應(yīng)用于數(shù)字近景攝影測量的可配置三維控制場

胡祥超 吳祖堂 朱寶良 郭 弦

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

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應(yīng)用于數(shù)字近景攝影測量的可配置三維控制場

胡祥超 吳祖堂 朱寶良 郭 弦

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

三維控制場是影響數(shù)字近景攝影測量技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效能的關(guān)鍵因素之一。提出了一種新穎的可用于數(shù)字近景攝影測量的三維控制場實(shí)現(xiàn)方法；研制了一套可應(yīng)用于地下工程圍巖變形監(jiān)測的便攜式精密三維控制場系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)可根據(jù)被測目標(biāo)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)配置控制場各控制點(diǎn)物方坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)控制場網(wǎng)型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有小型化、便攜化、快速化以及原位化等優(yōu)點(diǎn)；對控制場精度影響因素及對應(yīng)抑制措施進(jìn)行了分析；基于該裝置構(gòu)建了數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該三維控制場完全滿足地下工程圍巖變形監(jiān)測的應(yīng)用需求。

可配置三維控制場；數(shù)字近景攝影測量；圍巖變形監(jiān)測；控制場網(wǎng)形優(yōu)化

0 引言

地下工程結(jié)構(gòu)的變形測量直接涉及工程安全性問題[1-2]。基于非量測數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字近景攝影測量技術(shù)以其高性價(jià)比、易于實(shí)現(xiàn)、非接觸、無損和高效率等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程安全監(jiān)測領(lǐng)域有著其它測量手段不可替代的作用，已經(jīng)成為近年來工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[3-6]。然而由于非量測相機(jī)的內(nèi)方位元素未知且成像畸變較大等缺點(diǎn)，需要預(yù)先進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，在實(shí)際測量過程中一般也需要設(shè)定一些已知物方坐標(biāo)控制點(diǎn)，形成控制網(wǎng)從而將被測目標(biāo)引入控制網(wǎng)內(nèi)[7-8]。這些工作都需要建立高精度的三維控制場。圍巖變形監(jiān)測貫穿整個(gè)地下工程施工過程，這就對三維控制場的自身體積、安裝的快捷性以及現(xiàn)場的適應(yīng)性能提出了更高的要求[9-10]。目前，圍巖穩(wěn)定性的研究還是針對單一具體工程實(shí)例，三維控制場的建立多針對特定應(yīng)用場合，通用性不好，或因提前建立而對現(xiàn)場適應(yīng)性不好。針對以上原因，提出了一種可應(yīng)用于數(shù)字近景攝影測量的可配置三維控制場實(shí)現(xiàn)方法，據(jù)此建立的控制場系統(tǒng)裝置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境動(dòng)態(tài)配置控制場網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，具有小型化、便攜化、快速化以及原位化等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高地下工程圍巖變形數(shù)字近景攝影測量的工作效率，減少施工交叉干擾因數(shù)影響。

1 實(shí)現(xiàn)原理

1.1 目標(biāo)

為滿足地下工程圍巖收斂變形數(shù)字近景攝影測量的現(xiàn)場應(yīng)用需求，可配置式三維控制場應(yīng)該具有“系統(tǒng)體積小型化，攜帶運(yùn)輸便易化，系統(tǒng)安裝快速化以及現(xiàn)場應(yīng)用原位化”的總體特性。因此，需要在滿足應(yīng)用需求和系統(tǒng)精度的前提下，嚴(yán)格控制控制場體積，系統(tǒng)各配件便于拆卸運(yùn)輸且現(xiàn)場安裝方便快捷，最后應(yīng)能根據(jù)現(xiàn)場被測目標(biāo)特征快速配置三維控制場網(wǎng)型結(jié)構(gòu)以便于原位監(jiān)測應(yīng)用。

