基于Unity3D的三维虚拟化构造产状测量系统研发

彭思元 李晓晖 袁 峰 彭 辉 孟繁荣 陈守文 丰效坤

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽省矿产资源与矿山环境工程技术研究中心,安徽 合肥 230009)

地质体结构面的几何特征是地质体稳定性的重要依据,其产状量测是地质调查中必不可缺的部分。传统的罗盘接触式测量方法面对高陡边坡危险岩体、露天矿边坡时,存在测量难度大、危险性高等问题。无人机与三维虚拟化技术是解决上述问题的有效手段,该类方法具备灵活便捷、对环境要求低、实景模型还原真实环境性能好等特点[1-2]。有学者将无人机与三维虚拟化技术应用于测绘大比例尺地形图的绘制中,试验并证明,其成果精度满足大比例尺地形图的测绘质量要求[3-5]。对于三维虚拟化构造结构面产状测量方法,已有学者开展了相关研究。其中,构造结构面信息提取是三维虚拟化量测的关键。目前常用的方法包括借助三点法结构面产状原理,实现结构面信息的快速获取[6-9],或是采用多点拟合方式获取结构面,解决岩体结构面粗糙导致测量误差大的问题[10-15]。

近年来,Unity3D平台在地质学领域的应用日益广泛,其强大的三维可视化功能为相关应用提供了重要支撑,使开发人员更加聚焦科学技术问题的解决。目前,已有学者以此平台为依托开展了相关研究,如基于Unity3D平台实现实景模型与BIM模型的集成发布[16];依托Unity3D平台和三维建模软件完成虚拟仿真系统搭建,实现了场景漫游、信息查询、动态仿真演示等功能[17-18]。然而,以往研究重点多集中于应用Unity3D平台开展三维可视化工作与研究,对于进一步应用其开展三维地质量测等方面的研究较为薄弱。

因此,本研究基于无人机获取的三维实景模型,针对Unity3D平台下的三维虚拟化产状测量方法进行研究,并开发了基于Unity3D的三维虚拟化构造产状量测软件系统,以期为地质调查工作提供更加高效的方法和技术支持。

1 基于Unity3D的倾斜摄影三维模型构造结构面产状测量方法

1.1 三维虚拟化构造产状测量方法

岩体产状量测是地质调查中不可或缺的工作,在实际测量时,由于走向在量测时存在不唯一性,故通常以倾向和倾角确定构造结构面的产状。面对高陡边坡、岩性不稳定等人力无法到达的区域,利用无人机与三维虚拟化等技术能够通过影像数据空三重组,借助不规则三角网完成对模型形态的拟合搭建与贴图(图1(a)),实现三维地质实景模型构建,使得三维虚拟化产状测量成为可能。

图1 结构面产状几何关系Fig.1 Geometric relationship of structural planes

因此,本研究基于三维实景模型与不规则三角网的特点,对Unity3D平台下的产状测量算法进行讨论,实现对三维实景模型的虚拟化量测功能。借助Unity3D平台提供的射线Ray工具,由摄像机通过射线发射至模型的目标剖面,利用碰撞器Collider组件,确定接触面所在的三角面(图1(b)),结合相关函数求得该三角面上3个顶点的坐标,并以此作为结构面,计算该平面的法向量,求得其倾向和倾角。

设三点坐标分别为PA(XA,YA,ZA),PB(XB,YB,ZB),PC(XC,YC,ZC),该结构面倾向为a,倾角为b,则结构面P的法向量n=(Xn,Yn,Zn),结构面上不共线的两个向量CB=(XB-XC,YB-YC,ZB-ZC),CA=(XA-XC,YA-YC,ZA-ZC)。由于平面法向量与平面上任意向量互相垂直,故法向量n与向量CB的向量积为0,法向量n与向量CA的向量积也为0,可通过下式求得结构面P的法向量n:

法向量n在水平方向的投影ny=(Xn,0,Zn)与正北方向上单位向量N=(0,0,1)的夹角即为倾向a,公式为

法向量n与向量ny的夹角即为倾角b,公式为

1.2 多点采样策略与误差对比分析

在实际量测时,由于出露的地层剖面由不规则三角网构成,通过以上方法只能获取构造结构面上所选择的某个目标三角面的产状,而构成结构面的不同三角面的倾向与倾角之间存在差异,直接测量某个三角面并以此作为剖面的产状,则会导致量测时出现较大的随机误差,尤其对于狭长形裸露结构面或有一定粗糙度的结构面,测量结果误差较大。为解决单点量测误差突出的问题,本研究尝试采用多点采样法,以期降低解算误差。即对同一个剖面上多个点位进行量测,分别采取单点位、4点位和9点位量测(图2)在Unity3D平台上,多点采样法即自相机处向模型表面指定区域发射多条射线,分别计算与模型碰撞的点位所在的空间三角面的产状信息,再依次采取均值、去极值后求均值、求中位数的方法对量测结果进行统计。

