近景攝影測量系統(tǒng)在相似模型位移監(jiān)測中精度分析

朱慶偉，信泰琦，孫學(xué)陽

(1.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

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近景攝影測量系統(tǒng)在相似模型位移監(jiān)測中精度分析

朱慶偉1，信泰琦1，孫學(xué)陽2

(1.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

[摘要]針對相似材料模型試驗(yàn)現(xiàn)有觀測方法所存在的工作量大、自動化程度低等缺點(diǎn)，采用近景攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行相似材料模型試驗(yàn)的位移觀測；分析了拍攝光照環(huán)境、拍攝位置、觀測距離及布點(diǎn)方案等因素對近景攝影測量系統(tǒng)解算精度的影響。通過試驗(yàn)得到了最佳數(shù)據(jù)采集方案，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的解算精度，是相似材料模型位移觀測的有效方法。

[關(guān)鍵詞]近景攝影測量；相似材料模型；位移監(jiān)測；開采沉陷

開采沉陷是使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到破壞的直接原因，為避免開采沉陷災(zāi)害必須有效地控制和減輕地表沉陷程度[1]。相似材料模型試驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ)，是研究地下采礦引起巖層破壞及地表變形的重要方法[2-4]。位移的測量是相似材料模型試驗(yàn)的主要觀測內(nèi)容，是分析原型力學(xué)行為的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的模型觀測方法一般分為物理測量或機(jī)械測量方法，通常存在觀測裝置或傳感器安裝麻煩、工作量大、采樣點(diǎn)有限、損壞模型等缺點(diǎn)[5-7]。如插針法、反射儀法、顯微鏡法、燈光透鏡法、用鋼板尺、百分表、精密水準(zhǔn)儀等，只能觀測一個方向的位移[8-11]；傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀或全站儀等儀器外業(yè)工作量大，有很大的局限性且測量精度較低[12]；三維激光掃描新技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用于三維實(shí)體測量中，但其坐標(biāo)測定精度僅為±(1～2)mm，難以達(dá)到模型試驗(yàn)的精度要求[13-14]。

本文所使用的近景攝影測量系統(tǒng)(XJTDP)由西安交通大學(xué)自主研發(fā)，可以精確地獲得離散目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[15]。但是在相似材料模型試驗(yàn)變形測量中，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果的整體精度有待提高。本文對影響系統(tǒng)解算精度的不同因素進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并得出了最佳的數(shù)據(jù)采集方案，從而為巖層移動和地表變形規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識提供支持。

1近景攝影測量原理

近景攝影測量系統(tǒng)是用一個數(shù)碼單反相機(jī)從不同的觀察角度拍攝被測物體的多幅圖片，然后檢測圖片的所有相關(guān)目標(biāo)點(diǎn)，通過相關(guān)算法自動計算圖片中的標(biāo)志點(diǎn)和物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。該系統(tǒng)由專業(yè)相機(jī)、軟件系統(tǒng)、高精度標(biāo)尺和標(biāo)志點(diǎn)組成。攝影測量的基礎(chǔ)是透視幾何理論，它是通過拍攝的圖片采用前方交會方法來計算三維空間中被測物幾何參數(shù)的一種測量手段，其原理見圖1。

圖1　多幅拍攝標(biāo)志點(diǎn)的前方交會示意

2精度影響因素的研究

為了研究各種因素對近景攝影測量系統(tǒng)解算精度的影響，需對每個變量都做相應(yīng)的相似材料模型試驗(yàn)，但是在實(shí)際條件中是不現(xiàn)實(shí)的，因此本文設(shè)計了如圖2所示模型，長度2.5m，高1.2m。試驗(yàn)時均采用此模型及布設(shè)方案，除改變要分析的影響因素外，其余參數(shù)均不變。

圖2　模型設(shè)計及布設(shè)方案

近景攝影測量系統(tǒng)的影響因素多種多樣，本文從拍攝光照環(huán)境、拍攝位置、拍攝距離、布點(diǎn)方案等方面進(jìn)行分析，分別比較了各種情況下系統(tǒng)的解算精度。

2.1拍攝光照環(huán)境對精度影響分析

變形監(jiān)測與沉陷工程實(shí)驗(yàn)室位于地下停車場，自然光無法照射進(jìn)來，只能采用燈光照明。由于室內(nèi)采用LED燈管進(jìn)行照明，因此光照的均勻程度可能對照片質(zhì)量影響較大。在其他條件不變的情況下，分別在自然光和室內(nèi)照明條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用近景攝影測量系統(tǒng)解算后的精度結(jié)果見圖3。

