鐵路工點地形近景攝影測量系統的誤差改進研究

鄧繼偉　趙　文　周文明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG Jiwei　ZHAO Wen　ZHOU Wenming

鐵路工點地形近景攝影測量系統的誤差改進研究

鄧繼偉趙文周文明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG JiweiZHAO WenZHOU Wenming

摘要介紹鐵三院自主研制的鐵路工點近景攝影測量系統，該系統采用無控制點支持的近景攝影測量方法對鐵路工點(隧道洞口)進行近景攝影測量，獲取工點的等高線圖和數字模型。針對該近景攝影測量數據獲取的方式，分析原始數據獲取的誤差來源，并在此基礎上進行平差算法和平差程序的研發，最終獲取高精度的立體像對定向元素。

關鍵詞近景攝影測量鐵路工點地形測量誤差

鐵路工點(隧道洞口等)地形測量一直是鐵路勘測過程中的難點，在傳統的測量方法中，可使用全站儀進行全野外測量，也可使用非量測數碼相機按近景攝影測量方法實現洞口測量[1]。目前我院使用的鐵路工點地形近景攝影測量系統包括由我院自主研發、集成了經緯儀與普通非量測數碼相機的硬件設備，以及包括相機檢校、影像畸變校正及外業數據錄入等功能的軟件系統。系統采用普通數碼相機(非量測相機)進行無需控制點的近景攝影測量，將先進的近景攝影測量技術應用于工點地形測量，有效解決了陡峭地形工點的測量難題。無需控制點的近景攝影測量是一種先進可行的地形測量技術，代表著局域地形測量的一個發展方向。

由于經緯儀與相機之間的固定不是絕對緊密，以及人為讀數時會存在偶然誤差，測區內不同測站之間以及同測站不同影像之間，角度會存在一定誤差，從而造成恢復定向時存在上下視差，給立體恢復帶來很大不便，影響地形圖測繪精度。因此，如何最大限度消除該誤差，是該近景攝影測量系統數據后處理亟需解決的問題。

1關鍵技術

1.1　數字近景攝影測量系統原理及組成

系統采用近景攝影測量原理，由相機檢校獲取普通數碼相機的內方位元素和系統改正參數，實現數字影像的內定向；由經緯儀獲取攝影測量像對的定向元素，在沒有控制點支持的情況下，實現攝影測量的相對、絕對定向；在定向基礎上，由攝影測量工作站軟件直接使用定向參數進行攝影測量數據加工，獲得工點等目標對象的等高線圖和數字模型。

系統的硬件是由普通數碼相機(非量測相機)、Leica T2經緯儀、安裝支架及三腳架等四部分組成，如圖1所示。系統的信息處理流程是由檢校工程、圖像拍攝及攝影測量處理等三部分組成，具體作業流程如圖2所示。

圖1　近景攝影測量系統硬件

圖2　系統的信息處理流程

1.2　數字影像共線方程表達

數字近景攝影測量中，由于直接使用數字圖像，其原始像點觀測值為數字圖像坐標，因此其共線方程與傳統的共線方程有一定差異，共線方程[3][5]如式(1)所示

(Rows-v-v0+Δv)·ky=

(1)

式中：ky為像素縱橫大小比即dy/dx，一般相機可以直接取1；f為像主距，如果將f/dx看做新的主距，其值表示主距的長度相當于多少個像素的大?。籥i，bi，ci(i=1，2，3)為旋轉矩陣元素，是外方位角元素(φ，ω，κ)的函數；(XS，YS，ZS)為攝站點空間坐標；(X，Y，Z)為目標點的物方空間坐標；(Δu，Δv)為像點坐標的系統誤差改正數。

在本模型中僅考慮了相機的鏡頭畸變差改正系數，鏡頭畸變差改正模型表示為

(2)

1.3　基于空間后方交會的數碼相機檢校

系統檢校功能包括相機檢校和相對關系檢校。相機檢校功能用于檢定普通非量測數碼相機，得到相機的內方位元素(主點、主距)和成像系統改正參數(鏡頭畸變差改正系數)；相對關系檢校用于檢定相機主光軸與經緯儀視準軸之間的相對姿態關系參數。

檢校過程中，需分別架設兩個攝影點，構成攝影基線，每次拍攝檢校相片時，都應記錄經緯儀測量得到的當前位置與基線之間的水平角以及當前垂直角。

檢校相片拍攝完成后，使用相機檢校軟件處理檢校相片，對相機進行檢校。由于所有相片都由同一相機拍攝得到，相機的內方位元素和鏡頭畸變差改正系數應保持不變，所以在檢校計算過程中，使用多片空間后方交會進行解算。