图2 多点量测点位分布Fig.2 Point distribution for multi-point measurement

本研究通过详细对比上述各采样方法的数值差异,获取最适宜的采样与计算方法,并将其应用于构造结构面产状三维虚拟化量测算法与软件开发工作中。

本研究选取某地层剖面(图3)开展分析研究,实际测量该剖面的产状为131°∠81°,通过在该结构面上选取10个均匀分布的点位并对各点位分别采取单点位、4点位和9点位进行产状量测,结果见图4。

图3 结构面多点量测点位Fig.3 Multi-point measurement points on structural plane

由图4可知:单点量测在选点时可能存在将射线发射在粗糙剖面的凸起或拗陷位置,所测结果与实地罗盘接触式量测结果误差较大,通过多点量测并结合数理统计方法对数据进行分析梳理,可有效地减少误差,从而实现精准量测的效果。其中,4点量测和9点量测较单点量测优势显著,且两种方法所测结果误差相近。

图4 多点量测产状均值分布Fig.4 Mean distribution of attitude measured by multi-point method

为实现更稳健和准确的测量效果,本研究进一步对比分析了多种消除极值的计算方法,包含对多个点位分别采取求均值、中位数、去极值后求均值与去四分位数后求均值4种方案。其中,由于4点采样法去极值和去四分位数后的统计结果相同,故只采取了求均值和求中位数的统计手段。通过计算各组虚拟化产状测量结果与实际产状测量结果的方差后可知,4点位求中位数和9点位去四分位数后求均值的方法对于消除误差效果较好,将该方法应用于地质产状量测可确保产状测量结果的稳定性。

此外,进一步对比4点位和9点位量测结果,如图5所示。两种方法的测量结果均满足地质量测要求,且两种方法求均值后误差范围相近。原因在于,9点量测方法在测量点位增多的同时,极端值出现概率随之增多,故直接对测量点求平均后,9点位的优势并不显著。但就全局而言,9点位量测可获取结构面上更多的点位信息,通过对获取的9组倾向、倾角值通过去四分位数消除显著异常值后求均值,使得量测结果相较于4点位法更接近于实测值。故本研究在三维虚拟化量测软件系统开发过程中采取该方法实现结构面量测。

图5 多点量测产状分析统计Fig.5 Occurrence analysis and statistics of multi-point measurement

2 三维虚拟化构造产状测量系统设计与实现

2.1 平台总体框架

本研究在了解分析地质测量人员数据采集目标和工作流程的基础上,对三维虚拟化构造产状量测系统进行了深入的需求分析,设计了三维场景可视化模块、三维构造产状量测模块、三维构造解译与制图模块和数据库管理模块,实现模型动态导入、三维场景浏览、空间量测、点位编录、构造结构面产状量测、构造解译图件自动绘制等功能,以满足在三维虚拟化环境下开展野外地质调查工作的实际需求。研究工作利用Unity3D平台提供的空间三维网格模型可视化工具,结合相机、射线、碰撞器等组件,应用相关三维数学函数完成了系统开发。开发框架充分发挥了U-nity3D平台的三维虚拟化性能,使开发人员能够更加聚焦目标用户需求的实现,显著提高了开发效率。

2.2 系统功能结构设计

本研究三维虚拟化构造产状测量系统采用Unity3D作为三维虚拟化开发平台,结合C#语言,采用MySQL作为数据的组织和管理工具,系统模块与功能划分如图6所示。

图6 三维虚拟化构造产状测量系统功能架构Fig.6 Functional architecture of 3D virtual structure occurrence measurement system

(1)三维场景可视化模块。三维场景可视化模块支持三维实景模型的动态导入。通过设置相机坐标和旋转角度的设置,实现三维全景漫游功能。同时设置了小地图导航和三轴坐标同步的功能,可实现模型三维空间展示、测点地理位置信息获取与方位坐标实时观测等功能。

(2)三维构造产状量测模块。三维构造产状量测模块是软件系统的核心,模块界面如图7所示。模块能够实时记录用户目标采集的产状测量点位信息,并基于1.1节所述产状量测方法,实现对结构面、线性构造产状的三维虚拟化量测。同时模块还具有空间距离、面积量测等辅助测量功能,帮助用户获取更全面的测量信息。

图7 三维构造产状量测模块界面Fig.7 Interface of the measurement module of 3D structure occurrence

(3)三维构造解译与制图模块。三维构造解译与制图模块包括节理玫瑰花图、赤平投影图等构造解译图件自动绘制,以及地质界线和剖面图的人机交互绘制等功能。其中,节理产状玫瑰花图与赤平投影图等构造解译图件绘制功能基于Vectrosity绘图插件开发,能够自动获取空间量测模块计算的倾向和倾角等信息,并自动绘制相关图件,如图8所示。

