平硐正射影像展示图生成方法研究

何燕兰，李浩，陈新玺

(1.江苏省地质测绘院，江苏 南京　210098；　2.河海大学，江苏 南京　210098；　3.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海　200137)



平硐正射影像展示图生成方法研究

何燕兰1*，李浩2，陈新玺3

(1.江苏省地质测绘院，江苏 南京210098；2.河海大学，江苏 南京210098；3.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海200137)

摘要：针对现有摄影地质编录方法处理平硐工作量大、效率不高的缺点，在自主研制的高精度活动控制架基础上，研究了基于普通数码影像的平硐正射影像展示图的快速生成方法。精度分析及实验证明该方法现场作业效率高、内业处理方便快速，且精度达到施工地质编录要求。

关键词：摄影地质编录；活动控制架；平硐；正射影像展示图

1引言

平硐主要是指水利水电工程中用于勘探地质条件的中小型硐室，地质人员通过平硐查明工程建筑物地区的工程地质条件，从而分析预测可能出现的工程地质问题，充分利用有利的地质条件，避开或改造不利的地质因素，为工程的规划、设计、施工、运用和管理提供可靠的地质资料。因此平硐的地质编录是水利水电工程建设中及其重要的一环，研究平硐的摄影地质编录方法具有重要的实际意义和应用价值。

文献[1]～[8]详细介绍了基于普通数码相机的数字摄影地质编录系统的基本原理与应用，由上述文献可知进行摄影地质编录的关键是制作正射影像展示图。但由于平硐一般硐径较小，若在平硐中采用文献[1]～[3]介绍的获取原始影像方法来生成正射影像展示图，需要布设很多拍摄站点，势必会增加现场及内业工作量，影响地质编录的工作效率。因此本文研究基于普通数码影像的平硐正射影像展示图的快速生成方法。

2平硐正射影像展示图制作原理

平硐正射影像展示图是通过将原始像片投影到目标柱面得到的，目标柱面由已知的硐形参数确定。正射影像展示图是保留了丰富的地质和地貌特征的平面展示图，是地质编录的底图。本文利用自行研发的高精度活动控制架，采用物方控制原理对原始影像进行正射纠正；并根据纠正边界自动镶嵌纠正影像，生成正射影像展示图。平硐正射影像展示图制作流程如图1所示。

3原始影像获取

自行研制的高精度活动控制架上布设了6个控制点，6个控制点的相对位置固定，相对参数通过实验室检测得到。由于活动控制架具有自动整平功能及激光定向功能，因此架设好控制架后只需要记录控制架基点坐标即可得到6个控制点的坐标。自行研制的高精度活动控制架如图2所示。

本文采取的影像获取方式为物方方式。在硐室的中轴线上安置活动控制架，在中轴线附近手持普通数码相机拍摄硐壁及控制架；向着控制架方向，大致每隔相同的距离拍摄一张影像，直到影像包含的控制点数小于4个无法较准确的计算外方位时停止拍摄，即完成了一个摄段的拍摄。向前移动活动控制架，按照上述方法重复操作即可获取整个硐室的原始影像，如图3所示。

4影像展示图生成算法

4.1影像几何纠正

影像几何纠正是将目标柱面影像沿左硐壁底线展开为平面，得到单张硐室展示影像的过程。由于平硐主要是矩形硐，现以矩形硐为例阐述其纠正原理及方法。

设硐宽为W，硐高为H，则平硐柱面方程为：

(1)

上式中X2、Y2、Z2是物点在硐室工程坐标系D-X2Y2Z2下的坐标，如图4所示；其中X2过硐轴线，指向拍摄方向；Y2垂直于X2，指向左硐壁；Z2竖直向上。其对应的像空间辅助坐标系S-u2v2w2，坐标轴u2、v2、w2分别平行于硐室工程坐标系D-X2Y2Z2的X2、Y2、Z2轴。

设硐壁上一点A，在硐室工程坐标系中的坐标为(XA，YA，ZA)，其对应的像点a的坐标为(x，z)，像空间辅助坐标为(u2，v2，w2)，光线Sa存在以下的关系。

(2)

式中Xs2、Ys2、Zs2是相机投影中心在硐室工程坐标系D-X2Y2Z2下的坐标，如图5所示。

利用活动控制架建立控制物方坐标系D-X1Y1Z1如图5所示；其中Y1过硐轴线，指向拍摄方向；X1垂直于Y1指向右硐壁；Z1竖直向上。其对应的像空间辅助坐标系为S-u1v1w1，其中S为投影中心，坐标轴u1、v1、w1分别平行于物方空间坐标系D-X1Y1Z1的X1、Y1、Z1轴。在物方空间坐标系D-X1Y1Z1中利用活动控制架的控制点坐标计算出影像外方位(Xs1，Ys1，Zs2，φ1，ω1，κ1)，并利用外方位的角元素及像点a(x，z)，根据公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出像点a的像空间辅助坐标(u1，v1，w1)。

由图4、图5可知：(u1，v1，w1)与(u2，v2，w2)，(Xs1，Ys1，Zs1)与(Xs2，Ys2，Zs2)的关系为：

(3)

将式(3)代入式(2)可得：

(4)

由(u1，v1，w1)及墙面目标面的方程计算出λ，从而根据式(4)解出光线Sa和墙面目标面的交点A在硐室工程坐标系下的坐标(XA，YA，ZA)。

根据A在硐室工程坐标系下的坐标(XA，YA，ZA)得出A点在目标展示影像的像平面坐标(物方实际尺寸)(CX，CY)的公式为：

CX=XA

(5)

