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基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取

更新时间：2019-12-30 16:32:48 大小：4M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：摄影测量技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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基    金】 国防科技重点项目(科工二司[2015]297号)资助


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基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取.pdf 4M

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Vol. 19 No. 24 Aug． 2019  
2019 Sci. Tech. Engrg.  
科
学
技
术
与
工
程
19  
24  
2019  
8
年 月  
第
卷
第
期
Science Technology and Engineering  
1671—1815( 2019) 024-0344-08  
: ， ， ．  
引用格式 嵇美伟 章杨松 李晓昭 基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取  
［J］．  
，2019，19( 24) : 344-351  
科学技术与工程  
Ji Meiwei，Zhang Yangsong，Li Xiaozhao． Extraction of rock mass structural attitudes based on photogrammetry technology［J］． Science Tech-  
nology and Engineering，2019，19( 24) : 344-351  
基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取  
1
1*  
2
嵇美伟 章杨松  
李晓昭  
1
南京理工大学土木工程系 南京  
2
南京大学地球科学与工程学院 南京  
(
，
210094;  
，
210093)  
、 、 ，  
为了更高效 全面 安全地获得岩体结构面参数 建立了两种从三维模型中获取结构面参数的算法  
: ply2parameter  
算
摘
要
Scanline 。 ply2parameter  
算法 采用  
，
算法在三维模型上对表现形式为平面的面状结构面采样 根据采样得到的结构面顶点  
法和  
， ， 。  
集合 使用主成分分析计算结构面的法向量 计算岩体结构面参数 采用  
sancline  
算法计算出在三维模型上沿着虚拟测线标  
。 。  
记出的面状结构面和表现形式为迹线的线状结构面的参数 最后对结构面进行优势分组 以甘肃北山的一个岩石露头为例  
。 ，  
应用上述两个算法 将得到的结果和野外实测的结果对比 显示出良好的相关性  
。
Python  
关键词 岩体结构面  
TU455;  
中图法分类号  
近景摄影测量  
三维模型  
主成分分析  
A
文献标志码  
［4］  
， ，  
近些年来 随着核工业的不断发展 核能源的应  
TLS ，  
技术生成三维模型 将现场调查与三  
等
利用  
，
用越来广泛 放射性强的核废料处置问题越来越突  
，
维模型结合用于岩面诊断 降低了岩石处理工作的  
［5］  
。
，
通常核废料的处置场所多建在人烟稀少 地下  
。Vasuki  
等
出
风险并降低了项目成本  
利用无人驾  
，
数十米甚至数百米的岩层中 而岩层是由众多纵横  
( unmanned aerial vehicle，UAV)  
驶飞行器  
SfM  
辨率的岩石表面图像 使用  
拍摄高分  
算法生成三维数字  
、
， ，  
交错的结构面切割而成 往往会产生渗漏等问题 严  
，
， 、 、  
重危害大众的安全 如何方便 可靠 安全地获取裂  
，
模型 并从三维模型中提取出结构面的位置 倾角和  
［6］  
，
