(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 1112869 A(43)申请公布日 2020.06.16
(21)申请号 202010236247.9(22)申请日 2020.03.30
(71)申请人 黄河勘测规划设计研究院有限公司
地址 450003 河南省郑州市金水区金水路
109号(72)发明人 李清波 杜朋召
(74)专利代理机构 郑州异开专利事务所(普通
合伙) 41114
代理人 韩华(51)Int.Cl.
G01C 11/00(2006.01)G01C 7/04(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图3页
CN 1112869 A(54)发明名称
基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法
(57)摘要
本发明公开了一种基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法，包括边坡高清正射影像获取、基于无人机正射影像的边坡地质素描、素描结构面的产状计算。本发明利用小型无人机获取拟素描边坡的高清正射影像，在影像配准后，
实现了边坡施以高清影像为背景解译地质信息，
工地质素描的全信息获取，避免了传统素描工作的安全风险，具有设备轻便、操作简单、效率高、成本低等优点。构建的素描坐标系只需平面旋转和坐标原点平移，即可实现素描坐标与三维大地坐标的相互转换。本发明改变了传统边坡施工地质素描必须边挖边描的作业方式，以边坡高清影像为底图，解决了传统素描图件只有地质线条和符号的缺陷，提高了素描成果质量。
CN 1112869 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法，其特征在于：包括边坡高清正射影像获取、基于无人机正射影像的边坡地质素描、素描结构面的产状计算，步骤如下：
S1，在拟素描的边坡开挖面上，选择不在同一直线上的三个点作为控制点，标记出三个所述控制点位置，并测量三个控制点的三维大地坐标；
S2，设置无人机云台相机的镜头角度为0°，操作所述无人机飞行至拟素描边坡中心处悬停，悬停位置到坡面的距离为边坡长度的0.6-0.8倍，保证影像覆盖拟素描边坡，操作所述云台相机使所述镜头朝向与边坡走向垂直；
S3，操作无人机云台相机对拟素描边坡进行拍照，获取拟素描边坡的单张高清正射影像；
S4，建立以边坡左下角为坐标原点、以边坡走向为X'轴、以垂直边坡走向向内为Y’轴、
所述素描坐标系的X'Z'平面即为边坡的素描平面，素描坐标以高程为Z'轴的素描坐标系，
系内地质对象在所述X'Z'平面的投影，即为开挖边坡的地质素描图；
以正北方向为Y轴、以高程为Z轴，三维大地S5，所述三维大地坐标系以正东方向为X轴、
坐标系与素描坐标系的Z轴是相同的，因此，三维大地坐标系与素描坐标系的坐标转换仅为XY平面的旋转和坐标原点的平移，坐标转换公式如下：
式中：X、Y、Z为三维大地坐标系坐标，X'、Y'、Z'为素描坐标系坐标，坐标原点平移量，为素描坐标系逆时针旋转角度，为开挖边坡走向；
、为
S6，通过所述坐标转换公式，计算边坡开挖面上三个控制点在素描坐标系中的坐标，利用三个控制点在素描坐标系中的X'、Z'坐标，对边坡正射影像进行坐标配准；
S7，利用坐标配准后的所述边坡高清正射影像，对坡面出露的地质条件开展解译素描工作，并绘制地质素描草图、标注相关地质属性，内容包括地层岩性、地层界线、构造界线、断层、节理、结构面充填物、结构面宽度；
S8，为获取地层、断层和节理的结构面产状，从坐标配准后的边坡高清正射影像中，选择三个不在同一条直线上的结构面出露点，得到素描平面中的X'、Z'坐标，利用边坡设计开挖坡比计算每个所述结构面出露点在素描坐标系中的Y'坐标，计算公式如下：
式中：为边坡设计开挖坡比；
S9，由每个结构面出露点的素描坐标系坐标，通过坐标转换公式，计算得到结构面出露点的三维大地坐标，进而利用结构面出露点的三维大地坐标，计算得到结构面产状的倾向和倾角；
S10，通过地质素描草图整理、地质属性表格绘制和素描图框添加工作，形成边坡地质素描图，完成边坡施工地质素描工作。
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权 利 要 求 书
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2.根据权利要求1所述基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法，其特征在于：S1中，拟素描的边坡为多阶开挖边坡，在每阶开挖边坡的坡面上分别选择三个不在同一直线上的点作为控制点；S2中，当边坡单阶长度大于坡高的2倍或坡高大于20m时，进行分段素描。
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说 明 书
基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法
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技术领域
