攝影測量在變形測量中的應用及精度分析

摘 要：近年來，隨著現代化城市的發展，各種工程建筑物對變形監測的精度要求越來越高，原有的地面攝影測量已經不能滿足現代化城市建筑的要求，數碼相機和計算機軟硬件的發展，帶來了攝影測量技術的新發展——數字近景攝影測量，數字近景攝影測量憑借著高精度、實時性、非接觸性等特點，成為了現代變形監測的重要手段之一，下面將簡單闡述攝影測量在變形監測中的應用及精度分析。

關鍵詞：攝影測量；變形測量；精度分析

攝影測量學屬于地球空間信息科學的范疇，是研究利用攝影手段獲得被測物體的圖像信息，從幾何和物理兩方面進行分析處理，對所攝對象的本質提供各種信息的一門學科。攝影測量學是利用光學攝影機進行攝影的像片，來研究和確定被測物體的大小、形狀、性質、位置以及相互關系，并進行記錄、分析和表達的一門科學和技術。

攝影測量學按照距離的遠近分為：航天、航空、地面、近景和顯微攝影測量；按照用途可分為：地形攝影測量、非地形攝影測量與遙感；按照處理手段可分為：模擬、解析和數字攝影測量。

現代攝影測量學的研究方向是利用航空影像和衛星高分辨率影像的數據源，來擴展計算機立體像對的相關理論與算法，并發展立體幾何模型的確定和精化的新方法，以及研究相對困難地區的數字立體測圖技術；研究地面或近景攝影測量，在現代化生產過程中，如變形監測及土木工程中的問題。文章主要闡述攝影測量學在變形監測中的應用。

變形的定義：指的是變形體在各種載荷的作用下，大小、形狀及位置在時間和空間上的變化。而變形監測又稱變形測量或者變形觀測，變形測量是對設置在變形體上的觀測點進行周期性地反復觀測，求得觀測點在各周期內相對于第一次觀測時的點位或高程的變化量。雖然地面攝影測量技術應用在變形監測中的時間較早，但是由于這種技術的攝影距離過遠，而且絕對精度低，使其應用受到限制，以往僅應用于塔樓、煙筒、高聳雕像、水壩砸門等的變形監測。隨著近幾年數字攝影測量和近景攝影測量技術的發展，逐漸取代了原有的地面攝影測量技術，為攝影測量技術在變形監測中更好的應用開拓了值得矚目的前景，是變形監測未來發展的新趨勢。

利用數字近景攝影測量技術進行變形測量比其它測量手段有著明顯的優點：數字近景攝影測量是一種瞬間得到被攝物體物理信息和幾何信息的測量技術，非常適用于觀測點眾多的目標，并且它是一種非接觸式的測量手段，非常適合監測滑坡區、塌陷區等的變形作業。在利用高分辨率的數碼相機進行相似材料模型變形監測時，可以利用DLT和自檢校光束法平差算法測定的觀測點三維空間坐標的精度，是可以滿足礦山巖層和地表移動相似材料模型觀測的要求。為礦山、土木工程等的實際作業提供了理論和實踐基礎。在利用高分辨率的非量測普通數碼相機，采用非固定攝影站自由直接拍攝技術時，所測定的模型位移場的規律性是符合實際情況的，同時還可獲得不同時刻的影像數據，為研究變形動態過程提供了大量的監測信息。

近年來，由于攝影測量技術的飛速發展，尤其是數字攝影測量技術，使得攝影測量的方法越來越多地用于大型工程建筑物（例如大型水庫邊坡、高層及超高層建筑物等）的變形觀測。航空攝影測量也更多地用于較大范圍的地面變形測量，例如，測定由于礦山采礦而引起的山坡移動。這些工程多數采用攝影測量方法，除了它本身優點的原因外，更主要的原因是近幾年來攝影測量測定點位精度的明顯提高。而精度提高的關鍵因素是硬件的改進（高分辨率的攝影主機和更加精密的測量儀器），以及應用軟件的快速發展。現在由于計算機被廣泛的應用，使得作業人員能夠采用嚴密的數學模型來模擬攝影測量中的系統誤差（攝影機鏡頭的畸變差及攝影底片的CCD面陣），可以采用數理統計的方法來評定觀測值的質量和剔除粗差，保證測量成果的高可靠性。

變形觀測和其它的測量工作相比，變形觀測要求的精度較高，絕對精度為1mm或相對精度為10-6。制定規范的精度是很必要的，過高的精度要求會使測量工作變得困難復雜，成本也會增加，如果精度設定得太低，又會使變形分析變得困難，會使估計的變形參數誤差大，甚至會得到錯誤的成果。變形體的大小、變形速率、使用的儀器和方法所能達到的實際精度，以及觀測目的等，這些因素決定了變形觀測的精度。一般來講，變形觀測如果是為了確保建筑物的安全，則其觀測的誤差應小于允許變形值的1/10-1/20；如果是為了研究變形的過程，則其誤差應比這個數值小得多，甚至應采用目前測量手段和所使用的儀器所能達到的最高精度。測量精度要求比較高的，如地殼變形測量是用于預報地震、研究地震發生的機理及地震和地面變形的關系，多數情況下相對精度在10-6以上。變形觀測在精度要求上也有許多不同，對于不同類型的建筑物，變形觀測的精度要求也是不同的，而對于同類工程的建筑，因為其結構、形狀的不同，要求的精度也不同，即使是同一建筑物，不同位置的精度要求往往也是不同的。對于普通的工業和民用建筑，變形觀測的主要內容是垂直位移和水平位移。一般來講，對于大型的流水作業車間（如帶有鋼結構、鋼混結構的建筑物），要求變形觀測的成果能反映出2mm的沉陷量。

為了使攝影測量技術能更好的利用在變形測量中，下面分析一下影響攝影測量精度的基本因素和提高精度的具體措施：

影響精度的基本因素：主要是攝影測量系統的物理、幾何特征及多余觀測量和應用的數學模型。（1）像片傾斜所引起的像點位移和地面起伏引起的投影差。（2）像點坐標的量測，包括影像的內定向、相對定向與絕對定向。（3）影像的分辨率，分為數字影像的分辨率、膠片影像的分辨率和掃描影像的分辨率。（4）像控點的實測精度和數量及分布。（5）變形測量中觀測點和變形點的布設。（6）攝影機和觀測儀器的選用。

提高攝影精度的措施：（1）利用數字空中三角測量輔助攝影測量，主要目的是為了影像的糾正、數字高程模型的建立和立體采集提供定向成果，需要注意的是空三測量的加密精度會直接影像前方交會的精度，同名像點的切準精度也會影像最終的成圖精度。（2）像點坐標的改正：物鏡畸變差分兩種，一種是徑向畸變差，另一種是切向畸變差，因為切向畸變差要比徑向畸變差小，所以一般情況下只測定徑向畸變差并進行改正。（3）利用嚴密的共線方程光束法平差結算，所謂共線方程就是指中心投影的構像方程，是解析空三測量光束法平差中的基本數學模型和構成數字投影的基礎，在數字攝影測量中起著重要的作用。（4）控制點的數量及其分布，取決于變形體的預期精度、目標復雜度和數據處理的方法，一般情況下要求均勻分布在全部測區內，控制點越多，驗測的精度越準確。

隨著科技的進步，我國也從工業化社會慢慢轉變成經濟型社會，現代化的城市建設需要高科技的保證，數字攝影測量憑借著自身的優勢在各種工程測量中占有重要的地位。

作者簡介：孫佳（1981，1-），男，籍貫：黑龍江省雙鴨山市，現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：地理信息系統。