利用近景摄影测量方法测量和表征岩体表面三维结构特征方法研究

徐国明，翟春慧，隋洪杰

(1.山东招金地质勘查有限公司，山东 招远 265400；2.招金矿业股份有限公司金翅岭金矿，山东 招远 265400)

1 近景摄影测量概述

近景摄影测量属于摄影测量的一个分支。

它广泛应用于力学、生物医学、工业等各个方面。在测量岩体表面时主要具有以下一些特点和优点：①近景摄影测量能在瞬间获取大量物理信息和几何信息。所获取的物理信息及几何信息方便管理，随时使用。②利用近景摄影测量技术进行测量时，一般不伤及被测量目标，不干扰被测物自然状态，测量作业一般不受恶劣环境的影响。③该技术有着严谨的理论基础，并拥有现代软硬件，可以根据需要，选择满足所需工作的不同精度。④近景摄影测量获取的数据能够进行快速处理且可以输出计算的各种结果。该结果的输出包括多种形式，例如数据、图形、图像数字表面模型等。

2 近景摄影测量数据采集及处理

2.1 数据采集

数据采集采用获取立体像对的方式来完成。

本次实例采用被摄目标不动而相机移动的方法。所采用相机是尼康D80，它属于非量测相机。非量测摄影机设计制造的初衷不是出于量测目的，但它拥有量测相机所不具备的优点：社会拥有量大、使用方便、价格低廉，同时也适合某种专业的特殊要求，如连续摄影、高速摄影等。

除了数码相机，还有三角架、用于不同距离时所使用的镜头以及用于模型生成的标杆。

数据采集过程中树立范围杆的时候应注意以下方面：范围杆被垂直的竖立在离要进行成像的墙面尽可能近的地方，但不可以影响到成像观测区域。该范围杆有一个气泡水准仪用来保证它处于垂直状态并且该范围杆用小三角架来进行固定。同时要保证标杆的上下两个表盘平行并暴露正对着摄影者。

标杆垂直地表的主要作用：①通过确定表盘上两个点的距离从而确定出最后生成的三维图像上任意两点的距离；②标杆垂直于地表从而以标杆为标准确定出最后生成的三维图像上结构面的倾角。

2.2 数据处理

近景像片或影像需要经过后期的内业数据处理及影像资料纠正处理。数据采集时使用的是立面图模式，当用其表现一个立体形态物体时，物体已经通过不同的颜色、明暗程度、重叠遮挡等建立起了一种透视关系从而可以对其细部进行区分，因此内业数据采集人员应熟悉视觉表示的一些基本规律。通过选择物体特征的结构线条等进一步完善其透视匹配关系，从而使测绘图件更准确地反映出立体物态的形态。

近景摄影测量过程是一个将模拟型图件转化为数字型文件的过程。它既可以转化为图纸，又可以以各种数据形式进入信息管理系统中，便于对其进行分析、处理及成果保存管理

此次我们使用的是由奥地利开发的Shape MetriX3D系统。该系统能够得到被测物体的三维图像表面。

通过对所获得的图片的处理，我们可以将三维图像真实化，并且对获得的真实化的三维数据和影像结构进行分析。从而获得所需要的长度、面积、体积、表面的空间方位、不连续组的空间变化等信息，并可以通过CAD、MS Excell、JPG等多种方式输出。

3 原理及结果分析

三维图像生成的原理：大量的成像线彼此相交、重建成一组三位表面点。将这些点连接起来就形成了一个三维表面模型(图1)。

3.1 原理

在拍摄时，要求相机连线与岩石面平行，从而拍出来的左右照片亦在同一平面上。原理示意图如图2所示。同名点像片示意图如图3所示。

图1 三维图像生成原理图

图2 原理示意图

图3 同名点像片示意图

假设

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

则可知

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

由图3、图4可知

此处x1-x2为左右视差。

物体点的坐标为

3.2 精度分析

由以上原理分析可知，影响量测精度的有x1,y1,x2,XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2。

其中x1,y1,x2，是在公式

中直接体现的。因为(XS1,YS1,ZS1)=(0,0,0)是直接假设的，虽然拍摄时保证S1,S2在一条直线上且保证该连线与被测物保持平行。但是在实际测量中并不能完全做到，所以XS2,YS2,ZS2,φ2,ω2,κ2也成为影像精度的因素。

外业近景测量摄影时按精度划分可以分为毫米级、厘米级、分米级等精度级别范围。可以根据需要合理选择被摄物体的摄影精度。此外，摄影站、像控点、摄影纵距和摄影基线长度的选择应符合规范规定。根据工作过程中的技术要求，选择不同的内业测图方法，以满足测图精度。

4 总结

本文以通过对一实例的描述，着重阐述了如何通过影像对岩体表面进行三维建模的过程，并对软件进行了原理及精度分析，同时发现了软件精度相对较低且受人为影响较大等问题。但近景摄影测量因其测量方便快捷、不干扰被测物自然状态、可提供基于三维空间坐标的各种产品等优点仍可作为某些场合的测量手段的首选。

[1] 冯文灏.近景摄影测量[M].武汉: 武汉大学出版社, 2002.

[2] 张剑清,潘励,王树根.摄影测量学[M].武汉: 武汉大学出版社, 2003.

[3] 王萍.近景摄影测量技术应用的回顾[J].铁路工程学报, 2006(S1)：168-174.

[4] 程效军,罗武.基于非量测数字相机的近景摄影测量[J].铁路航测, 2002(1)：9-11.

[5] 张洪溢.基于金晶摄影技术的混凝土表观裂缝识别研究[D].武汉：武汉理工大学, 2009.