隙岩体的裂隙等结构面的二维及三维信息 变得至  
。Westoby  
、
分别在暴露的岩石海岸边 破  
倾向  
裂的冰碛坝复合体和一个冰雕般的基岩脊运用摄影  
SfM  
等
。
关重要 对主导裂隙岩体渗流的裂隙等结构面的快  
、 、 。 ，  
速 安全 准确地获取是亟待解决的问题 例如 节  
测量的方法使用  
算法生成分米级别的高精度三  
、 、 ，  
理 断层 裂隙等岩体结构面的参数的获取 传统的方  
， ， SfM  
维模型 结果表明 摄影测量与  
结合是一种有  
。Sturzenegger  
。
法主要是使用地质罗盘进行测量 受到地形因素的  
、 、  
效 灵活 低成本的复杂地形的方法  
［7］  
， 、 。  
影响 很难快速 全面的获取结构面信息 当露头有  
等
结合近景测量和地面激光扫描技术生成三维  
［8］  
、 ，  
上千 上万个结构面时这个过程不仅耗时 对于比较  
、 。  
模型获取结构面的位置 产状和曲率 赵佳斌等  
，
陡峭的边坡如果使用人工接触式测量不仅危险 有时  
使用摄影测量技术生成三维模型并根据点云识别岩  
。
甚至是不可能的 上述原因都推动着发展新方法  
。
。
体结构面  
，
随着摄影测量技术的出现 基于  
SfM( structure  
出现在露头上的结构面通常有线性的结构面和  
from motion)  
算法可以轻松地根据数码相机拍摄的  
。
面状的结构面两种方式 一种是暴露出来的面状结  
［1，2］  
。
照片使用电脑进行三维重建生成三维模型  
些进展使得数字摄影测量成为一种有效的替代方  
( terres-  
这
， ，  
构面 即结构面与露头表面垂直或近垂直的面 该面  
;
在野外很容易被看到 另外一种以迹线形式表现的  
，
。
线状结构面 现提出从三维露头模型中提取结构面  
法 取代了更为昂贵和复杂的地面激光扫描  
［3］  
trial laser scanning，TLS)  
。
，
近年来 从三维模  
: ply2parameter  
Scanline，  
和 两个算  
技术  
参数的两种算法  
Python  
法均使用  
。Assali  
。ply2parameter  
算法是在三维  
型中获取岩体结构面参数变得越来越常见  
编写  
，
模型中对面状结构面进行采样 使用主成分分析的方  
2019  
2
25  
月 日收到  
年
国防科技重点  
，
法对被涂抹同一颜色的顶点集进行计算 计算出该结  
( ［2015］297  
项目 科工二司  
)
号 资助  
、 、k。Scanline  
构面的产状 迹长  
算法是在与虚拟测线  
:
第一作者简介 嵇美伟  
( 1993—) ， ， ， ，  
男 汉族 江苏盐城人 硕士研究  
3 3 ，  
相交的结构面上选择 个或 个以上的点 并使用向  
。E-mail: jimeiwei@ icloud． com。  
生
*
、
量代数方法计算出所有与测线相交结构面的产状 迹  
:
通信作者简介 章杨松  
( 1962—) ， ， ， ， ，  
男 汉族 安徽太湖人 博士 硕士  
、
长和该测线相交的结构面的平均间距 线密度  
。
。E-mail: zysnj318@ 126． com。  
研究生导师  
24  
， :  
嵇美伟 等 基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取  
345  
期
1
获取岩体结构面参数的方法  
，SfM  
一般来说  
算法在一组固定参数的重叠图  
( ) ，  
像来自动检测图像中的公共点 特征点 然后计算  
，
每个公共点的相机参数和空间坐标 生成稀疏的点  
。
，
在稀疏点云中输入已经识别的点来提高精度  
云
。
而后形成密集的点云 点云可以用来生成不规则三  
。 ，  
角形网格 根据应用程序的不同 点云和网格也可  
， ，  
以重新采样 生成具有规则间距的模型 生成的网格  
S
;
为两个结构面的间距 α 为测线与结构的夹角  
。
还可用于计算栅格数字高程模型 在网格生成之  
1
图
测线法示意图  
，
后 使用纹理映射将图像信息分配给每个三角形网  
Fig. 1 Schematic diagram of scanline method  
，
格 并 给 组 成 三 角 形 网 格 的 每 个 顶 点 分 配 一 个  
， x  
测线 平 均 间 距 和 平 均 间 距 λ 的 计 算 方 法 如  
