， ， ，

(1.上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240； 2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測主要采用大地測量方法，但是大地測量方法也有著一些缺點(diǎn)：首先，量測速度較慢，不能在短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)變形點(diǎn)的量測；其次受現(xiàn)場條件的限制大，在一些空間位置狹小，光線不充足的情況下無法完成作業(yè)；此外，利用全站儀實(shí)施高精度測量活動(dòng)需架設(shè)棱鏡，這在許多情況下難以實(shí)現(xiàn)，且耗費(fèi)大量人力物力。現(xiàn)在傳統(tǒng)測量方法有所進(jìn)步[1-2]，但近景攝影測量具有一些傳統(tǒng)測量所不具有的特點(diǎn)：可以瞬間獲取被測物體的很多物理信息和幾何信息、不接觸測量目標(biāo)，不影響被測物自然狀態(tài)，可在惡劣條件下作業(yè)，作業(yè)速度快[3-4]。

隨著普通數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展，使得在現(xiàn)場獲取影像快捷簡單，而且滿足近景攝影測量對(duì)軟件和技能的要求。多基線近景攝影測量Lensphoto v2.0系統(tǒng)，運(yùn)用普通單反相機(jī)獲取所需要區(qū)域的影像，對(duì)所獲取的影像進(jìn)行快速三維建模，原則上用4個(gè)控制點(diǎn)就可以完成所拍攝區(qū)域的精確測量和建模[5]。目前，近景攝影測量在邊坡變形監(jiān)測、大比例尺測圖、三維建模等[6-9]方面的應(yīng)用較多，而且精度也較高，但是在路面變形監(jiān)測的應(yīng)用研究較少。近景攝影測量應(yīng)用于路面監(jiān)測中，可以提供大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，為信息化施工提供依據(jù)。以多基線近景攝影測量Lensphoto v2.0系統(tǒng)在路面監(jiān)測的應(yīng)用為例，通過校內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測，探討其影響因素及精度。

1 Lensphoto數(shù)據(jù)處理流程

利用普通定焦數(shù)碼相機(jī)，按照近景攝影測量的拍攝要求，對(duì)測區(qū)路面拍攝照片，將控制點(diǎn)的坐標(biāo)與攝影測量豐富的影像結(jié)合起來建立空間關(guān)系，通過多光線前方交會(huì)及區(qū)域網(wǎng)平差，自動(dòng)生成被測對(duì)象的匹配點(diǎn)和基于影像的密集三維坐標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)云[10]。通過少量控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)所建立的空間關(guān)系為

(1)

圖1 作業(yè)流程圖

式中,(X，Y，Z)為像點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(XS，YS，ZS)為攝影中心在地面攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(x，y)為像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo);f為相機(jī)焦距;(a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3)為外方位角元素。 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要流程包括:建立工程文件、導(dǎo)入像片數(shù)據(jù)、空三匹配、控制點(diǎn)量測、區(qū)域網(wǎng)平差、立體編輯、DEM編輯，最后進(jìn)行立體測圖，作業(yè)流程見圖1。

2 基于Lensphoto的路面變形監(jiān)測試驗(yàn)

2.1 相機(jī)檢校

在進(jìn)行試驗(yàn)之前要對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，相機(jī)檢校只需利用計(jì)算機(jī)屏幕設(shè)置軟件給出的網(wǎng)格，操作方便，網(wǎng)格如圖2。相機(jī)檢校的目的是解算出相機(jī)的內(nèi)方位角元素：像主點(diǎn)坐標(biāo)x0、y0，相機(jī)焦距f，畸變參數(shù)k1、k2、p1、p2。

