專利名稱：大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石表面形貌的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
對(duì)巖石表面形貌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，巖石的尺寸一般較大，由于表面形貌儀長(zhǎng)度和高度的量程是一定的，所以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量較大的巖石表面時(shí)，就需要分段測(cè)量。分段測(cè)量時(shí)，要有一條固定的基準(zhǔn)線，在現(xiàn)場(chǎng)固定一條基準(zhǔn)線是較困難的，而且當(dāng)表面形貌起伏太大時(shí)，會(huì)超過(guò)形貌儀的高度量程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，使用該方法不需要設(shè)置固定的基準(zhǔn)線就可以對(duì)大尺寸巖石表面進(jìn)行分區(qū)測(cè)量。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，包括以下步驟一、先量好巖石表面的產(chǎn)狀，然后在巖石表面上沿預(yù)定方向(一般為傾向或走向)畫(huà)出測(cè)量網(wǎng)格，測(cè)量網(wǎng)格的面積應(yīng)小于形貌儀最大有效測(cè)量面積，任意兩個(gè)相鄰的測(cè)量網(wǎng)格之間設(shè)有重疊區(qū)域；二、在每個(gè)重疊區(qū)域內(nèi)設(shè)置至少3個(gè)不共線的固定特征點(diǎn)；三、用形貌儀對(duì)其中一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；四、移動(dòng)形貌儀位置，對(duì)相鄰的一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；五、將幾個(gè)特征點(diǎn)在步驟四中測(cè)得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到跟步驟三中的完全一致，進(jìn)而將步驟四中的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到與步驟三相同的坐標(biāo)系中，從而使兩個(gè)測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接在一起；六、重復(fù)步驟四至五，將所有測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量拼接，得到整個(gè)巖石表面的三維形貌數(shù)據(jù)。
為了便于確定特征點(diǎn)的圓心位置，特征點(diǎn)的形狀為外方內(nèi)圓。為了便于識(shí)別，特征點(diǎn)的顏色為外黑內(nèi)白。
本發(fā)明采用分塊重疊測(cè)量的方法，利用重疊區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將相鄰兩次測(cè)量之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)的拼接，最終將所有區(qū)域的數(shù)據(jù)都拼接在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量。這種測(cè)量方法不需要設(shè)置固定的基準(zhǔn)線，因此使用更加方便；每次的測(cè)量基準(zhǔn)是變化的，不會(huì)受到形貌儀量程的限制。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的測(cè)量原理示意圖。
圖2是本發(fā)明測(cè)量方法的分區(qū)域測(cè)量示意圖。
圖3是本發(fā)明的測(cè)量網(wǎng)格多次拼接的示意圖。
圖4是一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
先對(duì)本發(fā)明的測(cè)量原理加以說(shuō)明本發(fā)明中采用的特征點(diǎn)自動(dòng)拼接技術(shù)，是在要分塊測(cè)量巖石表面的相鄰兩塊先設(shè)置一個(gè)公共區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置至少3個(gè)、不共線的特征點(diǎn)。在不同的空間下測(cè)量，得到兩個(gè)特征點(diǎn)的間距是相同的，故利用空間坐標(biāo)變換，將兩次測(cè)量的結(jié)果歸結(jié)到一個(gè)坐標(biāo)系下。利用該方法，可以對(duì)大面積的巖石表面進(jìn)行多次測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果拼接，獲得整個(gè)面的形貌特征。
為方便特征點(diǎn)的提取，特征點(diǎn)被設(shè)計(jì)成外方內(nèi)圓、外黑內(nèi)白的樣式，儀器在掃描時(shí)通過(guò)識(shí)別黑白相交的邊界判斷圓心位置。設(shè)置特征點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量使特征點(diǎn)位于兩個(gè)視角的重疊區(qū)域，并且特征點(diǎn)處于無(wú)序狀態(tài)，隨機(jī)分布。
如圖1、圖2所示，當(dāng)巖石表面大于形貌儀的有效測(cè)量面積時(shí)，為了保證平面的測(cè)試質(zhì)量，將被測(cè)曲面S(x，y，z)分成兩個(gè)區(qū)域S1(x1，y1，z1)和S2(x2，y2，z2)進(jìn)行分塊測(cè)量。在測(cè)量區(qū)域1時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)在位置點(diǎn)A，參考坐標(biāo)系的狀態(tài)為o1x1y1z1；在測(cè)量區(qū)域2時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)在位置B點(diǎn)，參考坐標(biāo)系的狀態(tài)為o2x2y2z2。測(cè)量完成后，曲面S(x，y，z)在oxyz坐標(biāo)系中被離散為分別對(duì)應(yīng)于S1和S2的兩組互不相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，記為P1和P2，它們都包含對(duì)應(yīng)于公共區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)集，記為Pc。
