一種應用于港口起重機的無現場控制點測量系統

鄺湘寧 邱法聚 胡群威 仇佳捷 丁高耀

寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315000

0 引言

隨著我國經濟和海內外貿易的快速發展，港口物流貨物量呈現高速上行趨勢，對港口起重機的要求也越來越高，其安全性評估問題逐漸成為影響港口設備能否長期穩定運行的關鍵問題。針對港口起重機日益突出的安全性問題，港口起重機相關尺寸監測數據可直觀地反映出起重機的結構尺寸變化和運行情況，為起重機安全性評估理論的探究提供真實準確地數據來源，故港口起重機相關尺寸數據的測量是一項很重要的工作[1]。

目前，港口起重機結構相關尺寸測量監測的方法主要包括布設傳感器、全站儀測量等。對于布設傳感器來監測港口起重機尺寸變化的方法，可得到直觀、準確地測量結果，但傳感器對于布設技術和位置的要求比較高。港口起重機結構龐大，攀爬不便，人工設置傳感器不僅效率低，而且容易產生安全問題。港口環境惡劣，傳感器暴露在外，易發生損壞，難以長時間穩定工作。全站儀測量所需要的設備比較復雜，對于操作人員的技術和現場環境有較高要求，且測量范圍易受到港口環境的限制，很難滿足對起重機結構進行高效準確的測量要求。

經過多年發展，無接觸式攝影測量技術已廣泛應用到各個工程領域。在港口起重機尺寸測量方面，傳統的近景攝影測量方法目前存在需要人工設置控制點的難題，不僅效率低，且存在安全隱患。若使用起重機結構自身特征點作為控制點，會因難以重新定位關鍵點而產生相平面的識別誤差，從而影響整個測量系統的精度。此外，傳統攝影測量方法還需要用到很多輔助測量設備，人工操作繁瑣，且在惡劣港口環境中使用不便。針對以上不足，本文提出一種無控制點的攝影測量方法。

1 近景攝影測量

近景攝影測量是通過相片的影像坐標，利用前方交會原理來確定被測對象物方空間坐標的一種方法[7]。若要實現從像方坐標向物方坐標的轉換，應獲知相片的內外方位元素和同名像點的像方坐標。相片的內方位元素[x0y0f]是表征相機焦點相對于相片的位置參數，可通過相機的標定檢驗確定。相片的外方位元素[XYZφωκ]表征相片在物方坐標系統內的位置參數和姿態參數。同名像點的像方坐標和相片的內方位元素較易獲得，但相片的外方位元素會隨攝影位置的變化而變化，不易獲得。傳統的攝影測量方法需在被測目標上設置若干控制點才能實現對相片外方位元素的求解。

2 測量系統結構設計

如圖1所示，該測量系統由2臺前站相機、1套后站雙目相機以及與之配套的室內標定場組成。前站相機共有2套，以實現對待測目標的雙目視覺測量。前站相機上設置有輔助定位支架，支架上有若干易于辨識的特征點，即移站關鍵點。后站雙目相機的相機支架可將2臺相機平行地穩固布置于三腳架上，從而形成1套雙目相對位置固定的雙目視覺測量系統。標定場主要由若干支承柱組成的籠架以及安裝在各支承柱上的標定塊組成，目的在于建立一個標準的空間坐標系統。

該測量系統的整體構成如圖1所示，首先將相機按照圖1所示位置關系放置于標定場內，調整好位置后對場內的預設測量點進行拍攝。前站相機和后站相機均可根據其所攝相片和標定場內已知的測量點物方坐標，利用后方交會原理得到相機的外方位元素。由于后站雙目相機所攝相片中包括前方相機，所以后站雙目相機可利用前方交會原理得到前站相機定位輔助支架上移站關鍵點的物方坐標。在得到上述所需標定數據后即可脫離標定場，調整前方相機以合適距離、角度拍攝實際被測物體，通過后站雙目相機重新測定各前站相機移站關鍵點的物方坐標，利用標定階段得到的前站相機外方位元素與移站關鍵點之間的關系，實現前方相機外方位元素的遷移計算，從而實現無標定的遠距離測量。