圖3　不同光照條件下系統(tǒng)精度對比

從圖3中可以看出在其他條件都相同的情況下，只改變光照條件時其模型的觀測精度存在一定的差異。室內(nèi)照明條件下近景攝影測量系統(tǒng)的中誤差均小于1mm，而自然光照條件下的系統(tǒng)中誤差均小于0.3mm；因此在自然光照條件拍攝時，系統(tǒng)中誤差均小于室內(nèi)照明條件下的系統(tǒng)中誤差，且自然光照條件下系統(tǒng)中誤差分布更均勻，也就是說近景攝影測量系統(tǒng)的解算結(jié)果更穩(wěn)定。因此要選擇光照明亮且均勻的環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，以便取得可靠性較高的原始數(shù)據(jù)。

2.2不同拍攝位置的精度影響分析

拍攝相片之間的角度不同影響近景攝影測量系統(tǒng)的相對定向精度，從而影響標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)的重建精度。因此分組從不同拍攝角度來采集照片進(jìn)行解算分析，以便得出近景攝影測量系統(tǒng)對相似材料模型試驗(yàn)的最佳觀測方案。

試驗(yàn)共設(shè)計了5種拍攝方案，按攝站數(shù)量進(jìn)行區(qū)分：2個攝站，在相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼胺街虚g一層，使2個拍攝位置與模型中心所成夾角為60°處進(jìn)行攝站，見圖4(a)；4個攝站，在2個攝站的基礎(chǔ)上將其分為上下2層進(jìn)行拍攝，見圖4(b)；6個攝站，共分2層，每層的3個拍攝位置與模型中心的連線將平面均分為4份，即2個攝站與模型中心連線的夾角呈45°，中間的拍攝位置正攝模型，見圖4(c)；9個攝站，分上中下3層，其中中間一層為正攝模型進(jìn)行拍攝，每層之間與模型中心連線的夾角呈45°，見圖4(d)；15個攝站，從相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕戏礁┮暶總€相鄰攝站與模型中心連線的夾角呈30°，共分上中下3層，其攝站形式與圖4(d)類似。

圖4　不同攝站示意

按照以上所述的拍攝方案進(jìn)行照片的獲取，然后用近景攝影測量系統(tǒng)解算得到8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并制作散點(diǎn)圖(圖5)。

圖5　不同拍攝位置的系統(tǒng)解算精度對比

從圖5中可以很直觀地看出，系統(tǒng)的中誤差隨著攝站數(shù)目的增加逐漸減小。當(dāng)從9個攝站增加到15個攝站時，其精度已基本保持不變，說明在本實(shí)驗(yàn)中9個攝站的精度已較高，無需再用15個攝站進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。這樣既保證了數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量，又節(jié)省了一定工作量，有助于提高工作效率。若模型較大時，應(yīng)該采取攝站較多的拍攝方式以獲得更多的照片便于數(shù)據(jù)拼接求解。

2.3不同觀測距離的精度影響分析

觀測距離的遠(yuǎn)近通過影響單次數(shù)據(jù)采集時照片拍攝張數(shù)以及照片質(zhì)量從而影響觀測結(jié)果的解算精度。當(dāng)采用較小的觀測距離時，由于單幅照片拍攝范圍較小，觀測整個模型時所需照片張數(shù)較多，照片拼接精度將會降低系統(tǒng)的解算精度；如果采用較遠(yuǎn)的觀測距離，單幅照片拍攝范圍變大，整體拍攝照片張數(shù)會減少，但遠(yuǎn)距離的觀測對標(biāo)志點(diǎn)識別的誤差也隨之增大，從而影響觀測結(jié)果的解算精度。因此，觀測距離是否恰當(dāng)是影響照片拍攝質(zhì)量的一個重要因素，需要進(jìn)行試驗(yàn)對比分析。

最佳觀測距離試驗(yàn)過程如下：首先將相機(jī)對焦模式調(diào)到手動對焦模式，使相機(jī)的其他參數(shù)保持不變，只改變相機(jī)與模型之間的拍攝距離，對同一模型采用相同的觀測方法，分別選擇2m，3m，4m，5m和6m共5個位置采集模型表面觀測點(diǎn)的照片信息。2m的觀測距離是指每次觀測時第一張照片拍攝時的距離，即每次模型觀測時定焦的距離，其余照片的拍攝距離設(shè)置在2m左右；相應(yīng)的對于3m，4m，5m及6m的定焦距離均為其對應(yīng)數(shù)值，其觀測距離都在定焦距離附近。數(shù)據(jù)采集后系統(tǒng)解算的結(jié)果如圖6所示。