為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)歸一化，就必須在測(cè)量系統(tǒng)中變換o2x2y2z2，使之與o1x1y1z1完全重合，就可實(shí)現(xiàn)P1與P2的拼接。三維坐標(biāo)系o1x1y1z1與o2x2y2z2之間的位置關(guān)系可以用一個(gè)3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T表示，即
x1y1z1=R·x2y2z2+T=r11r12r13r21r122r23r31r32r33x2y2z2+txtytz---(1)]]>如果知道了R和T的值，就可以利用公式(1)將坐標(biāo)系o2x2y2z2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，轉(zhuǎn)化為o1x1y1z1坐標(biāo)系，所以三維拼接的實(shí)質(zhì)就是求取測(cè)量裝置在不同測(cè)量位置時(shí)，各坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的位置變換關(guān)系R和T，知道了R和T，就能將各塊測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)拼接任務(wù)了。
特征點(diǎn)拼接原理如圖2所示，人工設(shè)定拼接特征點(diǎn)的拼接方法要求相鄰的兩個(gè)拼接區(qū)域必須有共同的重合區(qū)域，要求在區(qū)域1和區(qū)域2重合區(qū)域上布置一系列的拼接特征點(diǎn)A、B、C、D等。通過(guò)三維坐標(biāo)測(cè)量，可以得出這些特征點(diǎn)在兩次測(cè)量中的坐標(biāo)值。從特征點(diǎn)序列中任取3個(gè)不共線的特征點(diǎn)A、B和C，利用它們的坐標(biāo)值進(jìn)行變換，使它們對(duì)應(yīng)重合，就能夠完成區(qū)域1和2的拼接。設(shè)A、B、C這3個(gè)特征點(diǎn)在區(qū)域1和2中所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值分別為(P1a，P1b，P1c)，(P1a，P2b，P2c)，則變換過(guò)程可分解為(1)固定{P1i(x，y，z)}，平移{P2i(x，y，z)}，使得點(diǎn)P2a和P1a重合；(2)再使{P2i(x，y，z)}繞點(diǎn)P2a旋轉(zhuǎn)，使得P2b和P1b重合；(3)再使{P2i(x，y，z)}繞點(diǎn)P2aP2b旋轉(zhuǎn)，使得P2c和P1c重合；通過(guò)上述變換，就可以將P1a和P1a，P2b和P2b，P1c和P2c對(duì)應(yīng)重合了，將以上變換過(guò)程復(fù)合，就能夠得出o1x1y1z1與o2x2y2z2之間的位置關(guān)系R和T了。在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)量過(guò)程中各種因素的影響，同一特征點(diǎn)分次測(cè)量識(shí)別時(shí)會(huì)產(chǎn)生定位誤差，因此對(duì)同一特征點(diǎn)在分區(qū)域測(cè)量時(shí)，特征點(diǎn)對(duì)之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)誤差，造成拼接誤差。為減少拼接誤差，通常在公共測(cè)量區(qū)域布置4個(gè)或4個(gè)以上的拼接特征點(diǎn)。通過(guò)多次計(jì)算，降低因拼接點(diǎn)的測(cè)量誤差帶來(lái)的拼接誤差。
下面對(duì)本發(fā)明的測(cè)量步驟進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖3所示，測(cè)量前，先量好巖石表面的產(chǎn)狀，然后在巖石表面上沿預(yù)定方向(一般為傾向或走向)畫(huà)出測(cè)量網(wǎng)格A1，A2，A3……，測(cè)量網(wǎng)格的面積應(yīng)小于形貌儀最大有效測(cè)量面積。任意相鄰的兩個(gè)測(cè)量網(wǎng)格A1和A2之間、A1和A5之間都留有公共的重疊區(qū)域(如圖3中的陰影部分所示)，在重疊區(qū)域內(nèi)安放特征點(diǎn)，特征點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)大于等于3，要求在測(cè)量過(guò)程中特征點(diǎn)的位置不能改變。用形貌儀對(duì)A1進(jìn)行測(cè)量，在已有A1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，移動(dòng)形貌儀位置，對(duì)A2進(jìn)行測(cè)量，首先尋找?guī)讉€(gè)特征點(diǎn)圓心坐標(biāo)，將幾個(gè)特征點(diǎn)第二次測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到跟第一次完全一致，即初始化第二次測(cè)量的坐標(biāo)系；測(cè)量完畢，數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接到已有的A1數(shù)據(jù)上。重復(fù)上述的步驟至將所有測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量拼接，得到整個(gè)巖石表面的三維形貌數(shù)據(jù)。
本發(fā)明中所用到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法屬于公知的數(shù)學(xué)變換方法，為了更清楚起見(jiàn)，對(duì)這種坐標(biāo)變換方法補(bǔ)充說(shuō)明如下如圖4所示，空間坐標(biāo)系OXYZ中一點(diǎn)P(X，Y，Z)，轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系O″X(qián)″Y″Z″中，其坐標(biāo)變化為P(x″，y″，z″)。
坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與坐標(biāo)系OXYZ原點(diǎn)位置相同，坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與坐標(biāo)系O″X(qián)″Y″Z″，坐標(biāo)軸存在以下關(guān)系O′X′//O″X(qián)″，O′Y//O″Y″，O′Z′//O″Z″。故從坐標(biāo)系OXYZ轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系O″X(qián)″Y″Z″中，包含兩個(gè)過(guò)程先從坐標(biāo)系OXYZ向O′X′Y′Z′轉(zhuǎn)換，再?gòu)淖鴺?biāo)系O′X′Y′Z′向O″X(qián)″Y″Z″轉(zhuǎn)換。
