淺析變形監(jiān)測(cè)中的地面攝影測(cè)量

李偉

摘 要：隨著攝影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，它逐漸被應(yīng)用到越來(lái)越多的項(xiàng)目上來(lái)，其中隨著地面攝影測(cè)量技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，它也更多地應(yīng)用到變形監(jiān)測(cè)方面。文章主要就地面攝影測(cè)量用于變形監(jiān)測(cè)的原理、設(shè)備及工序以及影響地面攝影測(cè)量精度的主要因素及解決措施進(jìn)行了分析，指出地面攝影測(cè)量在工程的變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用，但也存在著不足，精度和作業(yè)距離受限。因此，很好地結(jié)合地面攝影測(cè)量的各種方法對(duì)于變形監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)非常重要。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測(cè)；地面攝影測(cè)量；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0183-02

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷飛速發(fā)展中，攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)邁進(jìn)了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的時(shí)代。“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”的工作原理是把攝影像片轉(zhuǎn)換成數(shù)字，或使用CCD相機(jī)等具有特殊用途的攝影機(jī)直接拍攝物體的“數(shù)字影像”，再通過(guò)數(shù)字影像匹配技術(shù)以及數(shù)字?jǐn)z像處理技術(shù)取得同名像點(diǎn)的坐標(biāo)，并獲取對(duì)應(yīng)物點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

1 地面攝影測(cè)量用于變形監(jiān)測(cè)的主要方式及其原理

1.1 時(shí)間基線法

時(shí)間基線法又稱為偽視差法，是指將不同時(shí)刻拍的兩個(gè)像片作為立體像對(duì)，對(duì)固定設(shè)站的同一目標(biāo)像點(diǎn)的上下以及左右視差進(jìn)行量測(cè)，所得視差與像片比例尺的積就是目標(biāo)像點(diǎn)的位移。時(shí)間基線法只能對(duì)變形體的二維變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法監(jiān)測(cè)目標(biāo)像點(diǎn)隨著攝影機(jī)主光軸方向的位移。如圖1所示。

S為攝影中心，S-XYZ為物方坐標(biāo)系，第一期觀測(cè)時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)A成像于a，設(shè)x，z為像點(diǎn)a在像片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，f為攝影機(jī)焦距。利用簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系可得出目標(biāo)點(diǎn)A的坐標(biāo)為：

1.2 地面立體攝影測(cè)量法

如果地面觀測(cè)需要3個(gè)空間坐標(biāo)軸上的位移值，就需要使用地面立體攝影測(cè)量法。該測(cè)量法按照不同的攝影基線與光軸的相對(duì)位置，分為正直攝影方式、等偏攝影方式、交向攝影方式以及等傾攝影方式四種。正直攝影與等偏攝影都是像片所對(duì)的攝影光軸水平相互之間保持平行，不同的是正直攝影與攝影基線方向垂直，而等偏攝影與攝影基線垂直方向偏開(kāi)了一定的角度。交向攝影是指像片所對(duì)的兩個(gè)攝影光軸水平相交并形成一定的角度。等傾攝影是指像片所對(duì)的兩個(gè)攝影光軸水平相對(duì)傾斜并形成一個(gè)相同的傾角。在變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，最常用的是交向攝影。

根據(jù)攝影時(shí)攝影機(jī)內(nèi)外方位元素是否已知，處理攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的方式分為空間前方交會(huì)法，空間后交-前交法，嚴(yán)密解法以及直接線性變換法。下面以直接線性變換法為例給出數(shù)學(xué)模型。

直接線性變換（DLT）節(jié)省了從坐標(biāo)儀量測(cè)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像片坐標(biāo)的步驟，直接變換為物方空間坐標(biāo)。這種方法最初用于處理非量測(cè)機(jī)所攝的像片，現(xiàn)在越來(lái)越多地應(yīng)用于處理量測(cè)相機(jī)所攝的像片。

設(shè)x，z為像點(diǎn)的坐標(biāo)儀坐標(biāo)，相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)為X，Y，Z，直接線性變換法表示為：

