控制架系統(tǒng)在快速獲取巖體位移信息中的應(yīng)用

朱曉紅 方德濤 周小迦

（1.遼寧省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110034）

0.引言

我國面積廣闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)極易發(fā)生巖崩、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失[1]。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測主要任務(wù)就是要監(jiān)測崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時空域演變信息，最大程度獲取連續(xù)的空間變形信息[2]。近年來，隨著攝像機(jī)硬件制造技術(shù)以及計算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展，近景攝影測量技術(shù)在快速、有效地獲取待監(jiān)測物體空間變形信息中，得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防有著積極意義。

利用近景攝影測量技術(shù)獲取巖體位移信息的過程中，借助控制點(diǎn)或相對控制，把近景攝影測量網(wǎng)納入到給定的物方空間坐標(biāo)系中，是近景攝影測量布設(shè)控制并且進(jìn)行控制點(diǎn)測量的主要目的[5]。近景攝影測量有兩類布設(shè)控制的方案：一類是直接布設(shè)控制點(diǎn)；另一類是建立活動控制系統(tǒng)。直接布設(shè)控制點(diǎn)通常是在待測目標(biāo)物上或其周圍布設(shè)一定數(shù)量且穩(wěn)定的控制點(diǎn)，采用常規(guī)測量方法測量出這些控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用這些控制點(diǎn)完成近景攝影測量的控制任務(wù)。建立活動控制系統(tǒng)則是在堅固、不變形的輕型金屬架構(gòu)上均勻布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，采用三維坐標(biāo)量測儀或常規(guī)測量方法測量出金屬架構(gòu)上各個控制點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)。當(dāng)同時對目標(biāo)物及活動控制系統(tǒng)攝影后，待測目標(biāo)物即納入到活動控制系統(tǒng)的坐標(biāo)系內(nèi)，這樣在活動控制系統(tǒng)應(yīng)用時就形成了一種攜帶式的三維坐標(biāo)控制系統(tǒng)[6]。

受到活動控制系統(tǒng)的啟發(fā)，本文提出設(shè)計并制造一個均勻分布有一定數(shù)量的三維控制點(diǎn)標(biāo)志的輕型金屬構(gòu)架，將金屬構(gòu)架固定在待監(jiān)測巖體上，形成一種“固定控制架系統(tǒng)”。在控制架系統(tǒng)對面安置攝像機(jī)對控制架進(jìn)行連續(xù)觀測。假定巖體發(fā)生位移前后各個控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)不變，通過直接線性變換法（DLT）解算出的攝像機(jī)中心的外方位元素就會發(fā)生變化。同時，根據(jù)巖體位移是一個緩慢過程的特性，本文提出了利用上一監(jiān)測時段獲得的各個控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)位置，作為此次監(jiān)測時段影像上各個控制點(diǎn)的近似位置，建立搜索區(qū)進(jìn)行模板匹配計算，縮小匹配搜索區(qū)的范圍，提高匹配效率并保證匹配精度。

1.控制架系統(tǒng)

1.1 控制架系統(tǒng)設(shè)計

固定的控制架系統(tǒng)設(shè)計，與傳統(tǒng)的活動控制系統(tǒng)不同，它不像傳統(tǒng)的活動控制系統(tǒng)那樣，在更換目標(biāo)物時活動控制系統(tǒng)也隨之移動。這種固定在待監(jiān)測巖體上的控制架系統(tǒng)專門為快速獲取巖體位移信息服務(wù)，一經(jīng)固定后一般不會改變其位置。在利用近景攝影測量獲取巖體位移信息過程中，設(shè)計并建立固定的控制架系統(tǒng)，不僅能夠?yàn)榉橇繙y攝像機(jī)提供定標(biāo)服務(wù)，還能避免因巖體險峻帶來的布設(shè)控制網(wǎng)、架設(shè)測量儀器等困難，而且可以提前在地面上測量出控制架上各個控制點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，建立起控制架坐標(biāo)系，在巖體位移信息獲取階段可將其固定在待測巖體上，通過攝像機(jī)投影中心在控制架坐標(biāo)系中的位置變化反映巖體位移變化情況。

