張雅楠

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

數(shù)字近景影像技術(shù)在工程中的應(yīng)用

張雅楠

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

基于非量測(cè)相機(jī)的數(shù)字近景影像技術(shù)具有作業(yè)簡(jiǎn)便，影像獲取快速，安全可靠等優(yōu)勢(shì)。本文采用非量測(cè)相機(jī)，對(duì)數(shù)字近景影像技術(shù)在電力工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)非量測(cè)相機(jī)的檢校，可較好地改正非量測(cè)影像的構(gòu)像畸變差，提高作業(yè)精度。該方法較為適宜測(cè)繪坡度較大區(qū)域的地形，作業(yè)精度可達(dá)分米級(jí)。由于其為非接觸式的量測(cè)方式，在常規(guī)測(cè)量無(wú)法進(jìn)行開(kāi)展的危險(xiǎn)地區(qū)，該技術(shù)更具有實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

近景影像技術(shù)；非量測(cè)相機(jī)；地形測(cè)量；相機(jī)檢校；精度。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字近景影像技術(shù)作為一種地面遙感技術(shù)，相較于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量，解決了現(xiàn)場(chǎng)快速獲取影像的問(wèn)題，并可使用少量控制點(diǎn)，快速完成像對(duì)定向及地形測(cè)量，減小野外工作量，提高工作效率。相較于傳統(tǒng)“點(diǎn)”測(cè)量方式而言，該技術(shù)可快速獲取地形三維點(diǎn)云，并由于其采用非接觸式的測(cè)量方式，在一些傳統(tǒng)測(cè)量方式難以采集數(shù)據(jù)的陡峭危險(xiǎn)區(qū)域，采用該技術(shù)進(jìn)行測(cè)量工作，安全可靠。諸多優(yōu)點(diǎn)使之成為各類(lèi)工程中重要的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，在工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)，降低了數(shù)字近景影像技術(shù)對(duì)作業(yè)設(shè)備及技能的要求，并使攝影測(cè)量過(guò)程成為全數(shù)字流程。近十年來(lái)，基于非量測(cè)相機(jī)的近景數(shù)字影像技術(shù)已成為研究發(fā)展的重點(diǎn)。

1997年，李冬田于在小浪底開(kāi)展了應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行隧洞攝影工程地質(zhì)編錄的試驗(yàn)；2001年王秀美等研究了利用數(shù)字近景技術(shù)開(kāi)展滑坡監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，同年，劉志銘等采用普通數(shù)碼相機(jī)，成功實(shí)施了帶長(zhǎng)度相對(duì)控制的區(qū)域網(wǎng)光束法平差計(jì)算，結(jié)果表明基于普通數(shù)碼相機(jī)的光束法，在2m攝影距離上可達(dá)到毫m級(jí)測(cè)量精度，這是一次基于普通數(shù)碼相機(jī)的高精度應(yīng)用嘗試。2004年，陳清平等利用數(shù)字化的光學(xué)近景影像，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行地形測(cè)繪，輔助鐵路橋隧設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究了傳統(tǒng)的近景影像技術(shù)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

目前，近景影像技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用尚未達(dá)到應(yīng)有的水平，其應(yīng)用主要集中在高陡邊坡的監(jiān)測(cè)方面。本文主要采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，對(duì)數(shù)字近景影像技術(shù)在電力勘測(cè)地形測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并對(duì)相應(yīng)作業(yè)方式進(jìn)行探討。

2 非量測(cè)相機(jī)的量測(cè)化技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 非量測(cè)相機(jī)量測(cè)化技術(shù)

基于非量測(cè)相機(jī)的數(shù)字近景影像技術(shù)具有作業(yè)簡(jiǎn)便，設(shè)備要求低，影像獲取快速等優(yōu)勢(shì)。但非量測(cè)影像構(gòu)像畸變大，內(nèi)方位元素不穩(wěn)定，無(wú)水準(zhǔn)和定向裝置，這些均影響了成果的精度。為提高非量測(cè)影像的應(yīng)用精度，需要對(duì)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行量測(cè)化，即測(cè)試重復(fù)構(gòu)像的內(nèi)方位元素穩(wěn)定性、確定構(gòu)像的幾何畸變模型、檢測(cè)畸變模型參數(shù)、測(cè)定檢校后的畸變殘差、檢測(cè)內(nèi)方位元素、量測(cè)化精度綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)等，其中最主要的工作是檢測(cè)畸變模型參數(shù)和檢測(cè)內(nèi)方位元素。

本文的實(shí)驗(yàn)采用PTR(perspective transform and resection)方法對(duì)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行檢校。采用考慮徑向和切向畸變的畸變改正模型，如式(1)：

其中：Δx，Δy為像點(diǎn)坐標(biāo)的構(gòu)像畸變改正值；x，y為像點(diǎn)量測(cè)坐標(biāo)；x0，y0為相機(jī)的內(nèi)方位元素；r為像點(diǎn)的徑向半徑；k1，k2，k3，P1，P2為畸變系數(shù)。

