寧艷雷

(龍口市經(jīng)緯城市規(guī)劃技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

在工程相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展逐步呈現(xiàn)現(xiàn)代化趨勢(shì)的背景下，早期的獨(dú)立攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)已無(wú)法體現(xiàn)，要從核心技術(shù)層面提升工程測(cè)量的精度，應(yīng)在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)對(duì)接兩種測(cè)量方法，并將對(duì)應(yīng)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行融合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量成果精度與質(zhì)量的提升。

1 結(jié)合方案設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建攝影測(cè)量與工程測(cè)量共線方程

為了實(shí)現(xiàn)兩者在測(cè)量作業(yè)中的有效結(jié)合，需要在作業(yè)前，根據(jù)兩種測(cè)量設(shè)備的作業(yè)需求，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的共線方程，以此種方式，確保測(cè)量結(jié)果指向性的統(tǒng)一化[1]。在使用全站儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可將鏡頭指向的正北方向作為工程測(cè)量坐標(biāo)體系的初始化位置[2]。測(cè)量中坐標(biāo)系的對(duì)接過(guò)程如圖1所示。

圖1 攝影測(cè)量與工程測(cè)量坐標(biāo)系的對(duì)接

根據(jù)圖1中坐標(biāo)系的空間位置，進(jìn)行對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系的描述，如公式(1)所示：

(1)

其中數(shù)碼攝影機(jī)的坐標(biāo)(x，y，-f)與攝影全站儀的坐標(biāo)(X，Y，Z)有下述關(guān)系：

(2)

式中：α為全站儀測(cè)量的水平角度；β為攝像測(cè)量?jī)A斜角度；λ為測(cè)量中全站儀水平位移量；R為測(cè)量中攝像鏡頭的正交矩陣。將公式(1)與公式(2)進(jìn)行合并處理，可以得到一個(gè)針對(duì)攝影測(cè)量與工程測(cè)量的共線方程，方程表達(dá)式如下：

(3)

(4)

式中：I1～I(xiàn)3為空間正交系數(shù)；m1～m3為線性觀測(cè)值；s1～s3為旋轉(zhuǎn)聯(lián)合系數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算公式，完成共線方程的構(gòu)建。

1.2 基于攝影全站儀的無(wú)接觸測(cè)繪

在完成共線方程的構(gòu)建后，對(duì)基于全站儀的無(wú)接觸測(cè)量方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，可將此過(guò)程中的兩者集成劃分為兩種方案，分別為直接連接方案、攝像機(jī)中CCD成像芯片與全站儀連接方案[3]。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)量任務(wù)需要，采用laval 54—5564型號(hào)攝影全站儀對(duì)其進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)繪。此型號(hào)設(shè)備具有100萬(wàn)超清像素，在使用過(guò)程中，可直接將其與集成在全站儀中的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行對(duì)接，測(cè)量中設(shè)定其同步水平角度為α，垂直角度為β。

為了確保測(cè)量中的作業(yè)需求，將成像芯片與影像傳感器直接對(duì)接，可根據(jù)其中一臺(tái)攝像機(jī)的偏置寬角構(gòu)成CCD相機(jī)，另一臺(tái)集成在望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)中[4]。其中，后者應(yīng)與望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行同軸處理。在進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中的目標(biāo)點(diǎn)匹配操作時(shí)，還可以同步實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)周圍物體的測(cè)量。

1.3 數(shù)碼攝影機(jī)偏置量確定與校驗(yàn)

由于數(shù)碼攝影機(jī)與攝影全站儀的光學(xué)系統(tǒng)不在同一個(gè)軸結(jié)構(gòu)上，在將兩種測(cè)量方法應(yīng)用到相同測(cè)量任務(wù)當(dāng)中時(shí)，需要對(duì)其偏置量進(jìn)行確定。同時(shí)，為了確保最終得出的測(cè)量結(jié)果精度符合測(cè)量需要，還需要對(duì)偏置量進(jìn)行校驗(yàn)[5]。已知在全站儀當(dāng)中包含三種坐標(biāo)系，分別為地面坐標(biāo)、全站儀坐標(biāo)和攝影機(jī)坐標(biāo)。根據(jù)數(shù)碼攝影機(jī)的測(cè)量習(xí)慣，將三個(gè)坐標(biāo)均設(shè)置為固定的右手坐標(biāo)系。在各個(gè)坐標(biāo)系都不重疊的條件下，將其相互之間存在的差異作為數(shù)碼攝影機(jī)的偏置量，如圖2所示。