式中，L1～L11稱為DLT系數(shù)。已知DLT系數(shù)時(shí)，列出立體像對(duì)每一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的4個(gè)觀測(cè)誤差方程，通過(guò)最小二乘法對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行解算。未知DLT系數(shù)時(shí)，需在物方空間中布設(shè)控制點(diǎn)進(jìn)行系數(shù)解算，這時(shí)分別列出物方空間的每個(gè)控制點(diǎn)的兩個(gè)方程，同時(shí)，為了確保精確解算系數(shù)，不能在同一個(gè)平面上布設(shè)控制點(diǎn)，至少需要布設(shè)6個(gè)控制點(diǎn)對(duì)這11個(gè)未知系數(shù)進(jìn)行解算。

2 地面攝影測(cè)量外業(yè)設(shè)備的種類(lèi)

地面攝影測(cè)量的首級(jí)控制需要由GPS或者全站儀進(jìn)行布設(shè)測(cè)量。因此外業(yè)設(shè)備主要包括數(shù)碼相機(jī)（非量測(cè)相機(jī)）、GPS或全站儀和筆記本電腦。

2.1 數(shù)碼相機(jī)

為確保數(shù)碼立體像對(duì)有較高質(zhì)量的影像效果，數(shù)碼相機(jī)的解像度應(yīng)較高，并且鏡頭畸變差應(yīng)較小。通常以JPG以及TIFF格式儲(chǔ)存影像，并通過(guò)配套的儲(chǔ)存卡把影像直接下載到電腦上。

2.2 GPS或全站儀

GPS或全站儀主要用來(lái)進(jìn)行地面攝影測(cè)量的控制測(cè)量，把所構(gòu)建的攝影測(cè)量網(wǎng)納入到物方空間坐標(biāo)系中，通過(guò)多余的控制來(lái)增加攝影測(cè)量網(wǎng)的強(qiáng)度，再通過(guò)相對(duì)控制以及多余的控制點(diǎn)來(lái)檢測(cè)攝影測(cè)量的可靠性和精確度。

3 地面攝影測(cè)量的外業(yè)工序流程

3.1 做好每項(xiàng)準(zhǔn)備工作

在外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行立體像對(duì)拍攝是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量對(duì)整個(gè)地面攝影測(cè)量產(chǎn)生直接影響，需要做好每項(xiàng)準(zhǔn)備工作。首先，在地圖上選擇好要監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍，接著再設(shè)定攝影范圍。然后對(duì)相機(jī)進(jìn)行正確設(shè)置，設(shè)置最高的分辨率，設(shè)置合適的圖像儲(chǔ)存格式，調(diào)整適合的鏡頭焦距。最后，對(duì)攝影基線進(jìn)行合理確定。應(yīng)選擇在視野開(kāi)闊處設(shè)立攝影基線的左右站，攝影基線應(yīng)設(shè)在被攝區(qū)域的正面，并且最好使用正直攝影方式，以確保使用最少的攝影基線獲取最大的攝影面積。

3.2 布設(shè)清晰的攝影標(biāo)志

制作攝影標(biāo)志時(shí)，標(biāo)志的設(shè)計(jì)尺寸要足夠大才能確保標(biāo)志在影像上清晰可見(jiàn)，標(biāo)志尺寸可設(shè)計(jì)為80cm×80cm，如圖2所示。

而拍攝對(duì)象是明顯地物點(diǎn)時(shí)，只要在數(shù)字影像上做好標(biāo)記就行了，可以不再布設(shè)標(biāo)志，但對(duì)該地物點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行三維坐標(biāo)聯(lián)測(cè)。

3.3 做好拍攝立體像對(duì)的各項(xiàng)工作

在選定的攝影基線的兩邊攝站上架設(shè)好三腳架并同時(shí)安置好相機(jī)，攝影狀態(tài)最好選擇正直攝影方式，對(duì)于一些特別困難的地段可酌情選擇等偏或等傾攝影方式，而且調(diào)整的角度不宜過(guò)大。在拍攝完每一個(gè)立體像對(duì)后，應(yīng)實(shí)時(shí)通過(guò)筆記本電腦下載并打開(kāi)檢查攝影像對(duì)的質(zhì)量、范圍并查看攝影標(biāo)志的清晰度，對(duì)需要補(bǔ)拍的，現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)補(bǔ)拍。

