三維數(shù)據(jù)采集中近景攝影測量的應(yīng)用

阮芳

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近景攝影測量的應(yīng)用越來越廣泛，目前近景攝影測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程，航空航天技術(shù)，汽車制造，醫(yī)學(xué)，古建筑與古文化研究，考古等領(lǐng)域。文章主要討論了幾種三維數(shù)據(jù)采集時(shí)近景攝影測量技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)據(jù)采集；近景攝影；測量

1 近景攝影測量系統(tǒng)構(gòu)成

（1）檢查過的兩個(gè)碳纖維尺兩個(gè)，碳纖維尺兩端的白色編碼點(diǎn)有嚴(yán)格的尺寸要求。（2）非測量相機(jī)尼康D300S24mm定焦鏡頭，1200萬像素。（3）用于攝影位置編碼點(diǎn)和幾個(gè)定位十字。（4）TRITOP軟件。之所以無法跟測量相機(jī)一樣進(jìn)行內(nèi)、外方位定位、對象（即非代碼點(diǎn)）的定位必須依靠人工定義的特殊圖形即編碼的識別點(diǎn)才能完成，因?yàn)闇y量相機(jī)的使用。

下面以德國GOM公司的TRITOP光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行說明，如圖1所示。

2 近景攝影成像原理

通過攝影手段以確定目標(biāo)外形的測量方法稱為近景攝影測量。相機(jī)的姿態(tài)定位及數(shù)字照片的定位是近景攝影的關(guān)鍵技術(shù)，其定位方式直接關(guān)系到相機(jī)的成像精度。目前市場上技術(shù)成熟的非量測攝影系統(tǒng)有AICON公司的德通社-pro系統(tǒng)、德國GOM公司的TRITOP系統(tǒng)等。使用非量測攝影系統(tǒng)進(jìn)行三維定位點(diǎn)構(gòu)建時(shí)，經(jīng)常使用形如圖2所示的非編碼點(diǎn)和編碼點(diǎn)的人工標(biāo)識，方便于軟件在定位解算時(shí)識別，是因?yàn)榉橇繙y攝影系統(tǒng)不具備專業(yè)量測攝影系統(tǒng)的定位框標(biāo)，無法進(jìn)行相片的內(nèi)方位元素和外方位元素的定位，二維圖像重建廣場空間是近景攝影測量的主要任務(wù)，這是圖像形成的反過程。

近景攝影測量中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有三種，對物體進(jìn)行三維測量可以利用坐標(biāo)變換和內(nèi)、外方位定位及共線方程，能夠解算出物方點(diǎn)坐標(biāo)。由于對攝影精度要求較為苛刻，為了確保攝影精度，在近景攝影測量中，常常使用多重交向攝影技術(shù)對被測物體進(jìn)行測量。通過一點(diǎn)多角度多次攝影，就能達(dá)到較高測量精度。多攝站式交向攝影。超過兩次對同一點(diǎn)的攝影，有利于被測物體精度的提高和軟件解算的穩(wěn)定性。但是一般兩次不同角度的重復(fù)攝影即可完成物方點(diǎn)的定位。對于TRITOP攝影系統(tǒng)按德國VDI/VDE2634標(biāo)準(zhǔn)方法檢測精度可達(dá)0.0125mm/m。

3 近景測量的主要應(yīng)用

3.1 古代建筑物或者遺址的精密測繪

古代建筑一般都經(jīng)歷了成千上萬年的歷史，由于自然和人為的破壞，保護(hù)和修復(fù)工作顯得尤為重要。無論是國內(nèi)還是國外，越來越多的古建筑古遺址修復(fù)工作正在展開。目前傳統(tǒng)的建筑古老的歷史記錄測量的方法主要有：直接測量法、免棱鏡全站儀測量法、三維影像掃描法。每種測量方法都或多或少存在缺點(diǎn)。直接量測法的缺點(diǎn)是要直接接觸，容易造成建筑物損壞，而且該方法效率低下，容易出現(xiàn)人為的誤差精度不高。免棱鏡全站儀測量雖然不用直接接觸，避免對建筑物的破壞但是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)精度不高。傳統(tǒng)的測量方法很難準(zhǔn)確地衡量古建筑的整體結(jié)構(gòu)條件下，如列和光束傾斜，彎曲梁和方舟子，框架的傾斜和沉降等。使用傳統(tǒng)建筑測量只能測量記錄一個(gè)接一個(gè)，只要有輕微的疏漏就很難完整的表達(dá)，不能依照整個(gè)測量過程。使用現(xiàn)代的近景攝影測量手段可以更好地解決問題。

3.2 建筑物變形的測量

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的建筑物和橋梁在各地陸續(xù)建起，在建設(shè)的過程中以及建成后我們都需要對建筑物的變形進(jìn)行觀測。與其他測量工作相比，變形監(jiān)測要求的精度比較高，并且要求一定頻率的重復(fù)觀測建筑物上布置的變形監(jiān)測點(diǎn)。獲得監(jiān)測點(diǎn)的三維（X，Y，Z）位移變化。建筑物變形監(jiān)測的主要方法有三種：地面監(jiān)測技術(shù)、GPS監(jiān)測方法、近景攝影測量法。[5]

