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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軟件和測量來進(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)不同的角度來對指定的區(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)的立體攝影測量，例如不需要參照物來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成像和處理?？墒且粋€(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)行三維圖像測量和評價(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

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

       3. 米制/公制的度量單位是可行的（長度，距離，面積）

       4. 定位的測量是可行的（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)測量的區(qū)別：

       1. 三維圖像并不是一個(gè)抽象的三維表面測量，而是經(jīng)過成百上千指定/安排好的測量之后的真實(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）被用來重建一組三位表面點(diǎn)。

它們被連接起來形成一個(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)的測量

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

圖5 站點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集，簡單通過設(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)測量區(qū)域。這個(gè)范圍桿有一個(gè)氣泡水準(zhǔn)儀用來確保垂直狀態(tài)并且用小三角架來進(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。在探測器的幫助下，對成像區(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)量比如亮度和對比度，可以通過相機(jī)背部的監(jiān)測器進(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，用單一的一對立體感的圖像獲得整個(gè)測量區(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圖像來得到一個(gè)全面的三維模型。舉一個(gè)應(yīng)用的例子，當(dāng)有長石垛帶或者對隧道面碎片的融合。

       融合一些觀測圖像，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，隧道邊墻是用來探測單一觀測之間的聯(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，并允許對這個(gè)區(qū)域內(nèi)本不可能的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)和測量。

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)系中用來測量的圖。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，不需要對參考點(diǎn)進(jìn)行的外表上的測量，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確定。使用包含三維軟件JMX軟件包對三維圖像進(jìn)行交互式的圖像探測和適當(dāng)?shù)脑u估變?yōu)榭赡堋?/span>

       幾何學(xué)和巖土方面測量

       長度（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)的不接觸巖垛帶測量不需要測量技巧和使用儀器設(shè)備

       簡單應(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)測量裝置而且提供了進(jìn)行評價(jià)的軟件