[0001]本发明涉及工程地质领域的边坡施工地质素描方法，尤其是涉及基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法。
背景技术
[0002]地质素描是以野外客观地质实体为对象，用素描技法描绘其空间形态及相互关系的一项基础地质工作。边坡施工地质素描是在工程施工阶段，以开挖边坡为对象，描绘开挖坡面出露的地层岩性、地质界线、断层节理等结构面的空间位置及形态，量测记录其产状、宽度、充填物等地质属性的施工地质工作。
[0003]传统的施工地质素描主要是利用绘图板、罗盘、皮尺等工具，在边坡开挖施工过程中，由地质技术人员到达工作现场，通过肉眼观察、手动描绘、人工量测等方式进行，存在素描工作效率低、误差大、环境差的不足。随着工程规模的不断增加，开挖边坡的高度越来越大，水利水电工程岩质边坡的高度可达数百米，采用传统的边开挖边素描方式，不仅耗费大量的人力物力，还存在着严重的素描安全风险。[0004]近年来，随着摄影测量、无人机、三维激光扫描等技术的不断发展，一些新的设备与方法逐渐应用到边坡施工地质素描之中。常见的方法主要有三种：一是通过数码相机获取边坡影像，利用影像开展地质素描，这种方法受边坡高度和拍摄位置的，当边坡高度较高、摄影距离较远时，素描误差较大。二是利用无人机倾斜摄影，通过构建三维倾斜摄影模型进行地质素描，这种方法的缺点是影像数据量大、后处理复杂。三是利用三维激光扫描设备获取坡面点云数据，进而识别地质对象开展素描工作，这种方法存在设备成本投资高、点云数据处理复杂问题。
发明内容
[0005]本发明目的在于提供一种基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法。[0006]为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法，包括边坡高清正射影像获取、基于无人机正射影像的边坡地质素描、素描结构面的产状计算，步骤如下：
S1，在拟素描的边坡开挖面上，选择不在同一直线上的三个点作为控制点，标记出三个所述控制点位置，并测量三个控制点的三维大地坐标；
S2，设置无人机云台相机的镜头角度为0°，操作所述无人机飞行至拟素描边坡中心处悬停，悬停位置到坡面的距离为边坡长度的0.6-0.8倍，保证影像覆盖拟素描边坡，操作所述云台相机使所述镜头朝向与边坡走向垂直；
S3，操作无人机云台相机对拟素描边坡进行拍照，获取拟素描边坡的单张高清正射影像；
S4，建立以边坡左下角为坐标原点、以边坡走向为X'轴、以垂直边坡走向向内为Y’轴、以高程为Z'轴的素描坐标系，所述素描坐标系的X'Z'平面即为边坡的素描平面，素描坐标
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说 明 书
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系内地质对象在所述X'Z'平面的投影，即为开挖边坡的地质素描图；
S5，所述三维大地坐标系以正东方向为X轴、以正北方向为Y轴、以高程为Z轴，三维大地坐标系与素描坐标系的Z轴是相同的，因此，三维大地坐标系与素描坐标系的坐标转换仅为XY平面的旋转和坐标原点的平移，坐标转换公式如下：
式中：X、Y、Z为三维大地坐标系坐标，X'、Y'、Z'为素描坐标系坐标，、原点平移量，为素描坐标系逆时针旋转角度，为开挖边坡走向；
、为坐标
S6，通过所述坐标转换公式，计算边坡开挖面上三个控制点在素描坐标系中的坐标，利
Z'坐标，对边坡正射影像进行坐标配准；用三个控制点在素描坐标系中的X'、
S7，利用坐标配准后的所述边坡高清正射影像，对坡面出露的地质条件开展解译素描工作，并绘制地质素描草图、标注相关地质属性，内容包括地层岩性、地层界线、构造界线、断层、节理、结构面充填物、结构面宽度；
S8，为获取地层、断层和节理的结构面产状，从坐标配准后的边坡高清正射影像中，选择三个不在同一条直线上的结构面出露点，得到素描平面中的X'、Z'坐标，利用边坡设计开挖坡比计算每个所述结构面出露点在素描坐标系中的Y'坐标，计算公式如下：
式中：为边坡设计开挖坡比；
S9，由每个结构面出露点的素描坐标系坐标，通过坐标转换公式，计算得到结构面出露点的三维大地坐标，进而利用结构面出露点的三维大地坐标，计算得到结构面产状的倾向和倾角；
S10，通过地质素描草图整理、地质属性表格绘制和素描图框添加工作，形成边坡地质素描图，完成边坡施工地质素描工作。[0007]S1中，拟素描的边坡为多阶开挖边坡，在每阶开挖边坡的坡面上分别选择三个不在同一直线上的点作为控制点；S2中，当边坡单阶长度大于坡高的2倍或坡高大于20m时，进行分段素描。
[0008]本发明利用小型无人机获取拟素描边坡的高清正射影像，在影像配准后，以高清影像为背景解译地质信息，实现了边坡施工地质素描的全信息获取，避免了传统素描工作的安全风险，具有设备轻便、操作简单、效率高、成本低等优点。构建的素描坐标系只需平面旋转和坐标原点平移，即可实现素描坐标与三维大地坐标的相互转换；基于坐标转换和开挖坡比，能够快速实现影像坐标配准和结构面产状计算。本发明改变了传统边坡施工地质素描必须边挖边描的作业方式，以边坡高清影像为底图，解决了传统素描图件只有地质线条和符号的缺陷，提高了素描成果质量。