控制架的大小以能對目標(biāo)物體進(jìn)行有效地控制為原則，其形狀可以是多種多樣的。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，對控制架上的各個控制點(diǎn)也有一些特殊的要求，例如在利用三維DLT算法對非量測攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)時，控制點(diǎn)的布設(shè)有兩個禁忌：（1）是控制點(diǎn)不能布設(shè)在任意方位的一個平面上；（2）是攝像機(jī)投影中心不能與物方坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。

本文實(shí)驗(yàn)采用的控制架系統(tǒng)由一個大小約為750mm×750mm的“田”字形金屬骨架以及固定在骨架上的21個控制點(diǎn)標(biāo)志組成（如圖1所示）。自下而上共有5排控制點(diǎn)，最下面一排的排號為1，最上面一排的排號為5。控制點(diǎn)編號的第一個數(shù)字表示其所在的排號，第二個數(shù)字表示其位于所在排內(nèi)從左到右的順序編號，如23表示第2排從左到右數(shù)第3個控制點(diǎn)。控制架系統(tǒng)的背面設(shè)計有可拆卸的支架，當(dāng)控制架系統(tǒng)安裝在支架上時，可以在地面上測量各個控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)，進(jìn)而在地面上完成非量測攝像機(jī)的定標(biāo)工作。控制架系統(tǒng)也可以與支架分離，將分離后的控制架系統(tǒng)固定在待監(jiān)測的巖體上，在待監(jiān)測巖體的對面安置攝像機(jī)對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可以利用控制架系統(tǒng)與攝像機(jī)投影中心相對位置的變化間接反映巖體的位移情況。

為了保證所有控制點(diǎn)不布設(shè)在同一平面或近似平面內(nèi)，21個控制點(diǎn)標(biāo)志底部的金屬支撐桿長短不一，最大長度與最小長度相差160mm，標(biāo)志底部的金屬支撐桿具有這個數(shù)量級的長度差異，已經(jīng)可以滿足2m以內(nèi)的近景攝影測量控制任務(wù)。

圖1 控制架系統(tǒng)

1.2 控制點(diǎn)人工標(biāo)志設(shè)計

人工標(biāo)志的廣泛使用是近景攝影測量的一個特點(diǎn)，一方面是因?yàn)槿斯?biāo)志可以保證或提高測量精度和可靠性；另一方面，與航空攝影測量相比較，大量人工標(biāo)志的布設(shè)并不是一件困難的事。

圖2 幾種常見的人工標(biāo)志

圖2為幾種常見的人工標(biāo)志圖樣，人工標(biāo)志的幾何形狀不宜復(fù)雜，否則會影響它的人工及自動識別與量測。人工標(biāo)志一般具有中心對稱且成輻射狀的形狀特征，具有一定的旋轉(zhuǎn)不變性，這對于具有旋角的影像上的控制點(diǎn)自動識別是十分有利的。

本文所使用的控制架系統(tǒng)上的控制點(diǎn)人工標(biāo)志采用圖2中（d）所示的形狀，圓形標(biāo)志中心的黑白十字分劃可以保證控制點(diǎn)物方坐標(biāo)量測時測量儀器的精確照準(zhǔn)，圓形標(biāo)志本身也有著良好的旋轉(zhuǎn)不變性，無論影像旋轉(zhuǎn)角度為多少，人工標(biāo)志在影像上的成像圖形變化不大。此外，還要考慮應(yīng)當(dāng)使標(biāo)志自身顏色和背景顏色有盡量大的反差。由于本文所設(shè)計的控制架系統(tǒng)將要固定在巖體上進(jìn)行巖體位移信息獲取任務(wù)，巖體及其表面紅色目標(biāo)物較少，因此將各個控制點(diǎn)的人工標(biāo)志設(shè)計為紅色，這與灰青色的巖體能夠很好地區(qū)分開來。人工標(biāo)志自身的大小與攝影比例尺有關(guān)，有人認(rèn)為圓形標(biāo)志在影像上的成像尺寸最好稍大于標(biāo)志本身，也有人認(rèn)為標(biāo)志的構(gòu)像一般應(yīng)在0.05mm至0.20mm范圍內(nèi)。王豐元等提出了一種根據(jù)攝影比例尺定量計算人工標(biāo)志大小的方法[7]。