图8 三维构造解译与制图模块界面Fig.8 Interface of 3D structure interpretation and mapping module

(4)数据库管理模块。数据库管理模块主要用于对影像数据和文字数据的数据库存储和读取,文字数据包括观测信息、空间量测信息等,影像数据包括三维模型数据、地质解译图件、标本影像图件等。

3 应用实例

3.1 研究区概况

本研究以安徽省巢湖市北郊平顶山南侧剖面(图9)为例,对所开发的三维虚拟化构造产状量测系统进行应用和性能检验。该处边坡基岩出露,结构面发育显著,剖面东西长约120m,垂直高度达80m,坡度60°～90°。剖面纵深呈上陡下缓形态,边坡陡峭,岩性以灰岩为主,部分地层为灰岩与钙质泥岩互层,岩层裸露,极易风化剥落,仅能在坡脚进行人工测量工作,难以对上层岩体结构面信息进行接触式量测。

图9 研究区测点分布Fig.9 Distribution of the monitoring points in the study area

3.2 现场数据采集情况

(1)影像数据。本研究采用大疆精灵Phantom4 Pro V2.0轻型无人机,对区域进行倾斜影像获取。通过3个架次、30 min航飞,获取影像561幅。飞行质量方面,航向重叠率和旁向重叠率均达到90%以上。因剖面呈上陡下缓形态,故在获取影像信息时将航线规划为两组,行高设置为60m时,调节云台俯角为-30°,获取山体影像;行高设置为50 m时,调节云台俯角为-50°,获取坡脚影像数据。

(2)实测数据。在剖面中选取9组人工可达的构造结构面,确定结构面位置并采用地质罗盘对构造结构面进行产状量测。

3.3 误差分析与方法验证

通过9条罗盘测量的产状(表1)与本研究采用的多点采样法计算所得的产状(表2)对比发现,倾向平均绝对误差为3.7°,倾角平均绝对误差为4.4°。应用SPSS软件对实测数据与通过该量测系统完成的同一结构面的产状数据进行描述性统计分析发现,两组数据的平均值差异均在5°以内。在平均值的95%置信区间内,实测结果与虚拟量测结果的上下限误差均小于6°,实测结果和虚拟量测结果的极值之差基本保持一致。

表1 实测与虚拟量测结果对比Table 1 Comparison of the measured results and virtual measurement results (°)

表2 描述统计量Table 2 Descriptive statistics

为分析野外实测与虚拟化量测产状结果的显著性差异,分析虚拟化量测结果的可信度,本研究引入了统计学上的多重比较方法:Duncan多重比较法和最小显著差数法(LSD)[19-21],结果见表3和表 4。Duncan平均数多重比较检验表(表3)显示,当显著性水平为0.05时,实测与虚拟量测的倾向和倾角均无显著性差异性。LSD多重比较结果(表4)显示:野外实测与虚拟化量测的倾向和倾角的平均差异分别为-1.11和4.02,中方差分析的t检验显著性,P1=0.966＞α=0.05,P2=0.878＞α=0.05,同样也表明野外实测产状与虚拟量测产状之间不具备显著性差异。

表3 Duncan法多重比较结果Table 3 Multiple comparison results based on Duncan method

表4 LSD多重比较结果Table 4 LSD multiple comparison results

两种统计学方法分析均表明:野外实测与虚拟化量测产状具有较好的一致性,倾向和倾角的误差均较小,因此虚拟化量测方法可满足实际工程应用的基本要求。对于高陡边坡危险岩体调查、露天矿边坡地质调查等人力难以企及的情形,利用三维虚拟化量测方法和软件系统能够在保证测量精度的同时显著提高量测效率。

4 结 论

(1)基于Unity3D设计开发了三维虚拟化构造产状测量软件系统,该系统能够基于三维实景模型开展构造产状三维量测、地质编录、自动化制图等虚拟化地质调查工作,进一步推进了Unity3D平台在地质学领域的应用。

(2)基于Unity3D的三维虚拟化构造产状测量系统开发和使用便捷,配合9点位量测法结合去四分位数后求均值的平差方法测量效果更优,可有效降低测量误差。实例研究表明:测量结果与传统实地产状测量结果一致性较好,误差均控制在5°以内,可满足实际工程应用的基本要求。

(3)对于高陡边坡、岩性不稳定等人力难以到达的区域,利用三维虚拟化量测方法和软件系统能够降低野外实测工作难度与危险性,在保证测量精度的同时显著提高量测效率。后续工作中可在本系统的基础上不断丰富地质编录与地质解译等相关功能,为地质调查工作及相关研究提供更为高效的软件工具。