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附图说明
[0009]图1是本发明方法的流程框图。
[0010]图2是本发明应用实例中第四阶边坡高清正射影图。
[0011]图3是本发明应用实例中配准后的第四阶边坡影像及控制点图。[0012]图4是本发明应用实例中第四阶边坡施工地质素描草图。[0013]图5是本发明应用实例中第四阶边坡施工地质素描图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0015]如图1所示，本发明所述基于无人机正射影像的边坡施工地质素描方法，包括边坡高清正射影像获取、基于无人机正射影像的边坡地质素描、素描结构面的产状计算，具体步骤如下：
S1，在拟素描的边坡开挖面上，分别选择一组不在同一直线上的三个点作为控制点，标记出每组三个所述控制点位置，并测量每组三个控制点的三维大地坐标；然后对每阶边坡开挖面分别进行S1-S10步骤；
S2，设置无人机云台相机的镜头角度为0°，操作所述无人机飞行至拟素描边坡中心处悬停，悬停位置到坡面的距离为边坡长度的0.6-0.8倍，保证影像覆盖拟素描边坡，操作所述云台相机使所述镜头朝向与拟素描边坡的走向垂直；
S3，操作无人机云台相机对拟素描边坡进行拍照，获取拟素描边坡的单张高清正射影像；
S4，建立以边坡左下角为坐标原点、以边坡走向为X'轴、以垂直边坡走向向内为Y’轴、以高程为Z'轴的素描坐标系，所述素描坐标系的X'Z'平面即为边坡的素描平面，素描坐标系内地质对象在所述X'Z'平面的投影，即为开挖边坡的地质素描图；
S5，所述三维大地坐标系以正东方向为X轴、以正北方向为Y轴、以高程为Z轴，三维大地坐标系与素描坐标系的Z轴是相同的，因此，三维大地坐标系与素描坐标系的坐标转换仅为XY平面的旋转和坐标原点的平移，坐标转换公式如下：
式中：X、Y、Z为三维大地坐标系坐标，X'、Y'、Z'为素描坐标系坐标，、原点平移量，为素描坐标系逆时针旋转角度，为开挖边坡走向；
、为坐标
S6，通过所述坐标转换公式，计算边坡开挖面上三个控制点在素描坐标系中的坐标，利用三个控制点在素描坐标系中的X'、Z'坐标，对边坡正射影像进行坐标配准；
S7，利用坐标配准后的所述边坡高清正射影像，对坡面出露的地质条件开展解译素描工作，并绘制地质素描草图、标注相关地质属性，内容包括地层岩性、地层界线、构造界线、
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断层、节理、结构面充填物、结构面宽度；
S8，为获取地层、断层和节理的结构面产状，从坐标配准后的边坡高清正射影像中，选择三个不在同一条直线上的结构面出露点，得到素描平面中的X'、Z'坐标，利用边坡设计开挖坡比计算每个所述结构面出露点在素描坐标系中的Y'坐标，计算公式如下：
式中：为边坡设计开挖坡比；
S9，由每个结构面出露点的素描坐标系坐标，通过坐标转换公式，计算得到结构面出露点的三维大地坐标，进而利用结构面出露点的三维大地坐标，计算得到结构面产状的倾向和倾角；
S10，通过地质素描草图整理、地质属性表格绘制和素描图框添加工作，形成边坡地质素描图，完成边坡施工地质素描工作。[0016]S2中，当边坡单阶长度大于坡高的2倍或坡高大于20m时，进行分段素描。[0017]应用实例：
本发明以某个在建水利枢纽工程为例，采用本发明方法对左岸坝肩边坡第四阶开挖面开展施工地质素描工作。第四阶边坡高度20m，分布高程为526~546m，素描范围长约40m，边坡走向为250°，设计开挖坡比为1:0.4，开挖面布设P1、P2、P3三个控制点。[0018]采用大疆精灵4pro小型四旋翼无人机进行边坡影像获取，该无人机搭载1英寸2000万像素影像传感器，相元尺寸为2.53μm。设置镜头角度为0°，镜头朝向为160°，操作无人机悬停至第四阶开挖边坡中心处，悬停处到坡面的水平距离约24m，对开挖面进行拍照获取边坡高清正射影像，如图2所示。[0019]构建边坡素描坐标系，通过三维大地坐标系与素描坐标系坐标转换公式，计算控制点P1、P2、P3的素描坐标系坐标，如表1所示。[0020]表1 边坡控制点坐标转换表
利用三个控制点在素描坐标系中的X'、Z'坐标，对边坡正射影像进行坐标配准，得到正射影像在素描平面中的准确位置，如图3所示。[0021]结合坝肩边坡工程地质条件，利用配准后的边坡正射影像进行解译素描，素描内容主要有地层岩性、断层出露线、节理出露线、结构面充填物和宽度等，绘制边坡施工地质素描草图，如图4所示。
[0022]从素描平面的边坡影像中，选择不在一条直线上的三个结构面出露点，测量得到
X'、Z'坐标，利用边坡设计开挖坡比计算得到Y'坐标，进而通过坐标转换公式，计算结构面出露点的三维大地坐标。利用结构面出露点的三维大地坐标，计算结构面的倾向和倾角。统计素描结构面属性，如表2所示：
表2 素描结构面属性表
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整理得到边坡施工地质素描图，如图5所示。
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图4
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