鐵路工點(diǎn)地形近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的誤差改進(jìn)研究

鄧?yán)^偉　趙　文　周文明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG Jiwei　ZHAO Wen　ZHOU Wenming

鐵路工點(diǎn)地形近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的誤差改進(jìn)研究

鄧?yán)^偉趙文周文明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG JiweiZHAO WenZHOU Wenming

摘要介紹鐵三院自主研制的鐵路工點(diǎn)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無控制點(diǎn)支持的近景攝影測(cè)量方法對(duì)鐵路工點(diǎn)(隧道洞口)進(jìn)行近景攝影測(cè)量，獲取工點(diǎn)的等高線圖和數(shù)字模型。針對(duì)該近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的方式，分析原始數(shù)據(jù)獲取的誤差來源，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平差算法和平差程序的研發(fā)，最終獲取高精度的立體像對(duì)定向元素。

關(guān)鍵詞近景攝影測(cè)量鐵路工點(diǎn)地形測(cè)量誤差

鐵路工點(diǎn)(隧道洞口等)地形測(cè)量一直是鐵路勘測(cè)過程中的難點(diǎn)，在傳統(tǒng)的測(cè)量方法中，可使用全站儀進(jìn)行全野外測(cè)量，也可使用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)按近景攝影測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)洞口測(cè)量[1]。目前我院使用的鐵路工點(diǎn)地形近景攝影測(cè)量系統(tǒng)包括由我院自主研發(fā)、集成了經(jīng)緯儀與普通非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的硬件設(shè)備，以及包括相機(jī)檢校、影像畸變校正及外業(yè)數(shù)據(jù)錄入等功能的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用普通數(shù)碼相機(jī)(非量測(cè)相機(jī))進(jìn)行無需控制點(diǎn)的近景攝影測(cè)量，將先進(jìn)的近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于工點(diǎn)地形測(cè)量，有效解決了陡峭地形工點(diǎn)的測(cè)量難題。無需控制點(diǎn)的近景攝影測(cè)量是一種先進(jìn)可行的地形測(cè)量技術(shù)，代表著局域地形測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向。

由于經(jīng)緯儀與相機(jī)之間的固定不是絕對(duì)緊密，以及人為讀數(shù)時(shí)會(huì)存在偶然誤差，測(cè)區(qū)內(nèi)不同測(cè)站之間以及同測(cè)站不同影像之間，角度會(huì)存在一定誤差，從而造成恢復(fù)定向時(shí)存在上下視差，給立體恢復(fù)帶來很大不便，影響地形圖測(cè)繪精度。因此，如何最大限度消除該誤差，是該近景攝影測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理亟需解決的問題。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1　數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)原理及組成

系統(tǒng)采用近景攝影測(cè)量原理，由相機(jī)檢校獲取普通數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)方位元素和系統(tǒng)改正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字影像的內(nèi)定向；由經(jīng)緯儀獲取攝影測(cè)量像對(duì)的定向元素，在沒有控制點(diǎn)支持的情況下，實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量的相對(duì)、絕對(duì)定向；在定向基礎(chǔ)上，由攝影測(cè)量工作站軟件直接使用定向參數(shù)進(jìn)行攝影測(cè)量數(shù)據(jù)加工，獲得工點(diǎn)等目標(biāo)對(duì)象的等高線圖和數(shù)字模型。

系統(tǒng)的硬件是由普通數(shù)碼相機(jī)(非量測(cè)相機(jī))、Leica T2經(jīng)緯儀、安裝支架及三腳架等四部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)的信息處理流程是由檢校工程、圖像拍攝及攝影測(cè)量處理等三部分組成，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖1　近景攝影測(cè)量系統(tǒng)硬件

圖2　系統(tǒng)的信息處理流程

1.2　數(shù)字影像共線方程表達(dá)

數(shù)字近景攝影測(cè)量中，由于直接使用數(shù)字圖像，其原始像點(diǎn)觀測(cè)值為數(shù)字圖像坐標(biāo)，因此其共線方程與傳統(tǒng)的共線方程有一定差異，共線方程[3][5]如式(1)所示

(Rows-v-v0+Δv)·ky=

(1)

式中：ky為像素縱橫大小比即dy/dx，一般相機(jī)可以直接取1；f為像主距，如果將f/dx看做新的主距，其值表示主距的長度相當(dāng)于多少個(gè)像素的大??；ai，bi，ci(i=1，2，3)為旋轉(zhuǎn)矩陣元素，是外方位角元素(φ，ω，κ)的函數(shù)；(XS，YS，ZS)為攝站點(diǎn)空間坐標(biāo)；(X，Y，Z)為目標(biāo)點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；(Δu，Δv)為像點(diǎn)坐標(biāo)的系統(tǒng)誤差改正數(shù)。

在本模型中僅考慮了相機(jī)的鏡頭畸變差改正系數(shù)，鏡頭畸變差改正模型表示為

(2)

