鄺湘寧 邱法聚 胡群威 仇佳捷 丁高耀

寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和海內(nèi)外貿(mào)易的快速發(fā)展，港口物流貨物量呈現(xiàn)高速上行趨勢(shì)，對(duì)港口起重機(jī)的要求也越來(lái)越高，其安全性評(píng)估問(wèn)題逐漸成為影響港口設(shè)備能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)港口起重機(jī)日益突出的安全性問(wèn)題，港口起重機(jī)相關(guān)尺寸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可直觀地反映出起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸變化和運(yùn)行情況，為起重機(jī)安全性評(píng)估理論的探究提供真實(shí)準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源，故港口起重機(jī)相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)的測(cè)量是一項(xiàng)很重要的工作[1]。

目前，港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸測(cè)量監(jiān)測(cè)的方法主要包括布設(shè)傳感器、全站儀測(cè)量等。對(duì)于布設(shè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)港口起重機(jī)尺寸變化的方法，可得到直觀、準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)果，但傳感器對(duì)于布設(shè)技術(shù)和位置的要求比較高。港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，攀爬不便，人工設(shè)置傳感器不僅效率低，而且容易產(chǎn)生安全問(wèn)題。港口環(huán)境惡劣，傳感器暴露在外，易發(fā)生損壞，難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。全站儀測(cè)量所需要的設(shè)備比較復(fù)雜，對(duì)于操作人員的技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較高要求，且測(cè)量范圍易受到港口環(huán)境的限制，很難滿足對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的測(cè)量要求。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，無(wú)接觸式攝影測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域。在港口起重機(jī)尺寸測(cè)量方面，傳統(tǒng)的近景攝影測(cè)量方法目前存在需要人工設(shè)置控制點(diǎn)的難題，不僅效率低，且存在安全隱患。若使用起重機(jī)結(jié)構(gòu)自身特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，會(huì)因難以重新定位關(guān)鍵點(diǎn)而產(chǎn)生相平面的識(shí)別誤差，從而影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度。此外，傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法還需要用到很多輔助測(cè)量設(shè)備，人工操作繁瑣，且在惡劣港口環(huán)境中使用不便。針對(duì)以上不足，本文提出一種無(wú)控制點(diǎn)的攝影測(cè)量方法。

1 近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量是通過(guò)相片的影像坐標(biāo)，利用前方交會(huì)原理來(lái)確定被測(cè)對(duì)象物方空間坐標(biāo)的一種方法[7]。若要實(shí)現(xiàn)從像方坐標(biāo)向物方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，應(yīng)獲知相片的內(nèi)外方位元素和同名像點(diǎn)的像方坐標(biāo)。相片的內(nèi)方位元素[x0y0f]是表征相機(jī)焦點(diǎn)相對(duì)于相片的位置參數(shù)，可通過(guò)相機(jī)的標(biāo)定檢驗(yàn)確定。相片的外方位元素[XYZφωκ]表征相片在物方坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)。同名像點(diǎn)的像方坐標(biāo)和相片的內(nèi)方位元素較易獲得，但相片的外方位元素會(huì)隨攝影位置的變化而變化，不易獲得。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法需在被測(cè)目標(biāo)上設(shè)置若干控制點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)相片外方位元素的求解。

2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該測(cè)量系統(tǒng)由2臺(tái)前站相機(jī)、1套后站雙目相機(jī)以及與之配套的室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)組成。前站相機(jī)共有2套，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)目標(biāo)的雙目視覺(jué)測(cè)量。前站相機(jī)上設(shè)置有輔助定位支架，支架上有若干易于辨識(shí)的特征點(diǎn)，即移站關(guān)鍵點(diǎn)。后站雙目相機(jī)的相機(jī)支架可將2臺(tái)相機(jī)平行地穩(wěn)固布置于三腳架上，從而形成1套雙目相對(duì)位置固定的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。標(biāo)定場(chǎng)主要由若干支承柱組成的籠架以及安裝在各支承柱上的標(biāo)定塊組成，目的在于建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

該測(cè)量系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示，首先將相機(jī)按照?qǐng)D1所示位置關(guān)系放置于標(biāo)定場(chǎng)內(nèi)，調(diào)整好位置后對(duì)場(chǎng)內(nèi)的預(yù)設(shè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行拍攝。前站相機(jī)和后站相機(jī)均可根據(jù)其所攝相片和標(biāo)定場(chǎng)內(nèi)已知的測(cè)量點(diǎn)物方坐標(biāo)，利用后方交會(huì)原理得到相機(jī)的外方位元素。由于后站雙目相機(jī)所攝相片中包括前方相機(jī)，所以后站雙目相機(jī)可利用前方交會(huì)原理得到前站相機(jī)定位輔助支架上移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)。在得到上述所需標(biāo)定數(shù)據(jù)后即可脫離標(biāo)定場(chǎng)，調(diào)整前方相機(jī)以合適距離、角度拍攝實(shí)際被測(cè)物體，通過(guò)后站雙目相機(jī)重新測(cè)定各前站相機(jī)移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)，利用標(biāo)定階段得到的前站相機(jī)外方位元素與移站關(guān)鍵點(diǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前方相機(jī)外方位元素的遷移計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)定的遠(yuǎn)距離測(cè)量。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)整體示意圖

