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1 ShapeMetriX3D綜述

ShapeMetriX3D是一個(gè)能夠得到有三維圖像表面的系統(tǒng)。使用一個(gè)通過3G軟件和測(cè)量來(lái)進(jìn)行標(biāo)定高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)碼相機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。使用這個(gè)標(biāo)定的照相機(jī)，從兩個(gè)不同的角度來(lái)對(duì)指定的區(qū)域進(jìn)行成像。只不過在成像之前，必須將范圍桿預(yù)先放置好。（如圖1）完全的數(shù)據(jù)采集過程（設(shè)置范圍桿，拍兩張照片）所需時(shí)間是1分鐘。

一般應(yīng)用于隧道掘進(jìn)，采礦，不同種類的文件編錄。ShapeMetriX3D的一個(gè)重要特性是有一個(gè)三維評(píng)價(jià)軟件。

圖1  隧道掘進(jìn)的事例圖像。在左邊可以看見范圍桿

在站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集完成后，這個(gè)圖像被轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人電腦上，并且通過SMX模型重建軟件將他合成一個(gè)三維的圖像。使用的原則是在確定范圍內(nèi)的立體攝影測(cè)量，例如不需要參照物來(lái)確定在他們之間圖像的相關(guān)方位。

這個(gè)使用原則根本上講是可以升級(jí)的，這就意味著各種尺寸的表面可以通過將照片重建成三維圖像來(lái)成像和處理。可是一個(gè)必要的條件就是那些表面必須顯示出確定（不規(guī)則）的結(jié)構(gòu)（質(zhì)地）。

結(jié)果是，三維的圖像表現(xiàn)了所記錄表面的外形。使用所提供的三維軟件可以進(jìn)行三維圖像測(cè)量和評(píng)價(jià)。

和常規(guī)文件編錄的主要區(qū)別：

       1. 巖體情況被客觀地再現(xiàn)出來(lái)

       2. 沒有入門的難題和承擔(dān)評(píng)價(jià)時(shí)間的壓力

       3. 米制/公制的度量單位是可行的（長(zhǎng)度，距離，面積）

       4. 定位的測(cè)量是可行的（表面的空間方位）

       5. 次生性質(zhì)，諸如間隔可以直接確定

圖2  隧道口的三維圖像

和常規(guī)測(cè)量的區(qū)別：

       1. 三維圖像并不是一個(gè)抽象的三維表面測(cè)量，而是經(jīng)過成百上千指定/安排好的測(cè)量之后的真實(shí)圖像。

       2. 不需要特別的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（使用數(shù)碼相機(jī)）

圖3  三維圖像生成的原理 。大量的成像線（虛線）被用來(lái)重建一組三位表面點(diǎn)。

它們被連接起來(lái)形成一個(gè)三維表面模型（中間圖）。通過覆蓋最初的三維圖像來(lái)產(chǎn)生一個(gè)三維圖像。

這種三維成像一般是非地球參照的，例如，雖然在使用了圖像中可視的建筑元素（如弧/拱形），可以獲得一個(gè)近似的方位，但是這個(gè)結(jié)果和對(duì)象物體的坐標(biāo)系統(tǒng)并沒有關(guān)系。

地球參照是必需的，然后使用JointMetriX3D系統(tǒng)，對(duì)象坐標(biāo)系統(tǒng)中的至少已知坐標(biāo)的三個(gè)點(diǎn)是很明顯的。

2 舉例

圖4  采場(chǎng)巖墻的三維圖像（a）。圖像的背后，這個(gè)結(jié)果包含了一組大量的三維點(diǎn)的測(cè)量

數(shù)據(jù)（b）。定性的評(píng)價(jià)和幾何測(cè)量很容易地進(jìn)行（c,d）。

圖5 站點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)單通過設(shè)定一個(gè)范圍并用標(biāo)定的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝像

3 實(shí)際應(yīng)用

       樹立范圍桿

       范圍桿被垂直的豎立在離要進(jìn)行成像的墻面盡可能近的地方。確保不要干擾觀察這個(gè)測(cè)量區(qū)域。這個(gè)范圍桿有一個(gè)氣泡水準(zhǔn)儀用來(lái)確保垂直狀態(tài)并且用小三角架來(lái)進(jìn)行固定。

       確保自由視角

       保證沒有其他的物體或人妨礙成像區(qū)域的自由視角。

       在左邊位置拍攝第一張照片

       這個(gè)圈定的測(cè)量區(qū)域應(yīng)填滿這整個(gè)圖像，從而獲得較為理想的分辨率。在探測(cè)器的幫助下，對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行校正。