其中，D為圓形人工標(biāo)志的直徑，L為人工標(biāo)志距攝像機(jī)投影中心的水平距離，f為攝像機(jī)焦距，α為人工標(biāo)志中心與攝像機(jī)投影中心連線與水平面的夾角，d為人工標(biāo)志在攝像機(jī)成像元件上所形成橢圓的短徑。

假設(shè)P為拍攝所得影像每個像素的大小，K為人工標(biāo)志在影像上成像圖案的直徑像素數(shù)，則

將式（2）代入式（1），得

公式（3）即為人工標(biāo)志尺寸的定量計算公式。

1.3 控制點(diǎn)測量

本文采用兩套全站儀，通過空間前方交會法測得了圖1所示控制架系統(tǒng)中21個控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)。將坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至控制架左下角附近，X軸與兩測站連線平行，正方向向右，Y軸正方向沿鉛垂線方向向上，Z軸垂直于XY平面，構(gòu)成右手系，各個控制點(diǎn)物方坐標(biāo)（如表1所示）：

表1 控制點(diǎn)物方坐標(biāo)測量結(jié)果 單位：mm

這里將坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至控制架左下角附近，而不是將左下角11號控制點(diǎn)所在的位置作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，主要原因是避免由于11號點(diǎn)物方坐標(biāo)為（0,0,0）而造成后期攝像機(jī)定標(biāo)解算過程中法方程系數(shù)矩陣出現(xiàn)秩虧的情況，而這種情況的出現(xiàn)將導(dǎo)致攝像機(jī)定標(biāo)計算失敗。

2.影像控制點(diǎn)識別

攝像機(jī)的定標(biāo)以及通過目標(biāo)二維影像獲取其三維信息的過程中均需要控制點(diǎn)的像方坐標(biāo)，獲取控制點(diǎn)影像坐標(biāo)的過程稱為影像控制點(diǎn)識別。巖體位移是一個緩慢過程，本次監(jiān)測時段的影像與上一監(jiān)測時段的影像相比，控制點(diǎn)在影像上的成像位置變化不大。因此，利用上一監(jiān)測時段獲得的各個控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)位置作為本次監(jiān)測時段影像上各個控制點(diǎn)的近似位置，在這些近似位置周圍建立搜索區(qū)，進(jìn)行模板匹配計算，這樣可以縮小搜索范圍，提高匹配速度且保證了匹配精度。

在地面上進(jìn)行巖體位移模擬實(shí)驗(yàn)，人工改變攝像機(jī)和控制架的相對位置，再次對控制架進(jìn)行攝影拍照。將移動后獲取的影像作為第二監(jiān)測時段的影像，第一監(jiān)測時段的影像進(jìn)行比較。將第一監(jiān)測時段影像上控制點(diǎn)的點(diǎn)位顯示在第二監(jiān)測時段影像上以后，發(fā)現(xiàn)各個控制點(diǎn)在第二監(jiān)測時段影像上的成像位置變化不大，最大位移約為60個像素（如圖3所示）。因此，以第一時段各個控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)為中心，以其左上、右上、左下、右下60個像素的區(qū)域建立共計240個像素的搜索區(qū)，在第二時段的影像上搜索匹配該控制點(diǎn)，這樣各個控制點(diǎn)的搜索區(qū)由整幅影像減小到了局部影像。

