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CN108597023B - 一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法 - Google Patents

一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，基本步骤为：选择地质露头特征点或设置人工标志作为尺度标识点；地质露头影像采用固定焦距的相机进行采集；进行空中三角测量，自动提取连接点，通过连接点反算确定影像位置；模型尺度信息添加；再次进行空中三角测量；通过连接点构建不规则三角网，生成白体模型，对其进行影像贴加得到地质露头三维模型；优化模型，填补模型孔洞和裁剪不感兴趣区域，实现模型最优化。本发明提供的方法科学合理、易于实现、精度高等优点，利用单反相机对地质露头进行影像采集构建地质露头三维模型。

Description

一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法
技术领域
本发明涉及三维可视化地质建模技术领域，尤其涉及一种地质露头三维模型构建的应用领域，具体是一种通过单反相机采集地质露头影像，利用影像数据构建地质露头三维模型的方法。
背景技术
地质露头是裸露于地表的地质体，研究地质露头特征是了解地下储层地质情况的重要手段。随着地质研究目标越来越趋向于精细化和复杂化，地质体表征尺度越来越小，传统的地质露头考察(以地质锤、标杆为参照物拍摄照片)用来获取地质体参数的方法已经难以满足发展需求。
地质体三维建模技术已应用于地质工程领域。地质露头三维模型是利用数字化手段采集地质露头的空间信息、颜色信息和纹理信息，真实还原地质露头野外场景，通过该模型可实现对地质露头特征的精细化三维空间分析和重复研究。当前的地质露头三维建模方法主要利用三维激光扫描仪采集地质露头的点云信息(即空间信息)，结合单反相机采集影像数据，通过两者融合建模得到地质露头三维模型，但三维激光扫描仪价格昂贵且操作复杂，在地质考察中未能普遍应用。
为了探索一种成本低且操作简单的地质露头三维建模方法，本发明采用摄影测量技术，发明了一套基于单反相机影像数据的地质露头三维模型构建方法，基于该模型可实现地质露头的精细化描述和高精度量测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，充分考虑地质露头的特点和地质考察的需要，通过开展地质三维露头建模，还原地质露头现场场景，可实现地质露头的精细化量测与描述。
(二)技术方案
本发明包含以下步骤：
(1)设置尺度标识点
选择地质露头特征点或设置人工标志作为尺度标识点，其尺寸应大于待采集影像的最低空间分辨率，保证在影像上可清晰分辨。设置3个特定条件的尺度标识点为A、B、C，利用钢尺精确量取尺度标识点之间的距离，取位至整毫米。
(2)影像采集
地质露头影像采用固定焦距的相机进行采集，影像采集过程中相机距离地质露头的距离尽量保持一致，每张影像之间重叠率保持大于75％，按正面、左侧、右侧、上侧和下侧的特定顺序采集地质露头的影像，保证影像清晰和露头区域全覆盖。
(3)首次空中三角测量与影像选取
进行空中三角测量，自动提取连接点，通过连接点反算确定影像位置。根据空中三角测量计算结果，若未匹配影像位于连接点密度均匀区域，则直接剔除该未匹配影像；若未匹配影像位于连接点密度不均匀区域，则在未匹配影像和其相邻影像上人工添加特定数量的连接点。
(4)模型尺度信息添加
在影像上查找并选取步骤(1)设置的尺度标识点A、B、C作为尺度约束点依次为a、b、c，并设置约束点之间的距离。
(5)二次空中三角测量
重复步骤(3)的操作，直至空中三角测量合格。
(6)三维模型建立
通过步骤(5)中生成的连接点，构建构建不规则三角网和白体模型，贴合纹理选用无杂物遮挡、姿态均匀一致无错位的影像贴合在白体模型上得到地质露头三维模型。
(7)三维模型优化
在步骤(6)的基础上对模型进行优化，包括模型孔洞填补和不感兴趣区裁剪。填补孔洞需先选取合适参数对白体模型进行填补，然后再贴合纹理。
进一步，所述步骤(1)中尺度标识点A、B、C尽量呈等腰直角三角形，腰长AB和AC 的设置距离范围为0.5米至1米之间。
进一步，所述步骤(3)中特定数量的连接点在相邻影像上的重叠区域内分别位于四个边角、中心共5个点。
进一步，所述步骤(1)中的尺度标识点A、B、C分别在相应影像中刺点得到步骤(4)中的a、 b、c，设置约束点之间的距离时，将ab长度设置为腰长AB的量测距离，将ac长度设置为腰长AC的量测距离。
进一步，步骤(7)中参数选取原则是对于面积S(0≤S≤0.1)平方米范围内的孔洞采用平面填补，对于面积S(0.1<S≤0.5)平方米范围内的孔洞采用曲面填补，对于面积S(S>0.5) 平方米范围内的孔洞用曲线先在孔洞中间搭桥，再用曲面填补。
(三)有益效果(优点)
本发明的优点体现在：
由于三维激光扫描仪价格昂贵、不易携带和野外操作不便等局限性，很难使用三维激光扫描仪对地质露头进行三维建模。本发明从适用性和可用性的角度出发，利用单反相机采集地质露头影像，生成具有尺度信息的地质三维露头。在还原野外地质露头场景的基础上，使原本需要野外现场考察的量测工作得以在计算机上进行定量化、精细化的描述，对地质露头精准描述重要意义。
附图说明
图1为本发明实施的步骤流程图，
图2为本发明实施提供的尺度标识点分布示意图，
图3为本发明实施提供的空中三角测量计算结果图，
图4 为本发明实施提供的相邻影像重叠区内选取连接点的位置分布示意图，
图5为本发明实施提供的地质露头不规则三角网图，
图6为本发明实施提供的地质露头白体三维模型图，
图7为本发明实施提供的地质露头三维模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：
参照图1，本发明的具体实施步骤为：
(1)设置尺度标识点
选择地质露头特征点或设置人工标志作为尺度标识点，其尺寸应大于待采集影像的最低空间分辨率，保证在影像上可清晰分辨。设置3个特定条件的尺度标识点为A、B、C，利用钢尺精确量取标识点之间的距离，取位至整毫米。
其中尺度标识点A、B、C尽量呈等腰直角三角形(参照图2)，腰长AB和AC的设置距离范围为0.5米至1米之间。
(2)影像采集
地质露头影像采用固定焦距的相机进行采集，影像采集过程中相机距离地质露头的距离尽量保持一致，每张影像之间重叠率保持大于75％，按正面、左侧、右侧、上侧和下侧的特定顺序采集地质露头的影像，保证影像清晰和露头区域全覆盖。
(3)首次空中三角测量与影像选取
进行空中三角测量，自动提取连接点，通过连接点反算确定影像位置。根据空中三角测量计算结果(参照图3)，若未匹配影像位于连接点密度均匀区域，则直接剔除该未匹配影像；若未匹配影像位于连接点密度不均匀区域，则在未匹配影像和其相邻影像上人工添加特定数量的连接点。
其中特定数量的连接点在相邻影像上的重叠区域内分别位于四个边角、中心共5个点(参照图4)。
(4)模型尺度信息添加
在影像上查找并选取步骤(1)设置的尺度标识点A、B、C作为尺度约束点依次为a、b、c，并设置约束点之间的距离。
其中步骤(1)中的尺度标识点A、B、C分别在相应影像中刺点得到步骤(4)中的a、b、c，设置约束点之间的距离时，将ab长度设置为腰长AB的量测距离，将ac长度设置为腰长AC的量测距离。
(5)二次空中三角测量
重复步骤(3)的操作，直至空中三角测量合格。
(6)三维模型建立
通过步骤(5)中生成的连接点，构建构建不规则三角网(参照图5)和白体模型(参照图 6)，贴合纹理选用无杂物遮挡、姿态均匀一致无错位的影像贴合在白体模型上得到地质露头三维模型(参照图7)。
(7)三维模型优化
在步骤(6)的基础上对模型进行优化，包括模型孔洞填补和不感兴趣区裁剪。填补孔洞需先选取合适参数对白体模型进行填补，然后再贴合纹理。
其中参数选取原则是对于面积S(0≤S≤0.1)平方米范围内的孔洞采用平面填补，对于面积S(0.1<S≤0.5)平方米范围内的孔洞采用曲面填补，对于面积S(S>0.5)平方米范围内的孔洞用曲线先在孔洞中间搭桥，再用曲面填补。