3.4 對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)及坐標(biāo)聯(lián)測(cè)

這一步驟可通過(guò)專業(yè)的攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行。首先，對(duì)立體像對(duì)進(jìn)行編號(hào)后再把它們復(fù)制到刺點(diǎn)調(diào)繪片上，刺點(diǎn)調(diào)繪片通過(guò)Photoshop軟件打開(kāi)后再對(duì)攝影標(biāo)志進(jìn)行編號(hào)，然后壓縮成JPG格式；最后通過(guò)全站儀對(duì)各像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，并生成文本文件。

3.5 做好立體像對(duì)的內(nèi)業(yè)處理

通常來(lái)說(shuō)，用于地面攝影的數(shù)碼相機(jī)無(wú)論是非量測(cè)相機(jī)還是量測(cè)相機(jī)，均不會(huì)用到相機(jī)檢驗(yàn)參數(shù)，因此無(wú)需建立相機(jī)檢校參數(shù)文件。監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的當(dāng)期坐標(biāo)最終由軟件算出。通過(guò)獲取每期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，可以計(jì)算相鄰期的變化量。由于需要進(jìn)行幾期觀測(cè)并得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)差，因此每期均需要進(jìn)行上述工序，控制點(diǎn)的聯(lián)測(cè)也是需要的。

4 影響地面攝影測(cè)量在變形監(jiān)測(cè)上的精度的主要原因及解決措施

（1）由于儀器性能、觀測(cè)點(diǎn)特征以及觀測(cè)員熟練程度等因素致使在使用坐標(biāo)量測(cè)儀測(cè)量像片坐標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生量測(cè)誤差，因此需要從提升儀器性能，培訓(xùn)觀測(cè)員的量測(cè)操作熟練程度等方面進(jìn)行改善。（2）攝影機(jī)基距比B/Y、焦距和攝影機(jī)軸的交會(huì)角等攝影測(cè)量幾何圖形也會(huì)影響模型坐標(biāo)的精度，需要在攝影時(shí)重視這些測(cè)量幾何圖形的合理調(diào)整。（3）控制點(diǎn)數(shù)量、分布情況以及它們的實(shí)測(cè)精度等會(huì)導(dǎo)致測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)存在誤差，這是在變形監(jiān)測(cè)中地面攝影測(cè)量常遇見(jiàn)的情況，需要合理做好控制點(diǎn)的各項(xiàng)工作。（4）在變形觀測(cè)過(guò)程中，進(jìn)行地面攝影測(cè)量時(shí)各地物點(diǎn)影像存在變形未能消除了Px、Py，導(dǎo)致還存在誤差，需要采取消除影像變形的措施達(dá)到真正消除Px、Py的目的。（5）還需要消除一些其他因素對(duì)變形監(jiān)測(cè)精度的影響，例如，應(yīng)選用高精度的攝影儀器以及坐標(biāo)量測(cè)儀，攝影標(biāo)志應(yīng)比較清晰，選擇合理的攝影站和攝影方式等。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著地面攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，地面攝影測(cè)量在工程的變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮的作用已經(jīng)越來(lái)越大，通過(guò)理論分析并結(jié)合實(shí)際的操作流程再采取針對(duì)性措施改善精度不足的問(wèn)題，將會(huì)促進(jìn)地面攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)變形監(jiān)測(cè)在工程上的應(yīng)用及發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

[2]王長(zhǎng)進(jìn).基于數(shù)碼相機(jī)的地面攝影測(cè)量在工點(diǎn)測(cè)繪中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2005（1）：47-48.

[3]李仲，杜永剛，等.地面攝影測(cè)量在變形監(jiān)測(cè)中的精度分析[J].北京測(cè)繪，2010（2）：94-95.