PTR方法聯(lián)合應(yīng)用透視變換和空間后方交會(huì)算法，將非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的畸變參數(shù)和內(nèi)方位元素分別在二維、三維控制場(chǎng)中運(yùn)用透視變換和空間后方交會(huì)進(jìn)行檢校，以此來(lái)減弱各個(gè)元素之間相關(guān)性的影響。

畸變參數(shù)檢校時(shí)采用精密二維控制場(chǎng)，依據(jù)透視變換公式：

在同一數(shù)學(xué)模型中序貫解算透視變換參數(shù)及畸變參數(shù)。解算相機(jī)畸變參數(shù)后，采用室內(nèi)精密三維控制場(chǎng)，依據(jù)共線方程解算相機(jī)內(nèi)方位元素。

2.2 非量測(cè)近景影像數(shù)據(jù)處理方法

非量測(cè)近景影像數(shù)據(jù)處理方法通常有兩種。方法一可直接對(duì)非量測(cè)影像進(jìn)行處理，處理前不進(jìn)行影像畸變預(yù)校正，此時(shí)采用直接線性變換(DLT)及光線束法解算。方法二可采用相機(jī)量測(cè)化后的參數(shù)，對(duì)非量測(cè)影像進(jìn)行畸變校正及重采樣，并固定內(nèi)方位元素，從而將非量測(cè)影像作為量測(cè)影像進(jìn)行后續(xù)的算法處理。

為比較兩種數(shù)據(jù)處理方法的精度，本文采用CANON 5D MARKⅡ相機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用GPS對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行像片控制點(diǎn)測(cè)量，并均勻布設(shè)若干檢查點(diǎn)，用以進(jìn)行成果精度檢查。

實(shí)驗(yàn)1直接應(yīng)用采集的非量測(cè)影像，并進(jìn)行相應(yīng)定向處理。實(shí)驗(yàn)2預(yù)先對(duì)相機(jī)采用PRT方法進(jìn)行量測(cè)化，并采用量測(cè)化的參數(shù)對(duì)非量測(cè)影像進(jìn)行畸變預(yù)校正。選擇均勻分布于像幅的若干實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行精度分析，表1和表2統(tǒng)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)的檢查點(diǎn)精度。

表1 實(shí)驗(yàn)1檢查點(diǎn)精度比較 (單位：m)

表2 實(shí)驗(yàn)2檢查點(diǎn)精度比較 (單位：m)

通過(guò)對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可得，直接應(yīng)用非量測(cè)影像的作業(yè)方式檢查點(diǎn)精度較差。而采用相機(jī)量測(cè)化參數(shù)，對(duì)非量測(cè)影像進(jìn)行畸變預(yù)校正的實(shí)驗(yàn)2檢查點(diǎn)精度遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)1。由此可知，非量測(cè)相機(jī)的量測(cè)化可大幅提高近景攝影測(cè)量作業(yè)精度。

3 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)大傾角立面地形(坡地)和平坦地形，本文進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)采用CANON EOS 5D MARKⅡ相機(jī)，24mm～105mm變焦鏡頭及50mm定焦鏡頭。相機(jī)及鏡頭均已檢校。影像像幅大小為5616×3744，像元大小為6.41μm。拍攝時(shí)固定焦距，調(diào)焦無(wú)窮遠(yuǎn)，以保證內(nèi)方位元素的穩(wěn)定，手持相機(jī)進(jìn)行正直等傾攝影。

據(jù)實(shí)際地形情況拍攝得到若干像對(duì)后，首先對(duì)每張影像進(jìn)行構(gòu)像預(yù)校正，之后對(duì)每個(gè)單像對(duì)進(jìn)行處理。處理采全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件virtuozo中的近景模塊進(jìn)行。

3.1 針對(duì)坡地地形的實(shí)驗(yàn)

選擇了藍(lán)田縣附近某處針對(duì)坡地地形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)實(shí)際地形情況，采用24mm～105mm變焦鏡頭的105mm端，拍攝1個(gè)像對(duì)。依據(jù)地形情況，選擇拍攝的兩攝站間基線約為8m。共布設(shè)12個(gè)均勻分布于像幅的控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)，實(shí)測(cè)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)點(diǎn)位。在Virtuozo中進(jìn)行近景定向處理后，匹配獲取測(cè)區(qū)DEM，在模型中手工量測(cè)檢查點(diǎn)，與檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

圖1、圖2為地形三維點(diǎn)云及測(cè)區(qū)DEM。表3給出檢查點(diǎn)量測(cè)坐標(biāo)及與實(shí)測(cè)值的比較。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地形三維點(diǎn)云

圖2 測(cè)區(qū)DEM

由表2可看出，點(diǎn)126量測(cè)值與實(shí)測(cè)值較差最大，特別是Y方向相差約6m。分析其原因，該點(diǎn)與攝站點(diǎn)相距約220m，縱距最遠(yuǎn)，其基線與縱距比約為1:65，故而該點(diǎn)精度已不可控制。檢查點(diǎn)中，精度最高為點(diǎn)139，X方向與實(shí)測(cè)值相差僅0.092m。所有檢查點(diǎn)的高程精度相較平面精度而言均較好，最大相差0.666m，最小為點(diǎn)139，僅相差0.039m。查點(diǎn)的高程精度均較好，與實(shí)測(cè)值相差最小僅0.019m，最大不過(guò)0.387m，平均僅為0.182m。

