三維數據采集中近景攝影測量的應用

阮芳

摘 要：隨著社會經濟的發展，近景攝影測量的應用越來越廣泛，目前近景攝影測量已經廣泛應用于建筑工程，航空航天技術，汽車制造，醫學，古建筑與古文化研究，考古等領域。文章主要討論了幾種三維數據采集時近景攝影測量技術的應用。

關鍵詞：三維數據采集；近景攝影；測量

1 近景攝影測量系統構成

（1）檢查過的兩個碳纖維尺兩個，碳纖維尺兩端的白色編碼點有嚴格的尺寸要求。（2）非測量相機尼康D300S24mm定焦鏡頭，1200萬像素。（3）用于攝影位置編碼點和幾個定位十字。（4）TRITOP軟件。之所以無法跟測量相機一樣進行內、外方位定位、對象（即非代碼點）的定位必須依靠人工定義的特殊圖形即編碼的識別點才能完成，因為測量相機的使用。

下面以德國GOM公司的TRITOP光學測量系統進行說明，如圖1所示。

2 近景攝影成像原理

通過攝影手段以確定目標外形的測量方法稱為近景攝影測量。相機的姿態定位及數字照片的定位是近景攝影的關鍵技術，其定位方式直接關系到相機的成像精度。目前市場上技術成熟的非量測攝影系統有AICON公司的德通社-pro系統、德國GOM公司的TRITOP系統等。使用非量測攝影系統進行三維定位點構建時，經常使用形如圖2所示的非編碼點和編碼點的人工標識，方便于軟件在定位解算時識別，是因為非量測攝影系統不具備專業量測攝影系統的定位框標，無法進行相片的內方位元素和外方位元素的定位，二維圖像重建廣場空間是近景攝影測量的主要任務，這是圖像形成的反過程。

近景攝影測量中常用的坐標系統有三種，對物體進行三維測量可以利用坐標變換和內、外方位定位及共線方程，能夠解算出物方點坐標。由于對攝影精度要求較為苛刻，為了確保攝影精度，在近景攝影測量中，常常使用多重交向攝影技術對被測物體進行測量。通過一點多角度多次攝影，就能達到較高測量精度。多攝站式交向攝影。超過兩次對同一點的攝影，有利于被測物體精度的提高和軟件解算的穩定性。但是一般兩次不同角度的重復攝影即可完成物方點的定位。對于TRITOP攝影系統按德國VDI/VDE2634標準方法檢測精度可達0.0125mm/m。

3 近景測量的主要應用

3.1 古代建筑物或者遺址的精密測繪

古代建筑一般都經歷了成千上萬年的歷史，由于自然和人為的破壞，保護和修復工作顯得尤為重要。無論是國內還是國外，越來越多的古建筑古遺址修復工作正在展開。目前傳統的建筑古老的歷史記錄測量的方法主要有：直接測量法、免棱鏡全站儀測量法、三維影像掃描法。每種測量方法都或多或少存在缺點。直接量測法的缺點是要直接接觸，容易造成建筑物損壞，而且該方法效率低下，容易出現人為的誤差精度不高。免棱鏡全站儀測量雖然不用直接接觸，避免對建筑物的破壞但是在結構復雜時精度不高。傳統的測量方法很難準確地衡量古建筑的整體結構條件下，如列和光束傾斜，彎曲梁和方舟子，框架的傾斜和沉降等。使用傳統建筑測量只能測量記錄一個接一個，只要有輕微的疏漏就很難完整的表達，不能依照整個測量過程。使用現代的近景攝影測量手段可以更好地解決問題。

3.2 建筑物變形的測量

隨著社會經濟的發展，越來越多的建筑物和橋梁在各地陸續建起，在建設的過程中以及建成后我們都需要對建筑物的變形進行觀測。與其他測量工作相比，變形監測要求的精度比較高，并且要求一定頻率的重復觀測建筑物上布置的變形監測點。獲得監測點的三維（X，Y，Z）位移變化。建筑物變形監測的主要方法有三種：地面監測技術、GPS監測方法、近景攝影測量法。[5]