具體步驟如下：將數(shù)碼相機(jī)焦距調(diào)至無窮遠(yuǎn)，并且相機(jī)調(diào)整為手動(dòng)變焦；曝光方式根據(jù)個(gè)人習(xí)慣拍照方式和實(shí)際環(huán)境進(jìn)行調(diào)制；電腦屏幕的分辨率調(diào)整到最大分辨率；格網(wǎng)大小可以根據(jù)相機(jī)距電腦屏幕的距離遠(yuǎn)近進(jìn)行調(diào)整，通過鼠標(biāo)右鍵來調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)；在屏幕前5個(gè)不同空間位置上(前方左上、前方右上、正前方、前方左下、前方右下)拍攝5幅影像。

本文檢校28 mm和50 mm兩個(gè)鏡頭，照片拍攝完成后，進(jìn)入預(yù)處理的相機(jī)檢校模塊，加載影像，進(jìn)行相機(jī)檢校，檢校結(jié)果如圖3。所用相機(jī)為canon ds126201，兩個(gè)鏡頭獲取的相機(jī)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

圖2 網(wǎng)格圖

圖3相機(jī)檢校結(jié)果

表1 相機(jī)檢校結(jié)果

2.2 監(jiān)測試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中采用canon ds126201數(shù)碼相機(jī)對(duì)路面進(jìn)行拍照，拍照方式為平行多基線攝影，采用Lensphoto v2.0進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)處理。路面選取距離10 m，在兩端及中間各布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)，共6個(gè)控制點(diǎn)，中間布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用中維ZT80全站儀采用自由設(shè)站，來量測點(diǎn)的坐標(biāo)，監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)如表2。

表2 監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo) m

為找出最佳的拍照參數(shù)，運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法做試驗(yàn)，正交試驗(yàn)法是指安排組織試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，它利用一套規(guī)格化的表格，即正交表來設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和分析試驗(yàn)結(jié)果，能夠在很多的試驗(yàn)條件中，選出少數(shù)幾個(gè)代表性強(qiáng)的試驗(yàn)條件，并通過這幾次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，找到較好的生產(chǎn)條件，即最優(yōu)的或較優(yōu)的方案。根據(jù)正交試驗(yàn)方法的思路，考慮到試驗(yàn)路面的實(shí)際情況，距離太遠(yuǎn)，鏡頭和地面夾角就要加大，范圍太廣，而且相機(jī)支架高度受限制，所以本試驗(yàn)用焦距28 mm的鏡頭，選取鏡頭和地面夾角40°和30°，拍攝高度1.45 m、1.50 m和1.55 m，拍攝距離0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m，按正交試驗(yàn)為24組照片，但是按實(shí)際情況有7組不能把控制點(diǎn)拍攝進(jìn)入，因此共17組影像。焦距50 mm鏡頭拍攝一組，經(jīng)軟件處理自檢校出問題，不能生成點(diǎn)云，各組的拍攝參數(shù)如表3。

表3 拍攝參數(shù)

2.3 拍攝距離對(duì)精度的影響

選取3組、6組、9組和12組影像，拍攝角度均為40°，高度均為1.55 m，只有拍攝距離不同，用軟件進(jìn)行處理，得出點(diǎn)云和監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)。12組點(diǎn)云見圖4，監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)精度用軟件得出的坐標(biāo)與用全站儀測得坐標(biāo)之差來比較，拍攝距離引起的坐標(biāo)誤差見圖5。

從圖5可以看出隨距離減小誤差也減小，9組的坐標(biāo)誤差最小，整體誤差在毫米級(jí)；12組誤差也比較大，分析原因是距離太近而角度較大造成誤差較大。

圖4 12組點(diǎn)云圖

圖5 拍攝距離引起的坐標(biāo)誤差

2.4 拍攝角度對(duì)精度的影響

先選取8組和13組影像作對(duì)比，拍攝距離均為0.5 m，高度均為1.50 m，拍攝角度分別為40°和30°，用軟件進(jìn)行處理，得出點(diǎn)云和監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)。8組影像生成點(diǎn)云如圖6，拍攝角度引起坐標(biāo)誤差如圖7。

圖6 8組點(diǎn)云圖

圖7 拍攝角度引起的坐標(biāo)誤差(拍攝距離為0.5 m)