( U，V)  
， 。  
坐标 表示纹理映射中的一个点 这些坐标  
( 2) 、 ( 3) :  
式 所示  
式
，
将在纹理映射中裁剪为一个个三角形 并将其粘贴  
x = L /N  
( 2)  
( 3)  
［3］  
。
到相应三角形网格上  
= N/L = 1 /x  
λ
。
摄影测量的精确程度取决于图像质量和分辨率  
2
，
原则上 无论是配备专业定焦镜头的相机还是简单的  
算法描述  
，
数码相机 都可以使用  
SfM  
，
算法生成三维模型 但是  
数字网格是计算机图形学和实体建模中最常见  
，
为了获得一个精确的模型 更推荐使用专业的相机  
，
， 、 。  
的表示形式 其由顶点 边和面集合表示 由此产生  
， ，  
因为他们有更多的控制设置 可以更换镜头 拍摄的  
的一个问题便是如何从由网格组成的三维模型中提  
。 ，  
照片也拥有更高的分辨率 此外 他们可以拍摄原始  
。 2  
取结构面参数 总体工作流程如图 所示  
。
，
的 一种未压缩的文件格式  
TIFF，  
它们更适合摄影测  
2. 1  
使用向量表示产状  
。
量使用 度量由于采样而产生的分辨率限制的单位  
，
根据空间解析几何原理 空间任一平面可由其法  
( ground sample distance，GSD) ，  
叫做地面采样距离  
。
向量表示 通过与结构面法向量平行的单位向量计  
GSD  
是平面上测量的两个连续像素中心之间的线性  
， ，  
算岩体结构面的产状 可以使用计算机编程计算 且  
。GSD  
距离  
PI、 f  
镜头焦距 和相机与  
是相机像素大小  
。 ，  
便于操作 为了便于数据的分析计算 根据右手法  
D 。GSD  
拍摄物体距离 的函数  
，
越大 代表着图像的  
， : x ，  
则 现构建如下空间直角坐标系 轴指向东为正  
，
空间分辨率越差 可见的细节也越少  
:
y
，z 。  
轴指向北为正 轴指向上为正 假设某岩体结构  
GSD = D·PI/f  
( 1)  
， ，  
面的倾角为 θ 倾向 α 某平面的单位法向量为  
［9］  
，
根据国际岩石力学学会 的观点 一般存在主  
u
x
y
z
sin sin  
α θ  
( ) ( )  
观 偏向性 和客观 随机性 两种岩石结构面取样  
u =  
=
( 4)  
u
cos sin  
α
θ
。
的方法 主观取样指是只关注那些认为重要的结构  
cos  
θ
u
， 。  
面 因此很依赖于专业人员的判断 客观取样指所  
，
在空间坐标系中 法向量转换成倾向 θ 和倾角  
。
有与测线相交或在指定区域内的结构面 尽管第一  
( 5) 、 ( 6) :  
式 所示  
α 的公式如式  
，
种方法比第二种方法快 但在无法确定优势分组的  
= arccosu  
( 5)  
( 6)  
θ
z
， 。  
时候 第二种方法是更好的选择 最常见的客观取  
= arctan( u ，u )  
x y  
α
。 、  
样方法是测线法 这是一种快速的 系统的调查方  
2
算法工作流程如图 所示  
。
， ， 1 ，  
法 在平行于露头的区域布置测线 如图 所示 该  
2. 2 Scanline  
算法介绍和流程  
MeshLab PickPoints  
中的  
，
采样方法的主要缺点是依赖于测线的方向 导致平  
使用  
工具在三维模型  
。
行于测线方向的结构面采样不足 可以根据  
Terza-  
［10］  
。 ， :  
上标记虚拟测线 首先 在模型上标记两个点 测线  
ghi  
研究对暴露岩石表面非随机方向的影响进行  
。 ，  
的起点和终点 然后 在与该测线相交的所有结构  
，
修正 可以减少这些问题  
。
3 3 ，  
面上选择 个或 个以上的点 操作示意图如图  
3
测线法在岩土工程种的广泛应用是由于它不仅  
。 ，  
所示 完成后 软件会将所有点导出到一个  
XML  
文
，
可以得到结构面的产状 而且可以得到这些结构面  
，
件中 存储了所有选中点的的序号和其空间坐标  
。
。
在岩体中的分布 沿着测线可以计算它们的平均间  
3 ，  
假设在某一结构面选择了 个点 分别是  
a
、
点
x
。 L  
和结构面的平均间距 λ 假设有一长度为 的  
距

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