3.3 現場視覺及工業制造的精密測量

這幾年來，伴隨著制造技術的進步，也對精密測量技術提出了新要求。先進制造必備的關鍵技術之一就是在工業現場使用精密三維坐標測量技術。在工業上，為了得到被測物體準確的表面尺寸（監測項目的三維數據），通常使用投影光柵掃描設備。提高三維測量精度最有效的方式是使用近景攝影測量方法建立具有非編碼點群的三維測量。基于測量汽車外表面為例，表達的近景攝影測量原理和使用方法，提出了以實現大尺寸物體的精確測量而使用近景攝影測量投影和光柵掃描方法的組合。結果表明，三維數據采集使用近景攝影測量方法不僅在很大程度上提高大尺寸物體的掃描精度，而且提高掃描效率。近景數字攝影視覺測量技術是一個專注于精密測量技術的研究和應用，用于精密測量，基于數字成像和攝影、圖像處理和精密測量原理的基礎上，一種新型的精密測量技術。傳統的通用三維精密測量儀器（CMM）一般不能應用于生產領域，只能用于特殊的測量環境，因為測量儀將受到線性導軌運動的條件。最近開發了各種不同類型的三維精密測量技術和設備，以適應制造技術的進步，如：近景數字攝影、激光跟蹤干涉測量系統，視覺測量系統基于機器人柔性坐標測量系統，等等。

4 近景攝影測量一般流程

在工業三維數據采集的過程中，只要遵守一定的操作流程就能獲得準確的結果。但是不當的操作流程會給數據采集帶來不可預知的測量誤差。近景攝影測量的一般流程如下：第一，規劃測量意圖：確定測量方案，比例尺放置在恰當的位置。第二，選擇適宜的工作環境：盡量不在強光和振動的環境下進行測量，溫度20°為宜。第三，被測物體預處理：此過程一般涉及三個方面：（1）被測物體表面要貼上白色非編碼定位點；（2）將白色顯影劑噴涂在被測物體表面；（3）放置編碼點。第四，近景攝影的測量：初始攝站位置需正對一根比例尺用來拍攝4副兩兩相互成90°夾角的相片，使用相機在距離被測物2m左右的地方進行多攝站拍片，完成相機標定。第五，照片處理：與TRITOP軟件對整個拍的全部相片綁定，得出三維框架。第六，數據收集：定位的三維框架進行基于3d的掃描對象，得出符合測量精度的三維點云。

5 結束語

我們提出利用多重交向攝影的近景攝影測量方法，就是使用特殊人工標識，為提高大尺寸物體光柵投影掃描的精度，通過編碼點即普通非量測攝像機，將解算結果利用于光柵投影掃描設備，并對非編碼點建構三維空間尺寸，得到符合測量精度的密集點云。事實證明，此方法不僅實現了物體的高精度測量，而且又提高了掃描效率。關于近景攝影測量的現行趨勢是：能不斷滿足低、中、高以及超高精度的工作要求，發展模塊完整數據歸算系統。總之，根據現行活動的情況和暗中隱現的趨勢來看，近景攝影測量將會應用到越來越多的行業和地方，為我們的生活和工作帶來便捷。

參考文獻

[1]張德海.大型復雜曲面產品近景工業攝影測量系統開發[J].光電工程，2009，36（5）：122-128.

[2]馮文灝.近景攝影量測[M].武漢：武漢大學出版社，2002.

[3]中國國家標準化管理委員會.GB/T12979-2008.近景攝影測量規范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]蓋紹彥，達飛朋.光柵投影三維精密測量[M].北京：科學出版社，2011.

[5]林勛.建筑物變形監測的綜合研究[J].長春工程學院學報，2005，6（2）：45-48.