1.2 原理

依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)提出了一種可配置三維控制場的快速實(shí)現(xiàn)方法，如圖1所示，控制場由基板、標(biāo)識(shí)桿和標(biāo)識(shí)球三部分組成。其中，基板上均勻?qū)ΨQ分布有一定數(shù)量的控制孔，各控制孔直徑相同，均為m，控制孔之間的間距均為固定值k。標(biāo)識(shí)桿一端與控制孔螺紋連接，桿的高度為h，h非固定值可依據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇不同的數(shù)值，標(biāo)識(shí)桿另一端與標(biāo)識(shí)球螺紋連接，所有標(biāo)識(shí)球直徑相同，數(shù)值為d。標(biāo)識(shí)球圓心作為三維控制場的控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)相對物方空間位置可以直接通過控制孔位置與標(biāo)識(shí)桿高度確定，從而能夠快速提供三維控制場網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。

圖1 便攜式三維控制場實(shí)現(xiàn)原理示意圖

1.3 控制場網(wǎng)型的確定

三維控制場為近景攝影測量提供標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)，各控制點(diǎn)物方坐標(biāo)可依據(jù)實(shí)際需求靈活配置從而形成不同的控制場網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，控制場的三維坐標(biāo)系建立方法為以基板正中心的控制孔圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以基板平面為xoy平面建立空間直角坐標(biāo)系，各坐標(biāo)軸分布方向符合右手定則。以圖1中A點(diǎn)為例，其物方坐標(biāo)為x=-2×k、y=-1×k、z=h+d/2-p(p為連接球冠部位切削尺寸)，通過合理布置在各控制孔的標(biāo)識(shí)桿與標(biāo)識(shí)球，各控制點(diǎn)物方三維坐標(biāo)可馬上得到，則控制網(wǎng)型立即得到確定，從而能夠?yàn)閿?shù)字近景攝影測量技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用快速提供參考。

2 三維控制場實(shí)例

依據(jù)前面提出的可配置式三維控制場設(shè)計(jì)方法，結(jié)合地下工程施工實(shí)際情況并兼顧非量測數(shù)碼相機(jī)快速標(biāo)定與畸變校正需求，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于數(shù)字近景攝影測量的便攜式三維控制場系統(tǒng)裝置。該三維控制場具備精度高、重量輕、體積小、拆裝便捷以及長期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

2.1 控制場組成

可配置三維控制場的組成如圖2所示，主要由物理支撐部與坐標(biāo)控制部組成。物理支撐部的功能是為整個(gè)三維控制場系統(tǒng)提供承載支撐以及為坐標(biāo)控制部提供xoy平面物理約束基礎(chǔ)。坐標(biāo)控制部為控制場關(guān)鍵核心部分，其主要功能是形成各控制點(diǎn)相對物方空間坐標(biāo)嚴(yán)格精準(zhǔn)的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)，為數(shù)字近景攝影測量技術(shù)提供精密的三維控制場網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。其中，物理支撐部由三角架、底座、托板、支撐桿以及加強(qiáng)板(與坐標(biāo)控制部共用)組成；坐標(biāo)控制部由標(biāo)識(shí)球、標(biāo)識(shí)桿、精密微距調(diào)節(jié)裝置以及加強(qiáng)板組成(其實(shí)物如圖3所示)。控制點(diǎn)的xoy平面坐標(biāo)由加強(qiáng)板上的控制孔的分布位置實(shí)現(xiàn)，控制點(diǎn)的z坐標(biāo)由標(biāo)識(shí)桿的長度實(shí)現(xiàn)。在某些特殊應(yīng)用場合，為了提高控制場控制網(wǎng)型結(jié)構(gòu)精度，需要對部分控制點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)做細(xì)微調(diào)整，設(shè)計(jì)了精密微距調(diào)節(jié)裝置，由標(biāo)距球、定位塊以及調(diào)節(jié)螺桿組成(如圖3(c)所示)，依據(jù)需求通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿使得標(biāo)距球在定位塊徑向方向移動(dòng)，移動(dòng)距離可從定位塊側(cè)面的標(biāo)度尺上讀出，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)距球在細(xì)微尺度上的調(diào)節(jié)(這時(shí)以標(biāo)距球圓心代替標(biāo)識(shí)球圓心作為控制點(diǎn))。