表3 實(shí)驗(yàn)1檢查點(diǎn)精度分析 (單位：m)

3.2 針對(duì)平坦地形的實(shí)驗(yàn)

選擇了西安近郊的狄寨原某處針對(duì)平坦地形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為了使目標(biāo)面細(xì)節(jié)盡量在像片上展開(kāi)成像，提高作業(yè)精度，實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)實(shí)際地形情況，選擇測(cè)區(qū)邊的一個(gè)山坡布設(shè)攝站。采用50mm定焦鏡頭，拍攝1個(gè)像對(duì)。兩攝站間基線約為7.1m。在像幅范圍內(nèi)均勻布設(shè)14個(gè)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)。表4給出檢查點(diǎn)量測(cè)坐標(biāo)及與實(shí)測(cè)值的比較。

表4 實(shí)驗(yàn)2檢查點(diǎn)精度分析 (單位：m)

由表4可看出，檢查點(diǎn)中，點(diǎn)46位于遠(yuǎn)景處，攝影縱距最遠(yuǎn)，其量測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差最大，X方向與Y方向的較差均為2m左右。32、31、37攝影縱距略近，X方向與Y方向的精度較好，尤其是點(diǎn)31，基線與縱距之比約為1:10，故其與實(shí)測(cè)值僅相差0.1m左右。所有檢

4 結(jié)論

本文采用非量測(cè)相機(jī)，對(duì)數(shù)字近景影像技術(shù)在電力工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 采用數(shù)字近景影像技術(shù)進(jìn)行發(fā)、變電工程地形測(cè)繪在地形條件較好的情況下可行。其較為適宜測(cè)繪坡度較大區(qū)域的地形，作業(yè)精度可達(dá)分m級(jí)。實(shí)際應(yīng)用精度可達(dá)1:500比例尺測(cè)圖到1:1000比例尺測(cè)圖之間。

(2) 非量測(cè)相機(jī)的“量測(cè)化”過(guò)程對(duì)保證實(shí)際作業(yè)精度十分關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)非量測(cè)相機(jī)的檢校，可較好地改正非量測(cè)影像的構(gòu)像畸變差。校正影像構(gòu)像畸變差后，影響作業(yè)精度的最大因素為攝影方案的確定，即攝影基線與攝影縱距。

(3) 該作業(yè)方式沿?cái)z影方向點(diǎn)位精度最差，高程精度通常較好。

(4) 地形影響及地物遮擋、植被覆蓋等因素對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用具有一定程度上的制約。

(5) 由于近景影像采用非接觸式的量測(cè)方式，在常規(guī)測(cè)量無(wú)法進(jìn)行開(kāi)展的危險(xiǎn)地區(qū)，該方式更具有實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

鑒于近景影像的技術(shù)特點(diǎn)及目前的研究情況，其可作為常規(guī)測(cè)量及航測(cè)的一種補(bǔ)測(cè)手段進(jìn)行作業(yè)。相信隨著進(jìn)一步研究的深入，該技術(shù)對(duì)發(fā)、變電工程中運(yùn)用高新技術(shù)、提高工作的質(zhì)量和效率，促進(jìn)發(fā)、變電工程信息化建設(shè)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有現(xiàn)實(shí)的意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]李浩．水電工程近景數(shù)字影像技術(shù)的研究及應(yīng)用[D]．南京:河海大學(xué)，2005．

[2]林宗堅(jiān)，崔紅霞，孫杰，劉麗．?dāng)?shù)碼相機(jī)的畸變差檢測(cè)研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科版，2005，30(2)．

[3]Lazaros Grammatikopoulos，George Karras， Elli Petsa，An Automatic approach for camera calibration from vanishing points[J]，ISPRS Journal of Photogrammetry &Remote Sensing， 2007，62．

[4]黃醒春，寇新建，林林．用數(shù)碼攝影測(cè)量法實(shí)現(xiàn)大型沉井可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33(6)．

Application of Digital Close-range Photogrammetry in Engineering

ZHANG Yan-an
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 721000, China)

To the advantage of low cost, convenient image capture, safe and reliable, the technology of digital closerange photogrammtry based on non-metric camera has been applied widely recent years. Using non-metric camera,the research on the application of this techonology in electric power engineering survey is given in this paper. The experiments results represent that through camera calibration, the image distortion of non-metric image can be correct well, and the accuracy can be improved effectively. This method is more suitalble for the slope rigon, and the work accuracy is at decimeter level. For its Un-contact survey mode, this method have a unique applicatioan superiority in the danger area in which common survey methods can not be applied.

digital close-range photogrammetry; non-metric camera; topographic survey; camera calibration; accuracy.

P2

B

1671-9913(2013)02-0026-05

2012-07-23

張雅楠(1983- )，女，河北巨鹿縣人，碩士，工程師，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與近景攝影測(cè)量，航空攝影測(cè)量。