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法原理

根據(jù)攝影測(cè)量方法的基本原理，當(dāng)前站相機(jī)與輔助定位支架上移站關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)位置保持不變，且不共面的移站關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量大于或等于4時(shí)，可以認(rèn)為前站相機(jī)的外方位元素與這些移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)存在唯一確定的關(guān)系。本設(shè)計(jì)的核心就是利用前站相機(jī)外方位元素和移站關(guān)鍵點(diǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)與實(shí)際測(cè)量場(chǎng)景中前站相機(jī)的外方位元素的轉(zhuǎn)換，這一方法被稱為移站算法。

3.2 算法驗(yàn)證

如圖2所示，設(shè)移站前1～4號(hào)移站關(guān)鍵點(diǎn)物方坐標(biāo)分別為（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4），與之對(duì)應(yīng)的外方位元素為[X1Y1Z1φ1ω1κ1]；移站之后，1～4號(hào)移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)為（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4），此時(shí)的外方位元素為[X2Y2Z2φ2ω2κ2]。對(duì)外方位元素的求解可分為坐標(biāo)求解和角元素求解。

圖2 移站關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

1）坐標(biāo)求解

設(shè)P為點(diǎn)系（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4）組成的集合，Q為點(diǎn)系（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4）組成的集合。坐標(biāo)計(jì)算即計(jì)算P確定的坐標(biāo)系向Q確定的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣S。求解矩陣R和S可采用數(shù)學(xué)SVD變換原理，本文不作贅述。最終坐標(biāo)變換可簡(jiǎn)化為

2）角元素求解

故有

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 室內(nèi)標(biāo)定

相機(jī)在室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)的參數(shù)標(biāo)定作為本實(shí)驗(yàn)的第一階段，標(biāo)定場(chǎng)設(shè)置如圖3所示。為保證相機(jī)標(biāo)定結(jié)果的高精度，以3個(gè)坐標(biāo)光筆測(cè)量?jī)x為標(biāo)定工具測(cè)量標(biāo)定場(chǎng)相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值。按照預(yù)設(shè)的方法調(diào)整前站相機(jī)和后站相機(jī)位置，完成拍攝后，利用后方交會(huì)原理分別解算前站相機(jī)和后站相機(jī)的外方位元素，取3次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果作為最終的標(biāo)定結(jié)果。相機(jī)的外方位元素標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

圖3 室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)

表1 前站相機(jī)標(biāo)定階段外方位元素

表2 后站相機(jī)標(biāo)定階段外方位元素

在已知后站相機(jī)的外方位元素后，利用前方交會(huì)解算出前站相機(jī)上4個(gè)移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，以便對(duì)前站相機(jī)的外方位元素進(jìn)行遷移計(jì)算。

4.2 室外測(cè)量

室外實(shí)際測(cè)量是本實(shí)驗(yàn)的第二階段，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為1臺(tái)額定起重量41 t的門(mén)式起重機(jī)，起重機(jī)上的預(yù)設(shè)測(cè)量點(diǎn)選擇如圖4所示。

圖4 起重機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)

在后站相機(jī)外方位元素不變的情況下，根據(jù)后站相機(jī)所攝的前站相機(jī)相片可直接解算前站相機(jī)上移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，然后根據(jù)移站算法得出在此測(cè)量場(chǎng)景中前站相機(jī)的外方位元素（見(jiàn)表3）。

表3 前站相機(jī)測(cè)量階段外方位元素

在獲得前站相機(jī)的外方位元素后，利用前站相機(jī)所攝的起重機(jī)相片，解算起重機(jī)上各預(yù)設(shè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，所得結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 起重機(jī)測(cè)量點(diǎn)解算坐標(biāo) mm

為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的正確性與精確性，本實(shí)驗(yàn)采用全站儀對(duì)上述測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 起重機(jī)測(cè)量點(diǎn)全站儀測(cè)量坐標(biāo) mm

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定后，將攝影測(cè)量方法獲得的解算坐標(biāo)與全站儀直接測(cè)得的測(cè)量坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。由于測(cè)量的最終目的是為了獲得起重機(jī)相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，故可將起重機(jī)上6個(gè)測(cè)量點(diǎn)中任意2點(diǎn)之間的距離作為一個(gè)尺寸測(cè)量長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果如5圖所示。在15組數(shù)據(jù)對(duì)比中，攝影測(cè)量方法與全站儀方法的測(cè)量長(zhǎng)度相對(duì)誤差均在1.5%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為1.35%，最小相對(duì)誤差為0.08%，平均相對(duì)誤差為0.52%。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理分析可知，該攝影測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果與全站儀的測(cè)量結(jié)果基本相同，準(zhǔn)確度和精確度都比較高，可滿足港口起重機(jī)的尺寸測(cè)量工作。

圖5 結(jié)果對(duì)比與誤差分析

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著攝影領(lǐng)域硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷深入研究，攝影測(cè)量技術(shù)逐漸開(kāi)始與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理等高新技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了向自動(dòng)化和信息化的方向發(fā)展，兼具很多優(yōu)點(diǎn)，使該技術(shù)在現(xiàn)代工程測(cè)量領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。港口起重機(jī)的測(cè)量監(jiān)測(cè)任務(wù)作為保證港口長(zhǎng)期高效安全運(yùn)行的重要方面，切實(shí)需要一種行之有效的測(cè)量手段。本文所述的無(wú)控制點(diǎn)攝影測(cè)量方法雖可初步完成港口起重機(jī)的測(cè)量監(jiān)測(cè)工作，但仍有不足，如結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、操作步驟多、智能化程度低等。因此，基于攝影測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)，不斷發(fā)掘新方法，并應(yīng)用于港口起重機(jī)的尺寸測(cè)量是一種良好的趨勢(shì)。