經檢校，得到相機的內方位元素、鏡頭畸變差改正系數以及相機相對于經緯儀視準軸的姿態角元素。

2軟件設計與實現

2.1　軟件設計思路及工程建立

首先，新建工程，將外業拍攝影像、基站及檢查點坐標及影像角度觀測值編緝導入工程；其次，檢查影像拍攝質量，對拍攝角度值進行偏差改正；最后，導出定向文件，在攝影測量軟件中進行立體檢核，檢核無誤后整理輸出精確定向元素。數據后處理軟件設計思路及軟件工程建立界面如圖3所示。

圖3　數據后處理軟件設計思路

2.2　觀測角度偏差改正

每一攝站在開始拍照前，將經緯儀瞄準某個明顯目標(控制標或者明顯地物)并拍照，記錄像片號、經緯儀水平角、天頂角。數據后處理時，在檢校片中量取經緯儀瞄準目標的像平面坐標，并輸入距目標的距離，軟件自動計算影像觀測平角立角的偏差改正值(如圖4所示)。

圖4　觀察角度偏差改正

2.3　定向文件輸出及數據檢核

根據立體測圖軟件的接口需求，導出相應格式的定向文件。

使用第三方攝影測量軟件(如LPS)逐基線建立工程，通過檢校片檢查絕對精度(立體量測坐標與實際坐標相比較，重點檢查景深方向誤差)；要求X、Y軸方向誤差均小于2個像素(或<8 cm)，景深方向誤差小于6個像素(或<20 cm)。

通過同一站相鄰片重疊區域的符合情況檢查外業拍照及數據記錄精度。要求同站內相鄰影像同名點偏差不超過1.5個像素。

3試驗分析

利用檢校場對系統進行精密檢校，數據后處理時對試驗區拍攝數據進行角度偏差改正，然后利用該影像進行前方交會實驗，在立體模式下量測檢查點物方坐標。將相片前方交會量測坐標與檢查點全站儀量測坐標進行對比，精度統計如表1所示。

表1　地形檢查點坐標精度統計

對比24個地形點，立體量測平面中誤差為0.01 m左右，高程中誤差0.007 m左右，達到了較高的精度，可滿足1∶500比例尺工點地形測繪的關于山地平面位置中誤差0.4 m、高程中誤差0.5 m[6]精度要求。

4結束語

通過基于空間后方交會的數碼相機檢校和觀測角度偏差改正后，立體定向元素達到了較高的精度，可滿足工點地形測繪的精度要求。在面對陡峭的工點地形時，采用無需控制點的近景攝影測量方法，無需在待測區域架設測量標志，無需攀爬陡峭山體；在大幅提高工作效率的同時，有效降低了外業作業的安全隱患。

參考文獻

[1]韓祖杰.鐵路工點地形數字攝影測量的研究[J].計算機光盤軟件與應用，2011(3):107-108

[2]張祖勛.數字攝影測量與計算機視覺[J].武漢大學學報：信息科學版，2004，29(12)：1035-1039

[3]張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社， 2003

[4]柯濤，張祖勛，張劍清.旋轉多基線數字近景攝影測量[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34(1):44-47

[5]GB/T12979—2008近景攝影測量規范[S]

[6]王長進.基于數碼相機的地面攝影測量在工點測繪中的應用[J].鐵道勘察，2005，31(1):47-48

[7]陳大春，陳以軍.多基線數字近景攝影測量技術在鐵路勘測中的應用研究[J].鐵道勘察，2009，35(5):43-45

[8]胡開全，王陽生，羅強，等.基于多基線數字近景攝影測量測制1∶500地形圖的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2010，33(1):183-185

[9]黃淑艷，孫芳.一種簡易近景無加密立體測量方式的研究[J].測繪與空間地理信息，2008，31(4):57-59

[10]陳信華，林修錟，周蘇.基于數字近景攝影測量的三維建模與虛擬現實技術[J].鐵道勘察，2006，32(5):25-28

中圖分類號：P234.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0018-03

作者簡介：第一鄧繼偉(1986—)，男，2010年畢業于武漢大學攝影測量與遙感專業，工程師。

基金項目：鐵道第三勘察設計院集團有限公司基金支撐項目(921316)

收稿日期：2015-05-04