于普通數(shù)字影像的近景攝影測量技術研究與應用[D]. 南京：河海大學，2004.

Making Orthographic Image of Underground Chamber Based on Common Digital Imaging

He Yanlan1，Li Hao2，Chen Xinxi3

(1.College of Civil Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.HoHai University，Nanjing 210098，China；3.Shanghai ocean engineering survey and Design Research Institute，Shanghai 200137，China)

Key words：photo geologic logging；high-precision control tripod orthographic image；underground chamber

Abstract：Using existing methods of geologic logging in underground chamber bring hard and inefficient work， so we independently developed a high-precision control tripod. Based on the high-precision control tripod， we research the methods of making orthographic image of underground chamber. Simulation experiments prove this method is efficient， convenient and its’ precision satisfied geologic logging’s request.

文章編號：1672-8262(2016)03-101-04

中圖分類號：P624.5

文獻標識碼：A

*收稿日期：2016—02—18

作者簡介：何燕蘭(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事攝影測量及地理信息系統(tǒng)開發(fā)工作。