利用近景攝影測量方法測量和表征巖體表面三維結構特征方法研究

徐國明，翟春慧，隋洪杰

(1.山東招金地質勘查有限公司，山東 招遠 265400；2.招金礦業股份有限公司金翅嶺金礦，山東 招遠 265400)

1 近景攝影測量概述

近景攝影測量屬于攝影測量的一個分支。

它廣泛應用于力學、生物醫學、工業等各個方面。在測量巖體表面時主要具有以下一些特點和優點：①近景攝影測量能在瞬間獲取大量物理信息和幾何信息。所獲取的物理信息及幾何信息方便管理，隨時使用。②利用近景攝影測量技術進行測量時，一般不傷及被測量目標，不干擾被測物自然狀態，測量作業一般不受惡劣環境的影響。③該技術有著嚴謹的理論基礎，并擁有現代軟硬件，可以根據需要，選擇滿足所需工作的不同精度。④近景攝影測量獲取的數據能夠進行快速處理且可以輸出計算的各種結果。該結果的輸出包括多種形式，例如數據、圖形、圖像數字表面模型等。

2 近景攝影測量數據采集及處理

2.1 數據采集

數據采集采用獲取立體像對的方式來完成。

本次實例采用被攝目標不動而相機移動的方法。所采用相機是尼康D80，它屬于非量測相機。非量測攝影機設計制造的初衷不是出于量測目的，但它擁有量測相機所不具備的優點：社會擁有量大、使用方便、價格低廉，同時也適合某種專業的特殊要求，如連續攝影、高速攝影等。

除了數碼相機，還有三角架、用于不同距離時所使用的鏡頭以及用于模型生成的標桿。

數據采集過程中樹立范圍桿的時候應注意以下方面：范圍桿被垂直的豎立在離要進行成像的墻面盡可能近的地方，但不可以影響到成像觀測區域。該范圍桿有一個氣泡水準儀用來保證它處于垂直狀態并且該范圍桿用小三角架來進行固定。同時要保證標桿的上下兩個表盤平行并暴露正對著攝影者。

標桿垂直地表的主要作用：①通過確定表盤上兩個點的距離從而確定出最后生成的三維圖像上任意兩點的距離；②標桿垂直于地表從而以標桿為標準確定出最后生成的三維圖像上結構面的傾角。

2.2 數據處理

近景像片或影像需要經過后期的內業數據處理及影像資料糾正處理。數據采集時使用的是立面圖模式，當用其表現一個立體形態物體時，物體已經通過不同的顏色、明暗程度、重疊遮擋等建立起了一種透視關系從而可以對其細部進行區分，因此內業數據采集人員應熟悉視覺表示的一些基本規律。通過選擇物體特征的結構線條等進一步完善其透視匹配關系，從而使測繪圖件更準確地反映出立體物態的形態。

近景攝影測量過程是一個將模擬型圖件轉化為數字型文件的過程。它既可以轉化為圖紙，又可以以各種數據形式進入信息管理系統中，便于對其進行分析、處理及成果保存管理

此次我們使用的是由奧地利開發的Shape MetriX3D系統。該系統能夠得到被測物體的三維圖像表面。

通過對所獲得的圖片的處理，我們可以將三維圖像真實化，并且對獲得的真實化的三維數據和影像結構進行分析。從而獲得所需要的長度、面積、體積、表面的空間方位、不連續組的空間變化等信息，并可以通過CAD、MS Excell、JPG等多種方式輸出。

3 原理及結果分析

三維圖像生成的原理：大量的成像線彼此相交、重建成一組三位表面點。將這些點連接起來就形成了一個三維表面模型(圖1)。

3.1 原理

在拍攝時，要求相機連線與巖石面平行，從而拍出來的左右照片亦在同一平面上。原理示意圖如圖2所示。同名點像片示意圖如圖3所示。

圖1 三維圖像生成原理圖

圖2 原理示意圖

圖3 同名點像片示意圖

假設

(XS1,YS1,ZS1)=(0,0,0)

則可知

(XS2,YS2,ZS2)=(D0,0,0)

由圖3、圖4可知

此處x1-x2為左右視差。

物體點的坐標為

3.2 精度分析

由以上原理分析可知，影響量測精度的有x1,y1,x2,XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2。

其中x1,y1,x2，是在公式

中直接體現的。因為(XS1,YS1,ZS1)=(0,0,0)是直接假設的，雖然拍攝時保證S1,S2在一條直線上且保證該連線與被測物保持平行。但是在實際測量中并不能完全做到，所以XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2也成為影像精度的因素。

外業近景測量攝影時按精度劃分可以分為毫米級、厘米級、分米級等精度級別范圍。可以根據需要合理選擇被攝物體的攝影精度。此外，攝影站、像控點、攝影縱距和攝影基線長度的選擇應符合規范規定。根據工作過程中的技術要求，選擇不同的內業測圖方法，以滿足測圖精度。

4 總結

本文以通過對一實例的描述，著重闡述了如何通過影像對巖體表面進行三維建模的過程，并對軟件進行了原理及精度分析，同時發現了軟件精度相對較低且受人為影響較大等問題。但近景攝影測量因其測量方便快捷、不干擾被測物自然狀態、可提供基于三維空間坐標的各種產品等優點仍可作為某些場合的測量手段的首選。

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢: 武漢大學出版社, 2002.

[2] 張劍清,潘勵,王樹根.攝影測量學[M].武漢: 武漢大學出版社, 2003.

[3] 王萍.近景攝影測量技術應用的回顧[J].鐵路工程學報, 2006(S1)：168-174.

[4] 程效軍,羅武.基于非量測數字相機的近景攝影測量[J].鐵路航測, 2002(1)：9-11.

[5] 張洪溢.基于金晶攝影技術的混凝土表觀裂縫識別研究[D].武漢：武漢理工大學, 2009.