宋立旺,黃愛玲,林 洪

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002;2.杭州博盛環(huán)?？萍加邢薰?浙江 杭州 310005)

1 問題的提出

擬建的石坑坪水庫位于浙江遂昌縣境內(nèi)練溪上游,壩址以上集水面積29.7 km2,水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位460 m,庫區(qū)山高坡陡、植被發(fā)育,交通不便、人煙稀少。

2 測算原理與方法

利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)對空間物體的平面測量主要基于透鏡成像理論基礎(chǔ)[1],拍攝得到的圖像是空間物體通過成像系統(tǒng)在像平面上的反映,即空間物體在像平面上的投影?？臻g物體到像平面的投影關(guān)系即為成像模型。圖1為理想透鏡成像原理圖,理想透鏡成像系統(tǒng)主要由光心(也稱為攝影中心)、成像平面和光軸組成?？梢园褦?shù)碼相機(jī)的鏡頭想象為理想透鏡,相機(jī)將攝得的物像在CCD上 (可以想象為像平面)呈現(xiàn)出來。

圖1 透鏡成像原理圖

可見,物高 Q為物距u、焦距 f和像高q的表達(dá)式。其中物距u可在照相的同時(shí)通過激光測距儀測得,焦距f可通過查詢照片屬性獲得,關(guān)鍵是像高q的求取。如前所述,空間物體通過數(shù)碼相機(jī)鏡頭成像在CC D上。一般每款數(shù)碼相機(jī)CCD的實(shí)際尺寸是確定的,可從相關(guān)技術(shù)資料查獲。根據(jù)影像的分辨率屬性,就可以建立影像上像素距離與像平面上實(shí)際距離的對應(yīng)關(guān)系,即每個(gè)像素在CCD面上所對應(yīng)的寬度或高度,然后由影像圖高 Δq求算像高q。

假設(shè)CCD的實(shí)際長寬為a×b,若其影像分辨率為 x×y,則:

將其代入式(3)可得影像平面測量計(jì)算公式:

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在古樹對岸的練溪左岸公路附近的山坡上,用索尼DSC-T20數(shù)碼相機(jī)對準(zhǔn)古樹拍照,拍照時(shí)盡量將樹干中下部置于照片中央,并包絡(luò)古樹頂部及河床,得影像見圖2。同時(shí)用激光測距儀測得拍攝點(diǎn)至位于照片中央附近的古樹樹干的距離為41 m。

索尼DSC-T20數(shù)碼相機(jī)采用的是1/2.5″的 CCD,查得其實(shí)際尺寸為5.445 mm×4.084 mm。用看圖軟件查得該照片像素?cái)?shù)為3264×2448,焦距為6.33 mm。查得該影像如下像素?cái)?shù)差值:古樹胸徑67、冠幅935、樹高1494。根據(jù)上述影像平面測量計(jì)算公式得古樹特征尺寸:胸徑0.724 m(胸圍2.275 m)、冠幅10.103 m、樹高16.143 m,分別與調(diào)查的胸圍2.28 m、冠幅10 m、樹高16 m很接近,可見測算結(jié)果是較準(zhǔn)確和可信的。再查影像樹底至河床的像素?cái)?shù)差值為1372,計(jì)算出兩者實(shí)際高差為14.825 m。在庫區(qū)1∶2000地形圖查得拍照點(diǎn)對面河床高程為448.2m,由此可知該古樹所處高程為463 m左右。因該古樹所處高程高于水庫正常蓄水位460 m(尚有約3 m高差),可判斷水庫建成后正常蓄水不會淹沒該古樹,對其存活條件無不利影響。

圖2 對岸所拍古樹影像圖

4 討 論

類似于上述實(shí)例,通過利用便攜的普通數(shù)碼相機(jī)和測距儀,并借助筆記本電腦甚至智能手機(jī)進(jìn)行少量的分析計(jì)算,即可實(shí)現(xiàn)對局部范圍內(nèi)少數(shù)點(diǎn)位的相對距離或高差的粗略測量,該方法具有取材方便、簡易、快速、非接觸、無干擾等特點(diǎn)[2],且其測量精度完全能夠滿足環(huán)評一般調(diào)查或粗略測量的要求,在地形、交通、人員與設(shè)備等條件不佳時(shí)尤為實(shí)用。

經(jīng)初步分析,基于普通數(shù)碼影像的平面測量方法在實(shí)際應(yīng)用中需注意以下幾個(gè)方面。

根據(jù)被測對象選擇較為理想的拍攝點(diǎn),有利于提高測量精度。數(shù)碼相機(jī)攝影光軸應(yīng)盡量垂直于被測對象所在平面并處于被測對象中央附近。相對于被測對象的大小,拍攝點(diǎn)與被測對象的距離應(yīng)適中;若太近,影像變形大,測量誤差越大;若太遠(yuǎn),影像中被測對象很小甚模糊,也將增加測量誤差。另外,CCD尺寸越大,影像分辨率越高,測量精度越高[3],因此,可盡量使用全畫幅高分辨率的單反數(shù)碼相機(jī)。

由于相機(jī)攝影光軸往往難以完全垂直于被測對象所在平面,或者被測對象本身就不在一個(gè)平面上,再加上普通非量測數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變較大、無框標(biāo)和內(nèi)方位元素未知等固有的缺點(diǎn)[4],因此,基于普通數(shù)碼影像的平面測量不可避免也存在一定誤差。為了提取影像上的特征點(diǎn)或線條等,還需對影像進(jìn)行平滑、增強(qiáng)、分割、消除噪聲等操作[5],達(dá)到優(yōu)化影像質(zhì)量的目的,便于影像分析,從而提高平面測量精度。

為了提高基于數(shù)碼影像的平面測量的適用性,針對常用的普通數(shù)碼相機(jī)機(jī)型,有必要分析不同的物距與物體大小的比值、焦距以及攝影光軸與被測對象平面的傾斜角度對測量精度的影響。

[1]鄒曉軍.攝影測量基礎(chǔ) [M].河南:黃河水利出版社,2008.

[2]張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展與展望[J].地理信息世界,2004,2(3):1-5.

[3]奧村運(yùn)明,張?zhí)旌?李寧,等.數(shù)字圖像技術(shù)在黃河堤壩裂縫觀測中的應(yīng)用[J].人民黃河,2007(5):19-20.

[4]劉世杰,葉勤,童小華,等.用數(shù)碼相機(jī)測量斜拉橋拉索模型的變形 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版),2007(4):920-924.

[5]林曉威.普通數(shù)碼相機(jī)在工程檢測中的應(yīng)用研究 [D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.