Claims (5)

1.一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置尺度标识点
选择地质露头特征点或设置人工标志作为尺度标识点，其尺寸应大于待采集影像的最低空间分辨率，保证在影像上可清晰分辨，设置3个特定条件的尺度标识点为A、B、C，利用钢尺精确量取尺度标识点之间的距离，取位至整毫米；
(2)影像采集
地质露头影像采用固定焦距的相机进行采集，影像采集过程中相机距离地质露头的距离尽量保持一致，每张影像之间重叠率保持大于75％，按正面、左侧、右侧、上侧和下侧的特定顺序采集地质露头的影像，保证影像清晰和露头区域全覆盖；
(3)首次空中三角测量与影像选取
进行空中三角测量，自动提取连接点，通过连接点反算确定影像位置；根据空中三角测量计算结果，若未匹配影像位于连接点密度均匀区域，则直接剔除该未匹配影像；若未匹配影像位于连接点密度不均匀区域，则在未匹配影像和其相邻影像上人工添加特定数量的连接点；
(4)模型尺度信息添加
在影像上查找并选取步骤(1)设置的尺度标识点A、B、C作为尺度约束点依次为a、b、c，并设置约束点之间的距离；
(5)二次空中三角测量
重复步骤(3)的操作，直至空中三角测量合格；
(6)三维模型建立
通过步骤(5)中生成的连接点，构建不规则三角网和白体模型，贴合纹理选用无杂物遮挡、姿态均匀一致无错位的影像贴合在白体模型上得到地质露头三维模型；
(7)三维模型优化
在步骤(6)的基础上对模型进行优化，包括模型孔洞填补和不感兴趣区裁剪；填补孔洞需先选取合适参数对白体模型进行填补，然后再贴合纹理。
2.根据权利要求1所述的一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤(1)中尺度标识点A、B、C尽量呈等腰直角三角形，腰长AB和AC的设置距离范围为0.5米至1米之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤(3)中特定数量的连接点在相邻影像上的重叠区域内分别位于四个边角、中心共5个点。
4.根据权利要求1所述的一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，其特征在于：将步骤(1)中的尺度标识点A、B、C分别在相应影像中刺点得到步骤(4)中的a、b、c，设置约束点之间的距离时，将ab长度设置为腰长AB的量测距离，将ac长度设置为腰长AC的量测距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于单反相机的地质露头三维模型构建方法，其特征在于：所述步骤(7)中参数选取原则是对于面积S(0≤S≤0.1)平方米范围内的孔洞采用平面填补，对于面积S(0.1<S≤0.5)平方米范围内的孔洞采用曲面填补，对于面积S(S>0.5)平方米范围内的孔洞用曲线先在孔洞中间搭桥，再用曲面填补。
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