圖1 測量系統整體示意圖

3 算法實現

3.1 算法原理

根據攝影測量方法的基本原理，當前站相機與輔助定位支架上移站關鍵點的相對位置保持不變，且不共面的移站關鍵點的數量大于或等于4時，可以認為前站相機的外方位元素與這些移站關鍵點的坐標存在唯一確定的關系。本設計的核心就是利用前站相機外方位元素和移站關鍵點之間的關系，實現室內標定場與實際測量場景中前站相機的外方位元素的轉換，這一方法被稱為移站算法。

3.2 算法驗證

如圖2所示，設移站前1～4號移站關鍵點物方坐標分別為（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4），與之對應的外方位元素為[X1Y1Z1φ1ω1κ1]；移站之后，1～4號移站關鍵點的物方坐標為（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4），此時的外方位元素為[X2Y2Z2φ2ω2κ2]。對外方位元素的求解可分為坐標求解和角元素求解。

圖2 移站關鍵點示意圖

1）坐標求解

設P為點系（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4）組成的集合，Q為點系（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4）組成的集合。坐標計算即計算P確定的坐標系向Q確定的坐標系轉換的旋轉矩陣R和平移矩陣S。求解矩陣R和S可采用數學SVD變換原理，本文不作贅述。最終坐標變換可簡化為

2）角元素求解

故有

4 實驗

4.1 室內標定

相機在室內標定場的參數標定作為本實驗的第一階段，標定場設置如圖3所示。為保證相機標定結果的高精度，以3個坐標光筆測量儀為標定工具測量標定場相關點的坐標值。按照預設的方法調整前站相機和后站相機位置，完成拍攝后，利用后方交會原理分別解算前站相機和后站相機的外方位元素，取3次實驗的平均結果作為最終的標定結果。相機的外方位元素標定數據如表1、表2所示。

圖3 室內標定場

表1 前站相機標定階段外方位元素

表2 后站相機標定階段外方位元素

在已知后站相機的外方位元素后，利用前方交會解算出前站相機上4個移站關鍵點的坐標，以便對前站相機的外方位元素進行遷移計算。

4.2 室外測量

室外實際測量是本實驗的第二階段，實驗對象為1臺額定起重量41 t的門式起重機，起重機上的預設測量點選擇如圖4所示。

圖4 起重機實驗測量點

在后站相機外方位元素不變的情況下，根據后站相機所攝的前站相機相片可直接解算前站相機上移站關鍵點的坐標，然后根據移站算法得出在此測量場景中前站相機的外方位元素（見表3）。

表3 前站相機測量階段外方位元素

在獲得前站相機的外方位元素后，利用前站相機所攝的起重機相片，解算起重機上各預設測量點的坐標，所得結果見表4。

表4 起重機測量點解算坐標 mm

為了驗證測量結果的正確性與精確性，本實驗采用全站儀對上述測量點進行了測量，測量結果如表5所示。

表5 起重機測量點全站儀測量坐標 mm

4.3 實驗結果與分析

在完成上述實驗數據的測定后，將攝影測量方法獲得的解算坐標與全站儀直接測得的測量坐標進行對比分析。由于測量的最終目的是為了獲得起重機相關尺寸數據，故可將起重機上6個測量點中任意2點之間的距離作為一個尺寸測量長度進行數據對比。結果如5圖所示。在15組數據對比中，攝影測量方法與全站儀方法的測量長度相對誤差均在1.5%以內，最大相對誤差為1.35%，最小相對誤差為0.08%，平均相對誤差為0.52%。通過對測量數據的處理分析可知，該攝影測量方法的測量結果與全站儀的測量結果基本相同，準確度和精確度都比較高，可滿足港口起重機的尺寸測量工作。

圖5 結果對比與誤差分析

5 結束語

隨著攝影領域硬件技術和軟件技術的不斷深入研究，攝影測量技術逐漸開始與計算機視覺、圖像處理等高新技術融合，實現了向自動化和信息化的方向發展，兼具很多優點，使該技術在現代工程測量領域扮演越來越重要的角色。港口起重機的測量監測任務作為保證港口長期高效安全運行的重要方面，切實需要一種行之有效的測量手段。本文所述的無控制點攝影測量方法雖可初步完成港口起重機的測量監測工作，但仍有不足，如結構比較復雜、操作步驟多、智能化程度低等。因此，基于攝影測量的現有技術，不斷發掘新方法，并應用于港口起重機的尺寸測量是一種良好的趨勢。