梁曉娜 張文春 林 楠

(吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

隨著數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，高分辨率數(shù)碼相機(jī)的不斷普及，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以其測(cè)量速度快、受場(chǎng)地環(huán)境影響小、數(shù)據(jù)可靠及精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水電站、古典園林重建、地形圖測(cè)繪等研究領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景［1-4］．本文將多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)(Lensphoto)運(yùn)用于邊坡三維建模，通過少量的野外控制點(diǎn)(理論上4個(gè)點(diǎn))，可更快速、精確地建立野外實(shí)物的三維模型，從而得到模型中各點(diǎn)高精度的三維坐標(biāo)，對(duì)邊坡變形等方面具有重要意義［5］．

1 基本原理

多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量，是以計(jì)算機(jī)視覺原理(多基線)代替人眼雙目視覺(單基線)傳統(tǒng)攝影測(cè)量原理，從空間一個(gè)點(diǎn)由兩條光線交會(huì)的攝影測(cè)量基本法則變化為空間一個(gè)點(diǎn)由多條光線而成的全新概念．即采用短基線獲取大重疊度的序列影像．在短基線數(shù)字?jǐn)z影影像中，相鄰的兩幅影像攝影基線短、交會(huì)角小，則會(huì)更加有助于自動(dòng)匹配，而首尾的兩幅影像攝影基線長(zhǎng)、交會(huì)角大，并且會(huì)有多個(gè)觀測(cè)值，在交會(huì)的時(shí)候可以使其提高精度［6］．采用多基線攝影測(cè)量方法獲取的序列影像既有利于影像的自動(dòng)匹配，同時(shí)可提高交會(huì)精度，解決單基線攝影測(cè)量方法難以解決的矛盾．本文采用的近景攝影測(cè)量方法作業(yè)流程如圖1所示．

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2．1 像控點(diǎn)及標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)及量測(cè)

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選取位于長(zhǎng)春市的吉林建筑大學(xué)，主要對(duì)一圍墻邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，在邊坡上布設(shè)控制點(diǎn)及標(biāo)志點(diǎn)．像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)被攝目標(biāo)的特征均勻分布，布設(shè)在被測(cè)區(qū)域4個(gè)角點(diǎn)周圍．在本次邊坡外圍布置了4個(gè)控制點(diǎn)，為了保證其坐標(biāo)值的穩(wěn)定性，采用帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩，并要求相鄰控制點(diǎn)保持通視．在邊坡上布設(shè)了6個(gè)像控點(diǎn)(見圖2中X1～X6，圓形標(biāo)志采用的是紅白相間的標(biāo)志點(diǎn))，11個(gè)檢查點(diǎn)(見圖2中X7～X11，其中，X7和X9貼的是反射片，分別測(cè)量其上的4個(gè)特征點(diǎn))．本次控制網(wǎng)采用大地四邊形控制網(wǎng)，便于形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的局部控制網(wǎng)，利用秩虧自由網(wǎng)平差得到4個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，并采用高精度儀器測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)．像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)點(diǎn)位分布圖及其圖例如圖2所示．

圖1 近景攝影測(cè)量作業(yè)流程

圖2 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)點(diǎn)位分布

2．2 影像拍攝

2．2．1 相機(jī)檢校

本次相機(jī)檢校采用室內(nèi)檢校方法-平面控制格網(wǎng)法．該方法是指用于檢校的控制點(diǎn)在一個(gè)平面內(nèi)，主要利用液晶顯示器上自動(dòng)生成的平面格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)相機(jī)進(jìn)行快速檢校，其標(biāo)定精度可滿足深度方向1/7 000～1/10 000的相對(duì)測(cè)量精度，可滿足中、高精度的近景攝影測(cè)量需求．相機(jī)檢校的目的在于恢復(fù)影像光束的正確形狀，即通過檢校獲取影像的內(nèi)方位元素和構(gòu)像畸變系數(shù)，本次拍攝根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的拍攝距離，主要采用的是28mm焦距的鏡頭，故只對(duì)其檢校即可(具體參數(shù)見表1)．

表1 相機(jī)檢校參數(shù)