确定原始像片上的任一像元点在目标展示影像图上的相应位置；目标展示影像像平面坐标系O-CXCY如图6所示，其中CX轴指向硐室的纵深方向，CY轴指向各墙面展开的方向。

取出目标展示影像上的任一像元点(CX，CY)，将像元点的坐标(CX，CY)反算为硐室工程坐标(XA，YA，ZA)。再由式(4)计算出该点的(u1，v1，w1)，最终根据公式[u1，v1，w1]T=R[x，-f，z]T得出该点的像平面坐标(x，z)，在原始影像上找到相应的位置，通过线性插值取出灰度赋给目标展示影像像点(CX，CY)。如此便得到单张纠正影像。

由于本文采取的拍摄方法是朝着硐轴方向，为了得到变形最小的影像，保证编录精度，并不是将原始影像上的所有像点进行纠正，而是只纠正一定范围内的像点。纠正范围的确定是根据原始影像最外沿的像点，计算得到其对应的硐室工程坐标系中的物点坐标(X2，Y2，Z2)，找出X2的最大值；只在X2+△X的宽度中进行几何纠正，△X由拍摄间距确定。

4.2影像镶嵌

影像镶嵌即将几何校正后的多张影像局部展示图自动拼接成完整的硐室影像展示图的影像处理过程。影像拼接的依据是正射影像展示图的展示坐标。由于影响展示精度的主要因素是拍摄距离及影像变形。拍摄距离越近、影像变形越小精度越好，因此影像拼接时采用用距离近的影像覆盖距离远的影像，从而完成多张正射影像展示图的镶嵌。

5基于影像展示图的编录方法

平硐展示图以影像形式客观、详尽、准确地记录了平硐地质信息，像点与硐室的目标柱面上物点之间存在一一对应关系，地质编录只需以影像展示图为底图描绘出构造线，标注应用的产状要素及岩层特性即可。

6精度分析及实验

6.1理论精度

(1)像点构像精度

像点构像精度主要取决于构像畸变残差及内方位元素误差，根据控制场检测方法得出考虑构像畸变残差及内方位元素误差联合影像，像点坐标中误差mx=my≈2像元。

(2)平硐影像展示图的精度

以直墙硐壁为例，由式(4)可导出投影点的物方空间坐标中误差：

(6)

设像平面坐标为X=200，Y=200像素，根据上述外方位精度及式(6)，当距离为 6 m时，最坏情况下mX=28 mm、mZ=23 mm满足地质编录要求。

6.2实际试验精度

(1)实验结果

经过影像的构象畸变校正、影像几何纠正、影像增强及影像镶嵌等得到的硐室展示影像图如图8所示。检查点的精度如表1所示：

x均方差：7.629 mm；y均方差：0.75 mm；z均方差：3.820 mm。

7结语

本文针对现有摄影地质编录方法处理平硐工作量大、效率不高的缺点，提出了基于普通数码影像的平硐正射影像展示图的快速生成方法。通过仿真实验证明该方法方便可行，且精度达到施工地质编录要求，实现了平硐的快速摄影地质编录，提高平硐的摄影地质编录效率。为了更好地提高平硐摄影地质编录效率，笔者将研究实现控制点的自动提取及使用摄影的方式获取原始影像。

参考文献

[1]李浩，张友静，华锡生. 硐室摄影地质编录原理及其精度[J]. 武汉大学学报，2002，27(6)：578～581.

[2]杨朝辉，李浩. 洞室数字正射影像展示图的生成[J]. 测绘信息与工程，2003，28(3)：16～18.

[3]李浩，张友静，华锡生等. 硐室数字摄影地质编录及其基本算法研究[J]. 武汉大学学报，2004，29(9)：805～808.

[4]张友静，李浩，刘新中. 摄影地质快速编录的关键技术研究[J]. 水文地质工程地质，2003，3：36～38.

[5]杨立君，李浩. 数字地质编录中坡面展示影像图的制作研究[J]. 现代测绘，2004，27(6)：33～35.

[6]刘新中，李浩. 施工地质数码影像编录系统的开发与应用[J]. 水文地质工程地质， 2005，4：93～96.

[7]王明华. 复杂硐室地质编录信息系统关键技术研究[D]. 南京：河海大学，2007.

[8]杨彪. 基于普通数字影像的近景摄影测量技术研究与应用[D]. 南京：河海大学，2004.

Making Orthographic Image of Underground Chamber Based on Common Digital Imaging

He Yanlan1，Li Hao2，Chen Xinxi3

(1.College of Civil Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.HoHai University，Nanjing 210098，China；3.Shanghai ocean engineering survey and Design Research Institute，Shanghai 200137，China)

Key words：photo geologic logging；high-precision control tripod orthographic image；underground chamber

Abstract：Using existing methods of geologic logging in underground chamber bring hard and inefficient work， so we independently developed a high-precision control tripod. Based on the high-precision control tripod， we research the methods of making orthographic image of underground chamber. Simulation experiments prove this method is efficient， convenient and its’ precision satisfied geologic logging’s request.

文章编号：1672-8262(2016)03-101-04

中图分类号：P624.5

文献标识码：A

*收稿日期：2016—02—18

作者简介：何燕兰(1983—)，女，硕士，工程师，主要从事摄影测量及地理信息系统开发工作。