动态摄影测量在物理模型实验全过程地形数据获取中的应用

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.083

地球科学进展 ›› 2020, Vol. 35 ›› Issue (10): 1087 -1098. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.083

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动态摄影测量在物理模型实验全过程地形数据获取中的应用

魏勇(

),许强(

),王卓,李骅锦,李松林

成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059

收稿日期:2020-06-04 修回日期:2020-09-08 出版日期:2020-10-10
通讯作者: 许强 E-mail:ceweiyong@hotmail.com;xq@cdut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重大项目“面向人地协调的黄土重大工程灾变防控研究”(41790445);国家自然科学基金重点项目“溃散性滑坡成因机理、监测预警与定量风险评价”(41630640)

Application of Dynamic Terrain Data Through the Whole Process of Model Test Using Dynamic Photogrammetry

Yong Wei( ),Qiang Xu( ),Zhuo Wang,Huajin Li,Songlin Li

State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

Received:2020-06-04 Revised:2020-09-08 Online:2020-10-10 Published:2020-11-30
Contact: Qiang Xu E-mail:ceweiyong@hotmail.com;xq@cdut.edu.cn
About author:Wei Yong （1985-）， male， Linshui County， Sichuan Province， Ph.D student. Research areas include rock and soil stability and engineering effect. E-mail： ceweiyong@hotmail.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “Prevention and control of geo-disasters for coordination mechanism between human race and geo-environment of mega constructions in loess area”(41790445);“Formation mechanisms, monitoring and early warning and quantitative risk assessment of diffuse failure landslides”(41630640)

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物理模型实验广泛应用于土木工程、采矿工程及地球科学等领域。目前主要采用三维激光扫描技术采集实验前和实验后的两期静态地形数据，若要获取实验过程的动态地形数据就需要探索新的技术手段。以某碎屑流物理模型实验为例，利用动态摄影测量技术对物理模型实验进行四维建模，在对数据结果进行处理后获得了实验过程的动态地形数据，并以此分析碎屑颗粒的运动与堆积特征。结果表明：利用动态摄影测量技术可以快速准确地获取实验过程的动态空间影像数据，对这些数据成果进行详细分析，有助于我们更好地寻找和理解地质体的运动堆积规律。该技术方法是一种全新的物理模型实验动态地形数据获取方法，它将促使后期的实验分析工作发生巨大变化，值得推广应用。

关键词: 动态摄影测量, 空间影像数据, 四维模型, 动态地形, 物理模型实验

Model test is widely accepted and used in the field of civil engineering， mining engineering and earth sciences， etc. At present， the static terrain data are measured before and after each experiment by terrestrial laser scanning， however it is necessary to explore new technology to obtain dynamic terrain data in the course of the experiment. By taking the specified experimental tests of debris avalanche as an example， the method of 4D reconstruction based on dynamic photogrammetry was described in detail. The dynamic terrain data of the model test were obtained after the data had been processed， and then the propagation and deposit features of debris avalanche were analyzed in detail. The results show that the dynamic terrain data of the model test can be obtained accurately with the method， and the interpretation of the propagation and deposit should be relatively easy by analyzing the data of model test in detail. This is not only the new technology applied in the document of the dynamic terrain of the model test， but also causes a great change for the experimental analysis， and it deserves to be applied widely.

Key words: Dynamic photogrammetry, Spatial image data, 4D model, Dynamic terrain, Physical model test

中图分类号:

图1 斜槽装置结构图

Fig.1 The device structure

图2 碎屑流模型实验设备全貌图

Fig.2 The experiment device schematic diagram of debris avalanche

图3 动态摄影测量工作流程

Fig.3 The workflow of dynamic photogrammetry

表1 碎屑流模型实验分组依据

Table 1 The basis of experimental grouping for debris avalanche

序号	颗粒大小	坡面形状	阻挡位置
实验 1	粗粒	A	无
实验 2	细粒	A	无
实验 3	粗粒	B	无
实验 4	细粒	B	无
实验 5	粗粒	B-1	上
实验 6	粗粒	B-2	下
实验 7	粗粒	C	无
实验 8	细粒	C	无

表1 碎屑流模型实验分组依据

Table 1 The basis of experimental grouping for debris avalanche

序号	颗粒大小	坡面形状	阻挡位置
实验 1	粗粒	A	无
实验 2	细粒	A	无
实验 3	粗粒	B	无
实验 4	细粒	B	无
实验 5	粗粒	B-1	上
实验 6	粗粒	B-2	下
实验 7	粗粒	C	无
实验 8	细粒	C	无

图4 斜槽底板形状

Fig.4 The bed pro?le of the chute

表2 相机采集系统参数

Table 2 Characteristics of the camera acquisition systems

基本参数	参数值
传感器尺寸	13.2 mm×8.8 mm
记录像素	1 920×1 080，250 fps
有效像素	1 824×1 026，250 fps
拍摄时间	约4 s（质量优先模式）
焦距（35 mm换算）	26 mm
拍摄模式	HFR
曝光模式	快门优先(S)

表2 相机采集系统参数

Table 2 Characteristics of the camera acquisition systems

基本参数	参数值
传感器尺寸	13.2 mm×8.8 mm
记录像素	1 920×1 080，250 fps
有效像素	1 824×1 026，250 fps
拍摄时间	约4 s（质量优先模式）
焦距（35 mm换算）	26 mm
拍摄模式	HFR
曝光模式	快门优先(S)

图5 动态摄影测量空间影像数据
(a)全局影像数据; (b)点云数据; (c)网格模型; (d) 图像模型

Fig.5 The 3D image data of dynamic photogrammetry
(a) Full image data; (b) Point cloud data; (c) Mesh data;(d) Texture data

图6 动态地形数据成果对比

Fig.6 The comparison of dynamic terrain

图7 碎屑颗粒体积变化曲线
(a)总体积; (b)体积产出率

Fig.7 Temporal evolution of volume for granular mass
(a) Total volume ;(b) Production rate of volume

图8 碎屑颗粒厚度演化图
灰色为斜槽底板高度数据，彩色为堆积厚度数据

Fig.8 The evolution of depth for granular mass
Gray data indicate Z-values of bed and colored data indicate the deposit depth

图9 典型时刻剖面变化图

Fig.9 The evolution of typical pro?le

图10 监测点位置

Fig.10 Sampling probe locations

图11 监测点厚度时程曲线

Fig.11 Temporal evolution of sampling probe

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