野外信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
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1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)目標(biāo)
該系統(tǒng)針對(duì)工程地質(zhì)自身特點(diǎn)，立足于現(xiàn)有的攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)編錄輔助數(shù)據(jù)野外采集的數(shù)字化，采集數(shù)據(jù)的有效管理，以及采集數(shù)據(jù)與桌面攝影測(cè)量系統(tǒng)的無縫銜接。
1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由PDA端野外地質(zhì)信息采集軟件和PC端影像地質(zhì)編錄輔助處理軟件兩部分組成。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)。
1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的目標(biāo)是建立科學(xué)、高效的數(shù)據(jù)組織與管理體系，以實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的有效統(tǒng)一管理，提高系統(tǒng)載入、記錄、查詢、編輯等的工作效率。系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型包括影像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)影像、圖形、屬性數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)編碼體系的建立和數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用Acess和SQLServer數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和管理編錄數(shù)據(jù)及成果。并基于ADO(ActiveXDataObjects)組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的查詢和統(tǒng)計(jì)。
1.3.1數(shù)據(jù)編碼體系
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高數(shù)據(jù)管理效率。系統(tǒng)的編碼體系如下:
(1)編錄底圖影像數(shù)據(jù)編碼
主標(biāo)識(shí)碼次標(biāo)識(shí)碼XXXXXXXXXXXXX+XXXX工程名稱工程部位平臺(tái)高程坡段代碼+采集影像序列號(hào)如:SKY04132250044+05其中:主標(biāo)識(shí)碼作為影像數(shù)據(jù)管理的基本單位，用于單項(xiàng)工程(或樁號(hào))內(nèi)影像數(shù)據(jù)的管理，為影像拼接提供依據(jù)。次標(biāo)識(shí)碼為影像序列號(hào)，用于標(biāo)識(shí)單張影像。將兩級(jí)標(biāo)識(shí)連接，則構(gòu)成單張影像的標(biāo)識(shí)。由此可見，通過數(shù)據(jù)編碼可以保證編錄底圖的唯一性，便于與其中的空間數(shù)據(jù)形成一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。
(2)圖形數(shù)據(jù)編碼
野外影像地質(zhì)編錄圖的圖形數(shù)據(jù)單位為地質(zhì)構(gòu)造點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)實(shí)體屬性構(gòu)成的屬性表。地層、風(fēng)化分帶、結(jié)構(gòu)面(線)、節(jié)理裂隙、影像控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等均為地質(zhì)實(shí)體單位，是圖形數(shù)據(jù)庫的最小實(shí)體單位。圖形數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)碼為:一級(jí)標(biāo)識(shí)+地質(zhì)類(面、線)序列號(hào)(分類編號(hào))。
1.3.2數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)表包括影像數(shù)據(jù)表、圖形成果數(shù)據(jù)表和地質(zhì)實(shí)體屬性表。地質(zhì)實(shí)體數(shù)據(jù)表主要有地層數(shù)據(jù)表、結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)表、節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)表、風(fēng)化分帶數(shù)據(jù)表、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表、影像控制點(diǎn)測(cè)量成果數(shù)據(jù)表。由于野外編錄環(huán)境一般比較惡劣，因此在保證對(duì)地質(zhì)要素描述詳盡、準(zhǔn)確以及與桌面攝影地質(zhì)編錄銜接的基礎(chǔ)上，對(duì)桌面攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)的實(shí)體屬性表進(jìn)行了一定的簡化，減少了一些非主要字段，并根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置缺省值與可選項(xiàng)，從而提高野外編錄的效率。
1.4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括PDA端野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)和PC端影像地質(zhì)編錄輔助處理系統(tǒng)兩部分。
1.4.1PDA野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
(1)地質(zhì)底圖載入模塊
該模塊主要用于將野外拍攝的工程高分辨率影像載入工作區(qū)，作為地質(zhì)要素添加標(biāo)記的底圖。該模塊包括影像壓縮和影像拼接兩個(gè)子模塊?？紤]到現(xiàn)場信息采集對(duì)影像分辨率要求不高及PDA硬件限制，采用金字塔技術(shù)對(duì)影像進(jìn)行壓縮，克服了由影像尺寸過大帶來的運(yùn)行速度過慢的問題。實(shí)際工程應(yīng)用中，編錄的對(duì)象是工程地質(zhì)邊坡等連續(xù)大場景，但普通相機(jī)視場角較小，所獲得的單張影像僅為工程的一部分。因此，需要對(duì)所獲得的單張影像進(jìn)行拼接，獲取目標(biāo)場景連續(xù)的大視場影像作為編錄底圖，從而完整、準(zhǔn)確地編錄整個(gè)工程的地質(zhì)要素。該模塊采用仿射不變量技術(shù)實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)寬基線平面邊坡影像自動(dòng)拼接，對(duì)于拍攝角度變化不大的豎直坡面影像，采用附加雙向匹配幾何一致性約束的SIFT算法進(jìn)行處理;對(duì)于拍攝角度變化較大的非豎直坡面影像，采用基于幾何糾正的SIFT算法處理，拼接結(jié)果較好。通過影像自動(dòng)拼接提高了編錄信息的準(zhǔn)確性及編錄工作效率。
