数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用

数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用

卢彬李积玲田秦娜

青海省第一测绘院青海西宁810000

摘要：随着社会经济的发展，近景摄影测量的应用越来越广泛，目前近景摄影测量已经广泛应用于建筑工程、航空航天技术、汽车制造、医学、古建筑与古文化研究以及考古等领域。文章重点就数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用进行研究分析，以供参考。

关键词：数字近景摄影测量；岩体；裂隙信息；工程应用

引言

裂隙岩体中节理裂隙的几何尺寸影响岩体变形性与稳定性，岩体中裂隙的迹长及其概率分布特征是岩体特征的重要参数。但快速有效地采集裂隙的迹长信息却较困难，传统的方法是采用皮尺测量迹长，但该方法的精度和效率都很低；人工直接干预现场的时间长，影响现场施工的进度，特别是在一些工期紧，且危险性较大的地下隧道施工中，这种影响尤为突出。因此，高效率、高精度地获取施工现场岩体裂隙信息是当前工程地质领域亟待解决的重要问题，国内有关学者在此方面进行了一些探索，并取得了一些成果。

1数字近景摄影测量概述

1.1数字近景摄影测量内涵

数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄影像用数字表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科，依据原始的数字影像，通过数字处理得到数字产品，同时把摄影距离约小于100m的摄影测量称之为近景摄影测量。近景摄影测量是通过摄影手段以确定（地形以外）目标的外形和运动状态的摄影测量与遥感的分支学科，它可以瞬间获取被测物体的大量物理和几何信息，是一种非接触式的测量手段，它可以基于数字信息和数字影像技术以及自控技术手段，提供基于三维空间坐标的各种产品，鉴于近景摄影测量的众多优点，它已广泛地应用于工业、生物医学、建筑学等领域的基础研究与应用研究的各个方面。

1.2近景摄影成像原理

通过摄影手段以确定目标外形的测量方法称为近景摄影测量，相机的姿态定位及数字照片的定位是近景摄影的关键技术，其定位方式直接关系到相机的成像精度。目前市场上技术成熟的非量测摄影系统有AICON公司的德通社-pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统等。使用非量测摄影系统进行三维定位点构建时，经常使用形如标准的非编码点和编码点的人工标识，方便于软件在定位解算时识别，是因为非量测摄影系统不具备专业量测摄影系统的定位框标，无法进行相片的内方位元素和外方位元素的定位，二维图像重建广场空间是近景摄影测量的主要任务，这是图像形成的反过程。近景摄影测量中常用的坐标系统有三种，对物体进行三维测量可以利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程，能够解算出物方点坐标。由于对摄影精度要求较为苛刻，为了确保摄影精度，在近景摄影测量中，常常使用多重交向摄影技术对被测物体进行测量。通过一点多角度多次摄影，就能达到较高测量精度。多摄站式交向摄影，超过两次对同一点的摄影，有利于被测物体精度的提高和软件解算的稳定性。但是一般两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位。

2数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用

2.1数码相机的检测

鉴于普通数码相机为非量测相机，必须进行检校后才能有效地控制影像的几何精度，数码相机的检校有很多种方法，采用在实验场中建立格网目标，测定格网点的物方坐标后，拍摄像片并量取格网点的像方坐标，结合共线方程经过坐标反算后得到相机的镜头畸变系数和内方位元素，研究中采用Canon数码相机，检测其镜头畸变系数k1=2.659×10-8，并测定内方位元素，这是采用JX-4A工作站进行数据处理的基础。

2.2控制测量

通过近景摄影测量的控制可以将近景摄影测量网纳入到给定的物方空间坐标系，还可以通过多余的控制加强摄影测量网的强度以及检查摄影测量的精度和可靠性。控制点的个数≥6个，其布置应避免在一个平面上，一般要求是均匀地布置控制点，使它们环绕被测目标，并且使各控制点在像片上的构像范围越大越好。控制点的三维坐标测定采用空间前方交会法，使用标准全站仪进行测量，算出控制点的三维坐标的精度为0.5mm，满足后续数据处理的需要。

2.3摄影操作

研究中使用Canon数码相机，拍摄时选自动调焦模式，选择影像分辨率为1856×1392像素。采用移动相机法正直摄影方式获取立体像对，摄影系数K（摄影距离y与摄影基线B之比）取10。拍摄时尽可能获取最有效的摄影覆盖，尽量避开屏障，防止出现摄影死角，通过摄影得到目标体的两张像片13.JPEG和15.JPEG，用其建立目标体的三维立体模型。

2.4数据处理

第一，相机数码图像预处理。用来建立目标体立体模型的JX-4A数字摄影测量工作站，只能处理*.TIF格式的图像，用Canon数码相机所获得的数字图像是JPEG文件格式的彩色图像，所以必须进行格式转换。研究中用Photoshop图像处理软件来实现文件格式的转换；第二，相机文件的建立。JX-4A进行数据处理时，必须首先建立相机文件，以确定影像的像平面坐标系，研究中根据影像的宽度和高度及内方位元素，确定影像四个角点的坐标，从而确定像平面坐标系，进行相机文件的建立；第三，控制点文件的建立。三维控制点的测定采用空间前方交会法，通过编制的三维空间坐标计算程序可以快速解算出控制点的三维坐标，建立控制点文件，备JX-4A数据处理时用；第四，JX-4A处理图像。应用JX-4ADPW工作站进行图像处理，获得目标体的立体模型的工作流程图（如图1）。根据岩体目标的影像情况，选取手工定向的方式对影像进行处理，获取目标体上的裂隙迹线图。

图1JX-4ADPW工作流程图

3实验结果分析

实验中以全站仪测出来的裂缝信息为真值，其他方法所获取的结果与其进行比较。数字近景摄影测量得出的裂隙与全站仪得出的裂隙信息基本吻合，而皮尺测量的裂隙与之相比相差较大。从定量上统计8条裂隙的信息，计算出数字近景摄影测量方法测得的裂隙点位中误差和长度中误差。统计结果表明，数字近景摄影测量测得的裂隙点位中误差为0.029m，皮尺测量的点位中误差为0.032m，数字近景摄影测量测得的裂隙长度中误差为0.020m，皮尺测量的长度中误差为0.022m。

结束语

综上所述，数字近景摄影测量方法获取岩体裂隙迹长信息与传统的皮尺测量手段相比，不仅提高了获取裂隙信息的精度，而且速度快、效率高，还可以实现遥测，更适应工程快速施工要求。

参考文献：

[1]王洋.基于数字图像技术岩体隧道开挖三维模型数值实现与分析[D].东北大学，2010.

[2]马丽霞.基于活动控制—近景摄影测量的岩体结构面几何信息的快速获取[D].吉林大学，2010.