1.3　基于空間后方交會(huì)的數(shù)碼相機(jī)檢校

系統(tǒng)檢校功能包括相機(jī)檢校和相對(duì)關(guān)系檢校。相機(jī)檢校功能用于檢定普通非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，得到相機(jī)的內(nèi)方位元素(主點(diǎn)、主距)和成像系統(tǒng)改正參數(shù)(鏡頭畸變差改正系數(shù))；相對(duì)關(guān)系檢校用于檢定相機(jī)主光軸與經(jīng)緯儀視準(zhǔn)軸之間的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系參數(shù)。

檢校過程中，需分別架設(shè)兩個(gè)攝影點(diǎn)，構(gòu)成攝影基線，每次拍攝檢校相片時(shí)，都應(yīng)記錄經(jīng)緯儀測(cè)量得到的當(dāng)前位置與基線之間的水平角以及當(dāng)前垂直角。

檢校相片拍攝完成后，使用相機(jī)檢校軟件處理檢校相片，對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校。由于所有相片都由同一相機(jī)拍攝得到，相機(jī)的內(nèi)方位元素和鏡頭畸變差改正系數(shù)應(yīng)保持不變，所以在檢校計(jì)算過程中，使用多片空間后方交會(huì)進(jìn)行解算。

經(jīng)檢校，得到相機(jī)的內(nèi)方位元素、鏡頭畸變差改正系數(shù)以及相機(jī)相對(duì)于經(jīng)緯儀視準(zhǔn)軸的姿態(tài)角元素。

2軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1　軟件設(shè)計(jì)思路及工程建立

首先，新建工程，將外業(yè)拍攝影像、基站及檢查點(diǎn)坐標(biāo)及影像角度觀測(cè)值編緝導(dǎo)入工程；其次，檢查影像拍攝質(zhì)量，對(duì)拍攝角度值進(jìn)行偏差改正；最后，導(dǎo)出定向文件，在攝影測(cè)量軟件中進(jìn)行立體檢核，檢核無誤后整理輸出精確定向元素。數(shù)據(jù)后處理軟件設(shè)計(jì)思路及軟件工程建立界面如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)后處理軟件設(shè)計(jì)思路

2.2　觀測(cè)角度偏差改正

每一攝站在開始拍照前，將經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)某個(gè)明顯目標(biāo)(控制標(biāo)或者明顯地物)并拍照，記錄像片號(hào)、經(jīng)緯儀水平角、天頂角。數(shù)據(jù)后處理時(shí)，在檢校片中量取經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)目標(biāo)的像平面坐標(biāo)，并輸入距目標(biāo)的距離，軟件自動(dòng)計(jì)算影像觀測(cè)平角立角的偏差改正值(如圖4所示)。

圖4　觀察角度偏差改正

2.3　定向文件輸出及數(shù)據(jù)檢核

根據(jù)立體測(cè)圖軟件的接口需求，導(dǎo)出相應(yīng)格式的定向文件。

使用第三方攝影測(cè)量軟件(如LPS)逐基線建立工程，通過檢校片檢查絕對(duì)精度(立體量測(cè)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)相比較，重點(diǎn)檢查景深方向誤差)；要求X、Y軸方向誤差均小于2個(gè)像素(或<8 cm)，景深方向誤差小于6個(gè)像素(或<20 cm)。

通過同一站相鄰片重疊區(qū)域的符合情況檢查外業(yè)拍照及數(shù)據(jù)記錄精度。要求同站內(nèi)相鄰影像同名點(diǎn)偏差不超過1.5個(gè)像素。

3試驗(yàn)分析

利用檢校場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精密檢校，數(shù)據(jù)后處理時(shí)對(duì)試驗(yàn)區(qū)拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行角度偏差改正，然后利用該影像進(jìn)行前方交會(huì)實(shí)驗(yàn)，在立體模式下量測(cè)檢查點(diǎn)物方坐標(biāo)。將相片前方交會(huì)量測(cè)坐標(biāo)與檢查點(diǎn)全站儀量測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　地形檢查點(diǎn)坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)

對(duì)比24個(gè)地形點(diǎn)，立體量測(cè)平面中誤差為0.01 m左右，高程中誤差0.007 m左右，達(dá)到了較高的精度，可滿足1∶500比例尺工點(diǎn)地形測(cè)繪的關(guān)于山地平面位置中誤差0.4 m、高程中誤差0.5 m[6]精度要求。

4結(jié)束語

通過基于空間后方交會(huì)的數(shù)碼相機(jī)檢校和觀測(cè)角度偏差改正后，立體定向元素達(dá)到了較高的精度，可滿足工點(diǎn)地形測(cè)繪的精度要求。在面對(duì)陡峭的工點(diǎn)地形時(shí)，采用無需控制點(diǎn)的近景攝影測(cè)量方法，無需在待測(cè)區(qū)域架設(shè)測(cè)量標(biāo)志，無需攀爬陡峭山體；在大幅提高工作效率的同時(shí)，有效降低了外業(yè)作業(yè)的安全隱患。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：P234.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0018-03

作者簡介：第一鄧?yán)^偉(1986—)，男，2010年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，工程師。

基金項(xiàng)目：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司基金支撐項(xiàng)目(921316)

收稿日期：2015-05-04