由圖7可以看出13組影像誤差值的整體水平比8組影像誤差值的整體水平高，13組最大誤差為-0.025 6 m，但是誤差也比較大。下面選用11組和16組影像做對(duì)比，拍攝角度引起的坐標(biāo)誤差見圖8。

由圖8可以看出，在高度為1.50 m，拍攝距離為0.3 m時(shí)，隨角度減小，誤差明顯減小很多，其中16組的最大誤差為-0.005 6 m。

圖8 拍攝角度引起的坐標(biāo)誤差(拍攝距離為0.3 m)

2.5 拍攝高度對(duì)精度的影響

由上可以看出拍攝距離為0.3 m，角度為30°是誤差較小，因此選用15組、16組和17組影像作對(duì)比，拍攝距離均為0.3 m，拍攝角度均為30°，高度分別為1.45 m、1.50 m和1.55 m，用軟件進(jìn)行處理，得出點(diǎn)云和監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)。17組影像生成點(diǎn)云見圖9，15組和17組監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)誤差見圖10，16組影像坐標(biāo)誤差見圖8。

圖9 17組點(diǎn)云圖

圖10 拍攝高度引起的坐標(biāo)誤差

由圖10可以看出17組影像，即拍攝距離為0.3 m，拍攝角度為30°，拍攝高度為1.55 m，經(jīng)軟件處理，所得誤差最小，誤差在-0.001 6～0.001 1 m之間。

由以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨拍攝距離減小，誤差越小，精度越高；隨拍攝角度減小，誤差越小，精度越高；隨拍攝高度增加，誤差越小，精度越高。最后可以得出，拍攝距離0.3 m，拍攝角度30°，拍攝高度1.55 m時(shí)，誤差最小，精度最高。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場拍攝

現(xiàn)場試驗(yàn)測區(qū)為行政中心站到園博園站的盾構(gòu)區(qū)間，檢驗(yàn)近景攝影測量在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中路面監(jiān)測的精度。在2017年1月2號(hào)和2017年1月6號(hào)，分兩次，共兩個(gè)斷面進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場路面情況選擇在盾構(gòu)中心上方地表處為起點(diǎn)，道路的另外一邊為終點(diǎn)，約15 m。

攝影采用canon ds126201數(shù)碼相機(jī)，焦距28 mm的鏡頭，根據(jù)校內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論，選用拍攝距離0.3 m，拍攝角度30°，拍攝高度1.55 m；現(xiàn)場使用的全站儀為徠卡TCA1800全站儀，每個(gè)斷面6個(gè)控制點(diǎn)，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)?，F(xiàn)場測點(diǎn)為粘貼的反光片，攝影容易獲得較好的影像。

3.2 數(shù)據(jù)處理

兩次全站儀測量與近景攝影測量獲得的三維坐標(biāo)誤差見表4。由表可以看出軟件處理的精度比較高，誤差在-0.001 6～0.001 5 m，誤差相對(duì)較小，證明近景攝影測量應(yīng)用于路面監(jiān)測是可行的。

表4 坐標(biāo)誤差 m

4 結(jié)束語

通過正交試驗(yàn)方法，用非量測數(shù)碼相機(jī)，以Lensphoto v2.0系統(tǒng)作為內(nèi)業(yè)處理平臺(tái)，通過校內(nèi)試驗(yàn)，探討近景攝影測量方法運(yùn)用于路面變形監(jiān)測的精度，并且在現(xiàn)場經(jīng)過實(shí)測，發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到較高的精度。與常規(guī)測量方法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)所拍攝區(qū)域生成大量點(diǎn)云，可以在點(diǎn)云上量測坐標(biāo)、兩點(diǎn)的距離等。后續(xù)還要根據(jù)所生產(chǎn)的點(diǎn)云，建立起三維建模，從而獲取模型區(qū)域的大量數(shù)據(jù)。