圖3 第一時段控制點(diǎn)點(diǎn)位在第二時段影像上位置分布情況

原始影像為1600×1200像素，如果將整幅影像作為搜索區(qū)來匹配搜索控制點(diǎn)的位置，搜索區(qū)的大小涉及1920000個像素。如果將第一時段影像上各個控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)作為參考位置，在其周圍建立局部搜索區(qū)進(jìn)行搜索匹配，21個控制點(diǎn)的搜索區(qū)所涉及的像素數(shù)將變?yōu)?40×21=5040個像素，這樣搜索區(qū)大大減小，在保證了匹配精度的前提下，匹配效率得到了很大地提高。

3.巖體位移信息獲取與分析

實(shí)驗(yàn)通過將控制架進(jìn)行俯仰變化來改變攝像機(jī)與控制架的相對位置關(guān)系，以此來模擬巖體位移情況。根據(jù)巖體俯仰前后攝像機(jī)投影中心在控制點(diǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)變化情況，可以求得巖體俯仰前后攝像機(jī)投影中心到各個控制點(diǎn)的斜距變化情況，由此獲得巖體位移變化信息。攝像機(jī)安置在控制架相對位置2m范圍內(nèi)。這樣安置有兩點(diǎn)好處：（1）真實(shí)模擬巖體位移監(jiān)測過程，一般在條件允許情況下，攝像機(jī)與巖體固定控制架距離不會太遠(yuǎn)；（2）在一定時間內(nèi)，巖體位移變化量不變情況下，攝像機(jī)與控制架相對位置越近，不同時段影像基高比越大，模型強(qiáng)度越強(qiáng)，解算斜距變化量越精確。圖4為控制架處于垂直情況下攝像機(jī)拍攝獲得的影像，圖5、圖6分別為控制架處于前俯、后仰的情況下攝像機(jī)拍攝獲得的影像。

圖4 控制架垂直時獲取的影像

圖5 控制架前俯時獲取的影像

圖6 控制架后仰時獲取的影像

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果（如表2所示），表中“斜距差1、斜距差2”表示通過全站儀量測并計算出的控制架前俯、后仰攝像機(jī)投影中心附近標(biāo)志物距控制架垂直時各個控制點(diǎn)的斜距變化情況，“斜距差3、斜距差4”表示通過影像解算出的控制架前俯、后仰攝像機(jī)投影中心距控制架垂直時各個控制點(diǎn)的斜距變化情況，“差異值1、差異值2”表示通過這兩種方法獲得的斜距變化情況之間的差異值。

表2 斜距變化計算情況單位：mm

根據(jù)表2的最后兩列數(shù)據(jù)，可以繪制出兩種方法 所獲得的斜距變化量的差異值折線圖（如圖7所示）：

圖7 控制架俯仰實(shí)驗(yàn)中斜距變化差異值情況

4.結(jié)束語

通過兩種方法獲得的控制架俯仰前后攝像機(jī)投影中心到各個控制點(diǎn)的斜距變化量存在一定的差異，這種差異具有很強(qiáng)的規(guī)律性，控制架垂直情況與控制架前俯情況下斜距變化量差異值的波動情況與控制架垂直情況與控制架后仰情況下斜距變化量差異值的波動情況十分類似。在橫向上，最大差異與最小差異相差約3mm，在縱向上，最大差異與最小差異相差約1mm。這種差異的規(guī)律性和穩(wěn)定性反映出了利用控制架系統(tǒng)進(jìn)行斜距變化量測具有相當(dāng)?shù)木取Ｍ瑫r，利用近景攝影測量技術(shù)獲取巖體位移信息較利用全站儀等傳統(tǒng)方法更簡便、快捷，控制架系統(tǒng)在快速獲取巖體位移信息過程中可以得到良好的應(yīng)用。