(2)地質(zhì)要素添加模塊
該模塊主要用于添加各類地質(zhì)要素，采用選單方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，操作簡單?？紤]到用戶對(duì)地質(zhì)屬性的未來擴(kuò)展及采集數(shù)據(jù)與PC機(jī)攝影編錄系統(tǒng)的無縫銜接，定義了代碼屬性庫的概念。各種點(diǎn)、線狀地物的特性均受代碼庫控制(代碼庫向用戶開放)，用戶可根據(jù)自身需要設(shè)置代碼，用代碼控制其圖層、顏色、線形、線寬等實(shí)體特性，進(jìn)行刪除、轉(zhuǎn)換等編輯操作。方便地物信息提取和相互轉(zhuǎn)換，為地質(zhì)信息入庫創(chuàng)造了有利條件。
(3)地質(zhì)要素瀏覽及編輯模塊
該模塊主要包括對(duì)已錄入的地質(zhì)要素實(shí)體的編輯，如修改、刪減多段線節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)點(diǎn)狀、線狀地物的空間位置等;還包括對(duì)地質(zhì)要素的屬性的修改，如修改一條節(jié)理裂隙線的節(jié)理室內(nèi)編號(hào)、節(jié)理性質(zhì)、起伏差、填充狀況等。
(4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊
用戶可通過該模塊中對(duì)數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)字段進(jìn)行設(shè)置，如添加新數(shù)據(jù)表、在已有數(shù)據(jù)表中添加新字段等。
1.4.2PC端影像地質(zhì)編錄輔助處理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
現(xiàn)場編錄完成后，在室內(nèi)將PDA中的工作區(qū)傳入PC端，通過PC端影像地質(zhì)編錄輔助處理軟件對(duì)野外編錄數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、瀏覽及編輯，將數(shù)據(jù)無縫匯入攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)工作環(huán)境中，避免傳統(tǒng)圖紙作業(yè)方式因人工匯整、重新輸入而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，提高編錄速度。
(1)地質(zhì)信息編錄模塊
該模塊可將PDA采集的地質(zhì)編錄文件載入PC端處理軟件，在室內(nèi)以工程樁段為單位進(jìn)行多張影像地質(zhì)要素的集中檢查、合并、補(bǔ)充、刪除等處理。
(2)CAD編輯模塊
該模塊主要功能是將編錄結(jié)果導(dǎo)入CAD中，在CAD環(huán)境下對(duì)編錄結(jié)果進(jìn)行編輯、整飾，添加地質(zhì)符號(hào)及說明文字，輸出編錄圖等編錄結(jié)果數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系
統(tǒng)PDA端采集軟件以EVC＆MapX為開發(fā)平臺(tái)，充分利用了MapXMobile的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)界面的美觀實(shí)用以及用戶操作的靈活方便。PC端輔助處理軟件以VB為開發(fā)平臺(tái)，集成MapInfo的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。同時(shí)，利用AutoCAD的二次開發(fā)VBA編程，開發(fā)系統(tǒng)的圖形輸出子系統(tǒng)，并建立地質(zhì)編錄圖形、圖像、屬性數(shù)據(jù)庫，開發(fā)數(shù)據(jù)庫查詢、維護(hù)、輸出系統(tǒng)。
3系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)例
本系統(tǒng)在向家壩等大型水電工程中得到全面應(yīng)用。在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先利用數(shù)碼相機(jī)或PDA拍攝工程現(xiàn)場影像資料，并在PDA上完成條帶單張影像拼接，獲得大視場整幅影像作為影像地質(zhì)編錄底圖。然后進(jìn)行地質(zhì)編錄輔助信息采集，用工程實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可快速、精確地在工程現(xiàn)場獲取地質(zhì)信息，實(shí)用性強(qiáng)。且系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理時(shí)能與地質(zhì)編錄數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)無縫銜接，有效提高了數(shù)據(jù)管理效率，輔助完成攝影地質(zhì)編錄工作。
4結(jié)語
影像地質(zhì)編錄野外信息采集系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場地質(zhì)編錄輔助數(shù)據(jù)的現(xiàn)場快速信息化采集和采集數(shù)據(jù)的有效管理，而且實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)與PC端影像地質(zhì)編錄輔助處理軟件的無縫連接。系統(tǒng)協(xié)同攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)，解決了由現(xiàn)有手工地質(zhì)編錄方法的不足所帶來的勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)周期長、信息反饋慢、編錄幾何精度低以及操作不便等多種難題。系統(tǒng)可廣泛PDA在底圖上標(biāo)注構(gòu)造線等地質(zhì)信息，在工程現(xiàn)場以數(shù)字化方式完成露頭、巖層填充物等信息采集工作，并將相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為室內(nèi)影像地質(zhì)編錄提供參考依據(jù)。最后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，直接將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到桌面的攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)，通過一定的整理，生成編錄成果圖，如圖4所示，同時(shí)可對(duì)整個(gè)與邊坡相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。用于高邊坡、硐室、基坑等工程的現(xiàn)場信息采集，為地質(zhì)編錄野外信息采集提供了新的手段。
作者：劉慶群 李浩 楊彪 毛羽豐 單位：河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院