2．2．2 影像采集

對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行攝影前，需制定合適的拍攝計(jì)劃．本次拍攝采用Canon-EOS 5D MarkII單反數(shù)碼相機(jī)，2 110萬像素，像幅36mm×24mm(5 616像素×3 744像素)進(jìn)行拍攝．考慮到數(shù)碼相機(jī)必須距離像控點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)牌較近進(jìn)行拍攝，故采用平行─多基線攝影方式．其方法是在每個(gè)攝站只攝一張影像，相鄰攝站之間影像重疊度80% ～100%［7］．在影像采集過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①根據(jù)所拍攝的目標(biāo)物，須盡可能充滿整幅影像的情況下，約占滿幅的80%以上;②視現(xiàn)場(chǎng)情況盡可能架設(shè)多個(gè)攝站，攝站間距大致為攝距的1/12;③盡量減少樹木的遮蔽，以免降低匹配成果．

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)邊坡上，利用圖1所示的流程完成邊坡三維模型的建立，空三匹配效果見圖3，匹配精度報(bào)告見圖4．將TM30測(cè)量邊坡控制點(diǎn)三維坐標(biāo)與Lensphoto系統(tǒng)建立的立體模型量測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2．

圖3、圖4可表明，匹配點(diǎn)很密集，全自動(dòng)匹配精度很高，像素單位權(quán)中誤差0．001 2mm小于1/2個(gè)像素大小，且相對(duì)精度可達(dá)1/11 301，滿足相關(guān)規(guī)范要求．

圖3 空三匹配精度

圖4 匹配精度報(bào)告

表2 全站儀測(cè)量的坐標(biāo)與立體模型量測(cè)坐標(biāo)對(duì)照

續(xù)表2

4 精度分析

用TM30測(cè)量的17個(gè)控制點(diǎn)中，根據(jù)其分布位置選取6個(gè)作為空三交互中絕對(duì)定向控制點(diǎn)(表2中X1～X6)，其余控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別與立體模型量測(cè)的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比(見表2)，對(duì)三維模型精度進(jìn)行評(píng)定，衡量精度的指標(biāo)是被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差(mX，my，mz)及點(diǎn)位空間位置中誤差mT．公式［8］如下:

式中，n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù);Δx，Δy，Δz分別為全站儀實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)與立體模型量測(cè)坐標(biāo)的差值．

通過公式(1)對(duì)邊坡立體模型進(jìn)行評(píng)定，見表3．從表3中得出:所有控制點(diǎn)的X，Y，Z方向的中誤差及點(diǎn)位中誤差均控制在±20mm以內(nèi)，能滿足對(duì)邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)等精度要求．

表3 精度評(píng)定表 (mm)

5 結(jié)論

本文以學(xué)校實(shí)驗(yàn)邊坡為例，利用平行攝影方式獲取近景普通數(shù)碼影像，基于Lensphoto系統(tǒng)，建立起實(shí)驗(yàn)邊坡的三維立體模型，并對(duì)邊坡中控制點(diǎn)及模型的精度進(jìn)行評(píng)定，最終結(jié)果表明:利用Canon-EOS 5D MarkII獲取的影像數(shù)據(jù)，通過軟件Lensphoto軟件的處理建立的邊坡三維模型，其各控制點(diǎn)點(diǎn)位精度均在±20mm以內(nèi)，可滿足進(jìn)一步對(duì)邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)研究的需要．同時(shí)，近景攝影測(cè)量方法以其非接觸測(cè)量、可快速獲取數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)，可滿足對(duì)邊坡變形監(jiān)測(cè)及其他大型工程監(jiān)測(cè)工作的要求．

［1］何秀國，武吉軍，高何利．Lensphoto攝影測(cè)量系統(tǒng)在水布埡溢洪道中的應(yīng)用［J］．人民長(zhǎng)江，2007，38(10):28-29．

［2］李春林．多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)Lensphoto在呼和浩特抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用［J］．水利水電技術(shù)，2013，44(4):111-114．

［3］劉千里，李春友，柳瑞武，楊會(huì)娟，張勁松，孟 平．多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)在古典園林建筑物三維重建中的應(yīng)用［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(4):224-227．

［4］張勝利，殷海霞，劉 強(qiáng)．多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用分析［J］．測(cè)繪技術(shù)裝備，2009，11(1):27-30．

［5］張 喆．基于近景攝影測(cè)量的邊坡變形監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］．交通科技，2009(3):65-67．

［6］張祖勛，楊生春，張劍清，柯 濤．多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量［J］．地理空間信息，2007，5(1):1-4．

［7］康 敏，王春來，楊燦燦，陳春艷．Lensphoto系統(tǒng)在3維重建中的應(yīng)用及若干問題探討［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(3):134-136．

［8］馮文灝．近景攝影測(cè)量［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2002:8-12．