圖2 可配置三維控制場組成

圖3 控制場關(guān)鍵配件實(shí)物圖

為提高數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在地下工程圍巖變形監(jiān)測應(yīng)用中的自動(dòng)化程度，對攝影照片的像方坐標(biāo)需要采用自動(dòng)提取，同時(shí)，為提高提取精度常采用亞像素定位技術(shù)。依據(jù)計(jì)算，為利于圖像目標(biāo)的亞像素定位(控制點(diǎn)像方坐標(biāo)提取)，在采用尺寸為20～30mm的標(biāo)示球，連接部位球冠弦長在10mm以內(nèi)，被測物體跨度在2m以上，并使用1800萬有效像素普通單反相機(jī)的前提條件下，如果標(biāo)示球相對位置精度控制在0.3mm以內(nèi)，對于基于直接線性變換算法的空間目標(biāo)坐標(biāo)解算精度的影響可以忽略。因此，在設(shè)計(jì)可配置三維控制場時(shí)，所有關(guān)鍵配件等都有嚴(yán)格的尺寸精度和形位公差的限制，以確?？傮w裝配公差控制在0.3mm以內(nèi)，滿足現(xiàn)場使用要求。

整個(gè)可配置三維控制場拆裝方便，攜帶運(yùn)輸時(shí)可依據(jù)坐標(biāo)控制部與物理支撐部分裝于兩個(gè)整理箱，而現(xiàn)場安裝時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求快速原位組裝成型，系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示，包含拆卸裝箱及組裝完畢兩種情形。

圖4 可配置三維控制場實(shí)物

本次三維控制場實(shí)例的機(jī)械設(shè)計(jì)以標(biāo)識(shí)球物方空間相對位置精度小于0.3mm為基本設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入，由機(jī)械設(shè)計(jì)以及機(jī)加工精度來保證，與裝配方式和裝配次數(shù)無關(guān)。三維精密控制場可作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具用于現(xiàn)場數(shù)字近景攝影測量工作中，一般來說，需要在一定時(shí)間范圍內(nèi)(例如一年)重新進(jìn)行標(biāo)定，以修正量具老化、操作損傷等原因?qū)е碌南到y(tǒng)誤差。

表1給出了控制場部分配件的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，其中標(biāo)識(shí)球的直徑為25mm，采用鋁合金和有機(jī)玻璃材料制作(如圖3(a)所示)以保證在不同應(yīng)用場合的物理參數(shù)的長期穩(wěn)定性。標(biāo)識(shí)桿長度提供了控制點(diǎn)在z方向上的尺度，因此，標(biāo)識(shí)桿長度越細(xì)分對控制場網(wǎng)形的優(yōu)化越有利，但由于加工難度、性價(jià)比以及系統(tǒng)體積等條件的制約，標(biāo)識(shí)桿長度必然為有限幾種，本次控制場實(shí)例中設(shè)計(jì)了300mm、500mm、700m、1000mm、1200mm、1500mm以及2000mm共計(jì)7個(gè)長度的標(biāo)識(shí)桿(如圖3(b)所示)，采用碳纖維材料制作，每個(gè)對應(yīng)長度標(biāo)識(shí)板數(shù)量為21個(gè)。加強(qiáng)板的控制孔提供控制點(diǎn)的xoy平面坐標(biāo)，因此控制孔的數(shù)量越多，孔間距越小越有利于控制場網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計(jì)，同標(biāo)識(shí)桿的設(shè)計(jì)思路一致，兼顧可行性等因素，最終設(shè)計(jì)的加強(qiáng)板中控制孔數(shù)量為21個(gè)，孔間距為100mm，由鎂合金材料制作(如圖3(d)所示)。精密微距調(diào)節(jié)裝置共設(shè)計(jì)21套保證在最大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)三維控制場控制點(diǎn)全部由標(biāo)距球?qū)崿F(xiàn)。

