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        淺析變形監(jiān)測中的地面攝影測量

        2017-07-08 07:20:25李偉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年19期
        關(guān)鍵詞:像片控制點基線

        李偉

        摘 要:隨著攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展,它逐漸被應(yīng)用到越來越多的項目上來,其中隨著地面攝影測量技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟,它也更多地應(yīng)用到變形監(jiān)測方面。文章主要就地面攝影測量用于變形監(jiān)測的原理、設(shè)備及工序以及影響地面攝影測量精度的主要因素及解決措施進行了分析,指出地面攝影測量在工程的變形監(jiān)測中已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用,但也存在著不足,精度和作業(yè)距離受限。因此,很好地結(jié)合地面攝影測量的各種方法對于變形監(jiān)測來說非常重要。

        關(guān)鍵詞:變形監(jiān)測;地面攝影測量;分析

        中圖分類號:TB22 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)19-0183-02

        近年來,計算機技術(shù)在不斷飛速發(fā)展中,攝影測量技術(shù)已經(jīng)邁進了數(shù)字攝影測量的時代?!坝嬎銠C視覺”的工作原理是把攝影像片轉(zhuǎn)換成數(shù)字,或使用CCD相機等具有特殊用途的攝影機直接拍攝物體的“數(shù)字影像”,再通過數(shù)字影像匹配技術(shù)以及數(shù)字攝像處理技術(shù)取得同名像點的坐標(biāo),并獲取對應(yīng)物點的空間坐標(biāo)。

        1 地面攝影測量用于變形監(jiān)測的主要方式及其原理

        1.1 時間基線法

        時間基線法又稱為偽視差法,是指將不同時刻拍的兩個像片作為立體像對,對固定設(shè)站的同一目標(biāo)像點的上下以及左右視差進行量測,所得視差與像片比例尺的積就是目標(biāo)像點的位移。時間基線法只能對變形體的二維變形進行監(jiān)測,無法監(jiān)測目標(biāo)像點隨著攝影機主光軸方向的位移。如圖1所示。

        S為攝影中心,S-XYZ為物方坐標(biāo)系,第一期觀測時,目標(biāo)點A成像于a,設(shè)x,z為像點a在像片坐標(biāo)系中的坐標(biāo),f為攝影機焦距。利用簡單的幾何關(guān)系可得出目標(biāo)點A的坐標(biāo)為:

        1.2 地面立體攝影測量法

        如果地面觀測需要3個空間坐標(biāo)軸上的位移值,就需要使用地面立體攝影測量法。該測量法按照不同的攝影基線與光軸的相對位置,分為正直攝影方式、等偏攝影方式、交向攝影方式以及等傾攝影方式四種。正直攝影與等偏攝影都是像片所對的攝影光軸水平相互之間保持平行,不同的是正直攝影與攝影基線方向垂直,而等偏攝影與攝影基線垂直方向偏開了一定的角度。交向攝影是指像片所對的兩個攝影光軸水平相交并形成一定的角度。等傾攝影是指像片所對的兩個攝影光軸水平相對傾斜并形成一個相同的傾角。在變形監(jiān)測應(yīng)用中,最常用的是交向攝影。

        根據(jù)攝影時攝影機內(nèi)外方位元素是否已知,處理攝影測量數(shù)據(jù)的方式分為空間前方交會法,空間后交-前交法,嚴密解法以及直接線性變換法。下面以直接線性變換法為例給出數(shù)學(xué)模型。

        直接線性變換(DLT)節(jié)省了從坐標(biāo)儀量測的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像片坐標(biāo)的步驟,直接變換為物方空間坐標(biāo)。這種方法最初用于處理非量測機所攝的像片,現(xiàn)在越來越多地應(yīng)用于處理量測相機所攝的像片。

        設(shè)x,z為像點的坐標(biāo)儀坐標(biāo),相應(yīng)的目標(biāo)點的物方空間坐標(biāo)為X,Y,Z,直接線性變換法表示為:

        式中,L1~L11稱為DLT系數(shù)。已知DLT系數(shù)時,列出立體像對每一個目標(biāo)點的4個觀測誤差方程,通過最小二乘法對目標(biāo)點的三維坐標(biāo)進行解算。未知DLT系數(shù)時,需在物方空間中布設(shè)控制點進行系數(shù)解算,這時分別列出物方空間的每個控制點的兩個方程,同時,為了確保精確解算系數(shù),不能在同一個平面上布設(shè)控制點,至少需要布設(shè)6個控制點對這11個未知系數(shù)進行解算。

        2 地面攝影測量外業(yè)設(shè)備的種類

        地面攝影測量的首級控制需要由GPS或者全站儀進行布設(shè)測量。因此外業(yè)設(shè)備主要包括數(shù)碼相機(非量測相機)、GPS或全站儀和筆記本電腦。

        2.1 數(shù)碼相機

        為確保數(shù)碼立體像對有較高質(zhì)量的影像效果,數(shù)碼相機的解像度應(yīng)較高,并且鏡頭畸變差應(yīng)較小。通常以JPG以及TIFF格式儲存影像,并通過配套的儲存卡把影像直接下載到電腦上。

        2.2 GPS或全站儀

        GPS或全站儀主要用來進行地面攝影測量的控制測量,把所構(gòu)建的攝影測量網(wǎng)納入到物方空間坐標(biāo)系中,通過多余的控制來增加攝影測量網(wǎng)的強度,再通過相對控制以及多余的控制點來檢測攝影測量的可靠性和精確度。