圖2 數(shù)碼攝影機(jī)偏置量off-set示意圖

圖2中，數(shù)碼攝影機(jī)偏置量為off-set：Xso，Yso，Zso。當(dāng)將數(shù)碼攝影機(jī)安裝在全站儀上時(shí)，此時(shí)off-set數(shù)值為常數(shù)，利用該數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置量的在線檢驗(yàn)，以此確保數(shù)碼攝影機(jī)的測(cè)量位置準(zhǔn)確，為后續(xù)測(cè)量提供高精度條件。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的兩種測(cè)量任務(wù)的結(jié)合方案，將其代入到某工程建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中，分別按照本文結(jié)合方案、單一攝影全站儀測(cè)量和單一數(shù)碼攝影機(jī)測(cè)量共三種測(cè)量方案，對(duì)該工程建設(shè)項(xiàng)目中的各個(gè)測(cè)量對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行獲取，通過(guò)比較三種測(cè)量方法與實(shí)際測(cè)量對(duì)象真實(shí)數(shù)值之間的誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)三種方案測(cè)量精度的對(duì)比和驗(yàn)證。已知該工程建設(shè)項(xiàng)目為辦公樓建筑，分別在該辦公樓建筑上隨機(jī)選擇五個(gè)公共點(diǎn)作為測(cè)量目標(biāo)，表1為五個(gè)公共點(diǎn)的真實(shí)空間坐標(biāo)數(shù)值對(duì)照表。

表1 辦公樓建筑五個(gè)公共點(diǎn)真實(shí)空間坐標(biāo)數(shù)值對(duì)照表

在表1中真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別完成三種方案的測(cè)量，并將其各個(gè)公共點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，按照如下公式，計(jì)算得出各個(gè)方向上的測(cè)量誤差值：

(5)

式中：ua、ub和uc分別為橫軸坐標(biāo)、縱軸坐標(biāo)和空間坐標(biāo)上的測(cè)量誤差；a、b、c分別為公共點(diǎn)的真實(shí)空間坐標(biāo)；a′、b′、c′分別為通過(guò)某一測(cè)量方案得出的測(cè)量結(jié)果空間坐標(biāo)；n表示為測(cè)量次數(shù)。

再根據(jù)公式(6)，計(jì)算得出最終測(cè)量方案的測(cè)量結(jié)果誤差值：

u=ua+ub+uc

(6)

式中：u為最終的測(cè)量誤差結(jié)果。同時(shí)，為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，實(shí)驗(yàn)中所用的攝影全站儀和數(shù)碼攝影機(jī)均選擇相同型號(hào)，其中攝影全站儀選用TrimbleSX 10型號(hào)，該型號(hào)攝影全站儀的測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為棱鏡模式 標(biāo)準(zhǔn) 1 mm，自動(dòng)水準(zhǔn)補(bǔ)償器精度為0.5″ (0.15 mgon)，測(cè)程為棱鏡模式單棱鏡 1 m。數(shù)碼攝影機(jī)選用OI405EOS 70D型號(hào)，該型號(hào)數(shù)碼攝影機(jī)的傳感器類型為L(zhǎng)iveMOS。

2.2 應(yīng)用結(jié)果記錄與分析

在完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作后，將上述計(jì)算結(jié)果以圖像的形式展現(xiàn)，并方便對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，得到如圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 三種方案測(cè)量結(jié)果誤差對(duì)比

對(duì)圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步對(duì)比可以得出，本文提出的結(jié)合方案在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)各個(gè)公共點(diǎn)的測(cè)量誤差均小于2.0 mm，而單一采用攝影測(cè)量和單一采用工程測(cè)量的測(cè)量方法的測(cè)量誤差最大均超過(guò)了8.0 mm。因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，本文提出的測(cè)量方案能夠有效降低對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量誤差，從而提高最終測(cè)量結(jié)果的精度，可為后續(xù)工程建設(shè)與施工提供更加可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在完成對(duì)工程測(cè)量中結(jié)合方案的設(shè)計(jì)后，通過(guò)將此方案與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比的方式，證明了本文提出的結(jié)合方案在實(shí)際應(yīng)用中具有準(zhǔn)確度更高的優(yōu)勢(shì)。

兩者的融合在真正意義上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的無(wú)接觸作業(yè)，也不需要于測(cè)量前在現(xiàn)場(chǎng)布置較多的標(biāo)志點(diǎn)?？傊嚓P(guān)此方面內(nèi)容的研究，截至目前，仍屬于一個(gè)較為新興的研究領(lǐng)域，在一定程度上為工程測(cè)繪作業(yè)的實(shí)施開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。但要真正地將本文設(shè)計(jì)方案在市場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行推廣，還需要在后期的研究中，深入分析測(cè)量領(lǐng)域的理論知識(shí)，包括如何使用全站儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)、如何將指定控制點(diǎn)中的三角測(cè)量延伸到控制片等。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，將針對(duì)此方面展開(kāi)進(jìn)一步的研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)方案的完善。