(1)、坐標(biāo)系OXYZ向O′X′Y′Z′轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與坐標(biāo)系OXYZ原點(diǎn)位置O與O′相同，故整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)。直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)較為復(fù)雜，步驟繁瑣，故將其轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)下。
設(shè)有某向量P(x0，y0，z0)，OP長(zhǎng)度為r，OP與z軸的夾角為，OP在XOY平面的投影與X軸的夾角為θ，故P點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為x0＝r·sin·cosθy0＝r·sin·sinθ(1)z0＝r·cos坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)以后，坐標(biāo)系OXYZ轉(zhuǎn)變?yōu)樾伦鴺?biāo)系O′X′Y′Z′，該向量的新坐標(biāo)為P(x0′，y0′，z0′)。旋轉(zhuǎn)后，O′P′的長(zhǎng)度不變，仍為r，O′P′與z′軸的夾角為+Δ，O′P′在X′O′Y′平面的投影與X′軸的夾角為θ+Δθ，故P′點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為x0′＝r·sin(+Δ)·cos(θ+Δθ)y0′＝r·sin(+Δ)·sin(θ+Δθ) (2)z0′＝r·cos(+Δ)故只需知道Δ，Δθ的值，就可以知道旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后P點(diǎn)的坐標(biāo)值。
(2)、坐標(biāo)系O′X′Y′Z′向O″X(qián)″Y″Z″轉(zhuǎn)換O′X′YZ′和O″X(qián)″Y″Z″的坐標(biāo)軸相互平行，故只需計(jì)算由于原點(diǎn)位置不同造成的平移，有
x0″＝x0′+uy0″＝y(tǒng)0′+v (3)z0″＝z0′+h聯(lián)立兩次坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，可以O(shè)XYZ坐標(biāo)系中一點(diǎn)P在O″X(qián)″Y″Z″坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。
x0″＝r·sin(+Δ)·cos(θ+Δθ)+uy0″＝r·sin(+Δ)·sin(θ+Δθ)+v(4)z0″＝r·cos(+Δ)+h式中的Δ、Δθ、u、v、h在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前為已知參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征是包括以下步驟一、先量好巖石表面的產(chǎn)狀，然后在巖石表面上沿預(yù)定方向(一般為傾向或走向)畫(huà)出測(cè)量網(wǎng)格，測(cè)量網(wǎng)格的面積應(yīng)小于形貌儀最大有效測(cè)量面積，任意兩個(gè)相鄰的測(cè)量網(wǎng)格之間設(shè)有重疊區(qū)域；二、在每個(gè)重疊區(qū)域內(nèi)設(shè)置至少3個(gè)不共線的固定特征點(diǎn)；三、用形貌儀對(duì)其中一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；四、移動(dòng)形貌儀位置，對(duì)相鄰的一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；五、將幾個(gè)特征點(diǎn)在步驟四中測(cè)得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到跟步驟三中的完全一致，進(jìn)而將步驟四中的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到與步驟三相同的坐標(biāo)系中，從而使兩個(gè)測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接在一起；六、重復(fù)步驟四至五，將所有測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量拼接，得到整個(gè)巖石表面的三維形貌數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征是所述特征點(diǎn)的形狀為外方內(nèi)圓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征是所述特征點(diǎn)的顏色為外黑內(nèi)白。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大尺寸巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，包括以下步驟先在巖石表面畫(huà)出測(cè)量網(wǎng)格，任意兩個(gè)相鄰的測(cè)量網(wǎng)格之間設(shè)有重疊區(qū)域；在每個(gè)重疊區(qū)域內(nèi)設(shè)置至少3個(gè)不共線的固定特征點(diǎn)；用形貌儀對(duì)其中一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量；移動(dòng)形貌儀位置，對(duì)相鄰的一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)量；利用特征點(diǎn)將相鄰測(cè)量網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系中，從而使相鄰兩個(gè)測(cè)量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接在一起；對(duì)所有網(wǎng)格逐一測(cè)量，最終得到整個(gè)巖石表面的三維形貌數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方法不需要設(shè)置固定的基準(zhǔn)線，因此使用更加方便；每次的測(cè)量基準(zhǔn)是變化的，不會(huì)受到形貌儀量程的限制。
文檔編號(hào)G01B21/20GK101038158SQ200710039159
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月5日
發(fā)明者夏才初, 王偉, 丁增志, 湯淵, 龔建伍, 林強(qiáng)強(qiáng), 王雋 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)