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基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取
资料介绍
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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（完整内容请下载后查看）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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