       按下快門然后釋放，其余工作攝影機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。如亮度、圖像質(zhì)量比如亮度和對(duì)比度，可以通過相機(jī)背部的監(jiān)測(cè)器進(jìn)行即時(shí)檢查。

       在右邊位置拍攝第二張照片

       這第二個(gè)點(diǎn)大約在離靠近墻的第一個(gè)點(diǎn)的1/8的距離。在那拍攝第二張照片（圖6所示）。在一二兩圖像之間，相機(jī)設(shè)置不要改變。

       移除范圍桿

       取回范圍桿，站點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集就完成了。

圖6  隧道應(yīng)用情況下的幾何圖像獲取

       使用有monopod的照相機(jī)

       在地下應(yīng)用時(shí)，推薦使用monopod以減少弄污照片的風(fēng)險(xiǎn)。

4 大量三維圖像融合術(shù)

       有時(shí)候，用單一的一對(duì)立體感的圖像獲得整個(gè)測(cè)量區(qū)域具有足夠分辨率的圖像是不太可能的，在這種情況下，可以融合其他局部觀測(cè)圖像來(lái)得到一個(gè)全面的三維模型。舉一個(gè)應(yīng)用的例子，當(dāng)有長(zhǎng)石垛帶或者對(duì)隧道面碎片的融合。

       融合一些觀測(cè)圖像，不需要特別的標(biāo)記，主要要求就是圖像必須有重疊區(qū)。

4.1 長(zhǎng)石垛帶

圖7  融合兩個(gè)單一的三維圖像得到一個(gè)全面的三維圖像

4.2 隧道口碎片

       為了融合隧道口碎片，每一個(gè)單一的觀測(cè)都應(yīng)當(dāng)顯示整個(gè)隧道口。覆蓋隧道邊墻的一部分（幾米）也非常重要，隧道邊墻是用來(lái)探測(cè)單一觀測(cè)之間的聯(lián)系的。用這種方法，很多的碎片能夠融合成一個(gè)單一的隧道口的三維圖像，并允許對(duì)這個(gè)區(qū)域內(nèi)本不可能的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)量。

圖8  隧道口三維圖像

這個(gè)三維圖像涉及上面每一個(gè)在普通坐標(biāo)系中用來(lái)測(cè)量的圖。因而生成了下面這個(gè)融合隧道口碎片的三維圖像。

4.3 結(jié)合連續(xù)的三維圖像

       在開挖期間的隧道口三維圖像可以相互的參考，不需要對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行的外表上的測(cè)量，僅僅需要通過三維圖像上一些可視的元素就可以實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)行高精度測(cè)量，使用標(biāo)記將每一個(gè)隧道口的三維圖像引入到隧道坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖9  沿著隧道軸計(jì)劃的隧道口的連續(xù)三維圖像

4.4  量的確定

       兩個(gè)相應(yīng)的三維圖像的差別直接確定了源自不同原因例如開挖，開采或者移動(dòng)所產(chǎn)生的量的差別。

5 結(jié)果

       一般的，幾何參數(shù)可以通過三維圖像來(lái)確定。使用包含三維軟件JMX軟件包對(duì)三維圖像進(jìn)行交互式的圖像探測(cè)和適當(dāng)?shù)脑u(píng)估變?yōu)榭赡堋?/span>

       幾何學(xué)和巖土方面測(cè)量

       長(zhǎng)度（距離，間隔）（米）

       面積（米）

       不連續(xù)表面和整個(gè)巖墻區(qū)域（表面的空間方位）

       不連續(xù)痕跡和地質(zhì)頂板的空間方位

       起源參數(shù)

       節(jié)理間隔（米）

       不連續(xù)組的空間變化

       體積（立方米）

       數(shù)據(jù)輸出

       幾何圖形直接輸入CAD

       測(cè)量結(jié)果直接輸入MS Excell

       三維圖像（JPG）

6 規(guī)格

7 主要優(yōu)點(diǎn)一覽

       可移動(dòng)的不接觸巖垛帶測(cè)量不需要測(cè)量技巧和使用儀器設(shè)備

       簡(jiǎn)單應(yīng)用（攝像）

       效率成本

       巖體情況的再現(xiàn)

       縮減開挖和剝采工作成本

       該系統(tǒng)不僅是一個(gè)測(cè)量裝置而且提供了進(jìn)行評(píng)價(jià)的軟件