3.3 現(xiàn)場視覺及工業(yè)制造的精密測量

這幾年來，伴隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，也對精密測量技術(shù)提出了新要求。先進(jìn)制造必備的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在工業(yè)現(xiàn)場使用精密三維坐標(biāo)測量技術(shù)。在工業(yè)上，為了得到被測物體準(zhǔn)確的表面尺寸（監(jiān)測項(xiàng)目的三維數(shù)據(jù)），通常使用投影光柵掃描設(shè)備。提高三維測量精度最有效的方式是使用近景攝影測量方法建立具有非編碼點(diǎn)群的三維測量?；跍y量汽車外表面為例，表達(dá)的近景攝影測量原理和使用方法，提出了以實(shí)現(xiàn)大尺寸物體的精確測量而使用近景攝影測量投影和光柵掃描方法的組合。結(jié)果表明，三維數(shù)據(jù)采集使用近景攝影測量方法不僅在很大程度上提高大尺寸物體的掃描精度，而且提高掃描效率。近景數(shù)字?jǐn)z影視覺測量技術(shù)是一個(gè)專注于精密測量技術(shù)的研究和應(yīng)用，用于精密測量，基于數(shù)字成像和攝影、圖像處理和精密測量原理的基礎(chǔ)上，一種新型的精密測量技術(shù)。傳統(tǒng)的通用三維精密測量儀器（CMM）一般不能應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，只能用于特殊的測量環(huán)境，因?yàn)闇y量儀將受到線性導(dǎo)軌運(yùn)動的條件。最近開發(fā)了各種不同類型的三維精密測量技術(shù)和設(shè)備，以適應(yīng)制造技術(shù)的進(jìn)步，如：近景數(shù)字?jǐn)z影、激光跟蹤干涉測量系統(tǒng)，視覺測量系統(tǒng)基于機(jī)器人柔性坐標(biāo)測量系統(tǒng)，等等。

4 近景攝影測量一般流程

在工業(yè)三維數(shù)據(jù)采集的過程中，只要遵守一定的操作流程就能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。但是不當(dāng)?shù)牟僮髁鞒虝o數(shù)據(jù)采集帶來不可預(yù)知的測量誤差。近景攝影測量的一般流程如下：第一，規(guī)劃測量意圖：確定測量方案，比例尺放置在恰當(dāng)?shù)奈恢?。第二，選擇適宜的工作環(huán)境：盡量不在強(qiáng)光和振動的環(huán)境下進(jìn)行測量，溫度20°為宜。第三，被測物體預(yù)處理：此過程一般涉及三個(gè)方面：（1）被測物體表面要貼上白色非編碼定位點(diǎn)；（2）將白色顯影劑噴涂在被測物體表面；（3）放置編碼點(diǎn)。第四，近景攝影的測量：初始攝站位置需正對一根比例尺用來拍攝4副兩兩相互成90°夾角的相片，使用相機(jī)在距離被測物2m左右的地方進(jìn)行多攝站拍片，完成相機(jī)標(biāo)定。第五，照片處理：與TRITOP軟件對整個(gè)拍的全部相片綁定，得出三維框架。第六，數(shù)據(jù)收集：定位的三維框架進(jìn)行基于3d的掃描對象，得出符合測量精度的三維點(diǎn)云。

5 結(jié)束語

我們提出利用多重交向攝影的近景攝影測量方法，就是使用特殊人工標(biāo)識，為提高大尺寸物體光柵投影掃描的精度，通過編碼點(diǎn)即普通非量測攝像機(jī)，將解算結(jié)果利用于光柵投影掃描設(shè)備，并對非編碼點(diǎn)建構(gòu)三維空間尺寸，得到符合測量精度的密集點(diǎn)云。事實(shí)證明，此方法不僅實(shí)現(xiàn)了物體的高精度測量，而且又提高了掃描效率。關(guān)于近景攝影測量的現(xiàn)行趨勢是：能不斷滿足低、中、高以及超高精度的工作要求，發(fā)展模塊完整數(shù)據(jù)歸算系統(tǒng)?？傊?，根據(jù)現(xiàn)行活動的情況和暗中隱現(xiàn)的趨勢來看，近景攝影測量將會應(yīng)用到越來越多的行業(yè)和地方，為我們的生活和工作帶來便捷。

參考文獻(xiàn)

[1]張德海.大型復(fù)雜曲面產(chǎn)品近景工業(yè)攝影測量系統(tǒng)開發(fā)[J].光電工程，2009，36（5）：122-128.

[2]馮文灝.近景攝影量測[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T12979-2008.近景攝影測量規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]蓋紹彥，達(dá)飛朋.光柵投影三維精密測量[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[5]林勛.建筑物變形監(jiān)測的綜合研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，6（2）：45-48.