        3 地面攝影測量的外業(yè)工序流程

        3.1 做好每項準(zhǔn)備工作

        在外業(yè)現(xiàn)場進行立體像對拍攝是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),其質(zhì)量對整個地面攝影測量產(chǎn)生直接影響,需要做好每項準(zhǔn)備工作。首先,在地圖上選擇好要監(jiān)測的區(qū)域范圍,接著再設(shè)定攝影范圍。然后對相機進行正確設(shè)置,設(shè)置最高的分辨率,設(shè)置合適的圖像儲存格式,調(diào)整適合的鏡頭焦距。最后,對攝影基線進行合理確定。應(yīng)選擇在視野開闊處設(shè)立攝影基線的左右站,攝影基線應(yīng)設(shè)在被攝區(qū)域的正面,并且最好使用正直攝影方式,以確保使用最少的攝影基線獲取最大的攝影面積。

        3.2 布設(shè)清晰的攝影標(biāo)志

        制作攝影標(biāo)志時,標(biāo)志的設(shè)計尺寸要足夠大才能確保標(biāo)志在影像上清晰可見,標(biāo)志尺寸可設(shè)計為80cm×80cm,如圖2所示。

        而拍攝對象是明顯地物點時,只要在數(shù)字影像上做好標(biāo)記就行了,可以不再布設(shè)標(biāo)志,但對該地物點應(yīng)進行三維坐標(biāo)聯(lián)測。

        3.3 做好拍攝立體像對的各項工作

        在選定的攝影基線的兩邊攝站上架設(shè)好三腳架并同時安置好相機,攝影狀態(tài)最好選擇正直攝影方式,對于一些特別困難的地段可酌情選擇等偏或等傾攝影方式,而且調(diào)整的角度不宜過大。在拍攝完每一個立體像對后,應(yīng)實時通過筆記本電腦下載并打開檢查攝影像對的質(zhì)量、范圍并查看攝影標(biāo)志的清晰度,對需要補拍的,現(xiàn)場即時補拍。

        3.4 對像控點進行編號及坐標(biāo)聯(lián)測

        這一步驟可通過專業(yè)的攝影測量系統(tǒng)進行。首先,對立體像對進行編號后再把它們復(fù)制到刺點調(diào)繪片上,刺點調(diào)繪片通過Photoshop軟件打開后再對攝影標(biāo)志進行編號,然后壓縮成JPG格式;最后通過全站儀對各像控點坐標(biāo)進行聯(lián)測,并生成文本文件。

        3.5 做好立體像對的內(nèi)業(yè)處理

        通常來說,用于地面攝影的數(shù)碼相機無論是非量測相機還是量測相機,均不會用到相機檢驗參數(shù),因此無需建立相機檢校參數(shù)文件。監(jiān)測點對應(yīng)的當(dāng)期坐標(biāo)最終由軟件算出。通過獲取每期監(jiān)測點的坐標(biāo),可以計算相鄰期的變化量。由于需要進行幾期觀測并得到各個監(jiān)測點的坐標(biāo)差,因此每期均需要進行上述工序,控制點的聯(lián)測也是需要的。

        4 影響地面攝影測量在變形監(jiān)測上的精度的主要原因及解決措施

        (1)由于儀器性能、觀測點特征以及觀測員熟練程度等因素致使在使用坐標(biāo)量測儀測量像片坐標(biāo)過程中產(chǎn)生量測誤差,因此需要從提升儀器性能,培訓(xùn)觀測員的量測操作熟練程度等方面進行改善。(2)攝影機基距比B/Y、焦距和攝影機軸的交會角等攝影測量幾何圖形也會影響模型坐標(biāo)的精度,需要在攝影時重視這些測量幾何圖形的合理調(diào)整。(3)控制點數(shù)量、分布情況以及它們的實測精度等會導(dǎo)致測量像控點坐標(biāo)時存在誤差,這是在變形監(jiān)測中地面攝影測量常遇見的情況,需要合理做好控制點的各項工作。(4)在變形觀測過程中,進行地面攝影測量時各地物點影像存在變形未能消除了Px、Py,導(dǎo)致還存在誤差,需要采取消除影像變形的措施達到真正消除Px、Py的目的。(5)還需要消除一些其他因素對變形監(jiān)測精度的影響,例如,應(yīng)選用高精度的攝影儀器以及坐標(biāo)量測儀,攝影標(biāo)志應(yīng)比較清晰,選擇合理的攝影站和攝影方式等。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,隨著地面攝影測量技術(shù)的進步,地面攝影測量在工程的變形監(jiān)測中發(fā)揮的作用已經(jīng)越來越大,通過理論分析并結(jié)合實際的操作流程再采取針對性措施改善精度不足的問題,將會促進地面攝影測量技術(shù)的進一步發(fā)展,進而推動變形監(jiān)測在工程上的應(yīng)用及發(fā)展。

        參考文獻:

        [1]張祖勛,張劍清.數(shù)字攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,1997.

        [2]王長進.基于數(shù)碼相機的地面攝影測量在工點測繪中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2005(1):47-48.

        [3]李仲,杜永剛,等.地面攝影測量在變形監(jiān)測中的精度分析[J].北京測繪,2010(2):94-95.

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