2.2 精度影響因素分析

可配置三維控制場的最終精度取決于設(shè)計(jì)、加工、材料、裝配以及應(yīng)用規(guī)范等五個(gè)環(huán)節(jié)?？膳渲萌S控制場的設(shè)計(jì)是以在標(biāo)準(zhǔn)流程指導(dǎo)下的裝配環(huán)節(jié)后各控制點(diǎn)的相對位置精度在0.3mm為設(shè)計(jì)輸入，逆向推導(dǎo)設(shè)計(jì)得出各裝配件的各項(xiàng)關(guān)鍵精度指標(biāo)為輸出(包含平行度、垂直度、表面粗糙度、各向度量精度等參見表1)。因此，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性決定了控制場系統(tǒng)最終的精度指標(biāo)，是首要前提與重點(diǎn)。各裝配件的加工精度必須高于等于設(shè)計(jì)輸出指標(biāo)以滿足設(shè)計(jì)需求，不可作讓步接收以免影響裝備最終精度?？刂茥U長度范圍較大，必須具備長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中選擇碳纖維、鎂合金、鋁合金等材料(參見表1)以滿足各裝配件在較大尺度范圍以及時(shí)間范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。裝配過程必須在標(biāo)準(zhǔn)流程的指導(dǎo)下完成，包含裝配過程順序、各裝配件配合等?？膳渲萌S控制場的現(xiàn)場應(yīng)用也必須符合相關(guān)的應(yīng)用規(guī)范，例如，裝配后的三維控制場必須在穩(wěn)定狀態(tài)(控制場網(wǎng)形穩(wěn)定)下才能開始整個(gè)測量過程等。

表1 控制場配件相關(guān)指標(biāo)參數(shù)

3 應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

基于設(shè)計(jì)的可配置式三維控制場建立了數(shù)字式近景攝影測量系統(tǒng)，如圖5所示，系統(tǒng)由Canon550D數(shù)碼相機(jī)、可配置三維控制場以及便攜式計(jì)算機(jī)組成?？膳渲萌S控制場提供精確物方孔間控制網(wǎng)，并將被測物點(diǎn)引入網(wǎng)中；數(shù)碼相機(jī)用于捕獲被測物圖像，由USB總線傳遞至運(yùn)行于便攜式計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)(獨(dú)立研制的SmartDMS圍巖變形檢測系統(tǒng))；軟件平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的后處理工作，包含像點(diǎn)提取、亞像素定位、圖像噪聲濾除以及被測物點(diǎn)物方坐標(biāo)解算等工作。系統(tǒng)采用直接線性變換算法實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)相關(guān)參數(shù)測量，通過左右攝站的兩幅圖像直接完成測量與相機(jī)的標(biāo)定工作。

圖5 數(shù)字式近景攝影測量系統(tǒng)

3.2 測試實(shí)驗(yàn)

利用建立的測試系統(tǒng)，在西北某地下工程隧道作了圍巖變形現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)，通過分別求解固定于隧道圍巖兩側(cè)壁錨桿上的標(biāo)志的空間坐標(biāo)間接得到隧道圍巖兩標(biāo)志點(diǎn)測線之間的距離。測線的真實(shí)值為8812.7mm，由高精度全站儀預(yù)先獲取。依據(jù)現(xiàn)場測試環(huán)境，現(xiàn)場對三維控制場的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了配置，測試實(shí)驗(yàn)重復(fù)8次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)羅列在表2中。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，基于可配置三維控制場建立的隧道圍巖變形數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)的相對測量誤差優(yōu)于0.1×10-3，絕對測量誤差在1mm以下，完全滿足現(xiàn)場圍巖變形監(jiān)測的應(yīng)用需求。

表2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (mm)

4 結(jié)論

三維控制場是影響數(shù)字近景攝影測量技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。提出的可配置三維控制場實(shí)現(xiàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)控制場的小型化、便攜化、快速化以及原位化，據(jù)此設(shè)計(jì)的可配置三維控制場系統(tǒng)可依據(jù)現(xiàn)場測量應(yīng)用需求快速配置控制場網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，可有效提高系統(tǒng)測量精度和測量工作效率?？膳渲萌S控制場的最終精度取決于設(shè)計(jì)、加工、材料、裝配以及應(yīng)用規(guī)范等五個(gè)環(huán)節(jié)，通過各個(gè)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格把關(guān)能夠保證控制場的設(shè)計(jì)精度指標(biāo)以及現(xiàn)場應(yīng)用的精度需求。基于建立的圍巖變形數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)在現(xiàn)場開展的測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也證明了可配置三維控制場系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用的可行性，精度較高，完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

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