圖6　各觀測距離中誤差散點(diǎn)

根據(jù)圖6分析可得，每個固定觀測距離處的系統(tǒng)解算數(shù)據(jù)的精度大體位于一定范圍內(nèi)。隨著攝站距離由近到遠(yuǎn)，近景攝影測量系統(tǒng)的解算精度先減小后增大，在4～5m之間獲得最小中誤差，即系統(tǒng)精度最佳。得出的最佳觀測距離可為以后其他模型的數(shù)據(jù)采集提供可靠的理論支撐。

2.4不同布點(diǎn)方案的精度影響分析

編碼點(diǎn)數(shù)量剛能滿足近景攝影測量系統(tǒng)解算要求時，一般無法達(dá)到精度要求，適當(dāng)增加編碼點(diǎn)數(shù)量可以提高模型的解算精度，但是過多地增加控制點(diǎn)的數(shù)量，不僅不會顯著提高解算精度，反而會增加計算時間，降低工作效率[16]。為了探究編碼點(diǎn)數(shù)目對近景攝影測量系統(tǒng)解算精度的影響，分別布置了不同數(shù)目的編碼點(diǎn)及布設(shè)方案，進(jìn)行了一組試驗(yàn)，通過系統(tǒng)解算結(jié)果見圖7。

圖7　編碼點(diǎn)數(shù)目對系統(tǒng)精度的影響統(tǒng)計

由圖7可以看出，隨著編碼點(diǎn)數(shù)量的增加，近景攝影測量系統(tǒng)的解算精度也在逐步提高。但是，當(dāng)編碼點(diǎn)數(shù)量增加到14個以上時，其精度的提高并沒有那么明顯了。因此，當(dāng)編碼點(diǎn)數(shù)量為14個時系統(tǒng)解算精度即可達(dá)到要求?？梢?，編碼點(diǎn)數(shù)量的增加能在一定程度上提高物方坐標(biāo)的解算精度，但并不是編碼點(diǎn)數(shù)量越多，精度就越好，而是有限度的，過多的布設(shè)控制點(diǎn)，不僅不能更好地改善精度，而且還會增大外業(yè)和內(nèi)業(yè)的處理工作，而且過多地布設(shè)編碼點(diǎn)還會受外界環(huán)境條件的限制。

3結(jié)論

通過對拍攝光照環(huán)境、拍攝位置、觀測距離及布點(diǎn)方案對近景攝影測量系統(tǒng)解算精度的影響的探討分析，得出以下結(jié)論：當(dāng)拍攝光照環(huán)境明亮、均勻時有利于獲取清晰的照片；9個分布勻稱的拍攝位置即可采集足夠精度的照片數(shù)據(jù)；相機(jī)與被測物體的最佳拍攝距離為4～5m；在相似材料模型的位移觀測面布設(shè)14個左右的編碼點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可使近景攝影測量系統(tǒng)的解算精度達(dá)到一定要求。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析得到了相似材料模型試驗(yàn)位移監(jiān)測的最佳數(shù)據(jù)采集方案，從而提高了近景攝影測量系統(tǒng)的解算精度并使其更加穩(wěn)定，為模型力學(xué)行為的分析提供了有力支持。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Displacement Monitoring Precision of Similarly Model with Close-range Photogrammetry System

ZHU Qing-wei1，XIN Tai-qi1，SUN Xue-yang2，

(1.Surveying Science & Technology College，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Geological & Environment College，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract：In order to solve the problems of heavy workload and low automation of traditional surveying method in similarly material model experiment，close-range photogrammetry system was used to displacement monitoring in similarly material model experiment，some factors that influenced calculation precision of close-range photogrammetry were analyzed，which included luminous environment，position，surveying distance and points distribution scheme and so on.The best data collection scheme was put forward after experiment，the calculation precision was improved future，it was an effective method for displacement monitoring of similarly material model experiment.

Key words：close-range photogrammetry；similarly material model；displacement monitoring；mining subsidence

[收稿日期]2015-08-19

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272388)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JM5194)

[作者簡介]朱慶偉(1975-)，男，陜西西安人，副教授，博士(后)，主要從事開采沉陷方面教學(xué)與科研工作。

[中圖分類號]TD173.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0106-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.028

[引用格式]朱慶偉，信泰琦，孫學(xué)陽.近景攝影測量系統(tǒng)在相似模型位移監(jiān)測中精度分析[J].煤礦開采，2016，21(2)：106-108，113.