近景攝影測量在路面監(jiān)測的精度研究

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(1.上海交通大學 土木工程系，上海 200240； 2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測主要采用大地測量方法，但是大地測量方法也有著一些缺點：首先，量測速度較慢，不能在短時間內(nèi)完成多個變形點的量測；其次受現(xiàn)場條件的限制大，在一些空間位置狹小，光線不充足的情況下無法完成作業(yè)；此外，利用全站儀實施高精度測量活動需架設棱鏡，這在許多情況下難以實現(xiàn)，且耗費大量人力物力?，F(xiàn)在傳統(tǒng)測量方法有所進步[1-2]，但近景攝影測量具有一些傳統(tǒng)測量所不具有的特點：可以瞬間獲取被測物體的很多物理信息和幾何信息、不接觸測量目標，不影響被測物自然狀態(tài)，可在惡劣條件下作業(yè)，作業(yè)速度快[3-4]。

隨著普通數(shù)碼相機的發(fā)展，使得在現(xiàn)場獲取影像快捷簡單，而且滿足近景攝影測量對軟件和技能的要求。多基線近景攝影測量Lensphoto v2.0系統(tǒng)，運用普通單反相機獲取所需要區(qū)域的影像，對所獲取的影像進行快速三維建模，原則上用4個控制點就可以完成所拍攝區(qū)域的精確測量和建模[5]。目前，近景攝影測量在邊坡變形監(jiān)測、大比例尺測圖、三維建模等[6-9]方面的應用較多，而且精度也較高，但是在路面變形監(jiān)測的應用研究較少。近景攝影測量應用于路面監(jiān)測中，可以提供大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，為信息化施工提供依據(jù)。以多基線近景攝影測量Lensphoto v2.0系統(tǒng)在路面監(jiān)測的應用為例，通過校內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，探討其影響因素及精度。

1 Lensphoto數(shù)據(jù)處理流程

利用普通定焦數(shù)碼相機，按照近景攝影測量的拍攝要求，對測區(qū)路面拍攝照片，將控制點的坐標與攝影測量豐富的影像結合起來建立空間關系，通過多光線前方交會及區(qū)域網(wǎng)平差，自動生成被測對象的匹配點和基于影像的密集三維坐標點點云[10]。通過少量控制點的三維空間坐標及其對應的像點坐標所建立的空間關系為

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圖1 作業(yè)流程圖

式中,(X，Y，Z)為像點在攝影測量坐標系中的坐標;(XS，YS，ZS)為攝影中心在地面攝影測量坐標系中的坐標;(x，y)為像點在像空間坐標系中的坐標;f為相機焦距;(a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3)為外方位角元素。 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要流程包括:建立工程文件、導入像片數(shù)據(jù)、空三匹配、控制點量測、區(qū)域網(wǎng)平差、立體編輯、DEM編輯，最后進行立體測圖，作業(yè)流程見圖1。

2 基于Lensphoto的路面變形監(jiān)測試驗

2.1 相機檢校

在進行試驗之前要對相機進行檢校，相機檢校只需利用計算機屏幕設置軟件給出的網(wǎng)格，操作方便，網(wǎng)格如圖2。相機檢校的目的是解算出相機的內(nèi)方位角元素：像主點坐標x0、y0，相機焦距f，畸變參數(shù)k1、k2、p1、p2。

具體步驟如下：將數(shù)碼相機焦距調(diào)至無窮遠，并且相機調(diào)整為手動變焦；曝光方式根據(jù)個人習慣拍照方式和實際環(huán)境進行調(diào)制；電腦屏幕的分辨率調(diào)整到最大分辨率；格網(wǎng)大小可以根據(jù)相機距電腦屏幕的距離遠近進行調(diào)整，通過鼠標右鍵來調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)；在屏幕前5個不同空間位置上(前方左上、前方右上、正前方、前方左下、前方右下)拍攝5幅影像。

本文檢校28 mm和50 mm兩個鏡頭，照片拍攝完成后，進入預處理的相機檢校模塊，加載影像，進行相機檢校，檢校結果如圖3。所用相機為canon ds126201，兩個鏡頭獲取的相機參數(shù)結果如表1所示。

圖2 網(wǎng)格圖

圖3相機檢校結果

表1 相機檢校結果

2.2 監(jiān)測試驗方案

試驗中采用canon ds126201數(shù)碼相機對路面進行拍照，拍照方式為平行多基線攝影，采用Lensphoto v2.0進行有關的數(shù)據(jù)處理。路面選取距離10 m，在兩端及中間各布設2個控制點，共6個控制點，中間布設5個監(jiān)測點，用中維ZT80全站儀采用自由設站，來量測點的坐標，監(jiān)測點坐標如表2。

表2 監(jiān)測點坐標 m

為找出最佳的拍照參數(shù)，運用正交試驗的方法做試驗，正交試驗法是指安排組織試驗的一種科學方法，它利用一套規(guī)格化的表格，即正交表來設計試驗方案和分析試驗結果，能夠在很多的試驗條件中，選出少數(shù)幾個代表性強的試驗條件，并通過這幾次試驗的數(shù)據(jù)，找到較好的生產(chǎn)條件，即最優(yōu)的或較優(yōu)的方案。根據(jù)正交試驗方法的思路，考慮到試驗路面的實際情況，距離太遠，鏡頭和地面夾角就要加大，范圍太廣，而且相機支架高度受限制，所以本試驗用焦距28 mm的鏡頭，選取鏡頭和地面夾角40°和30°，拍攝高度1.45 m、1.50 m和1.55 m，拍攝距離0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m，按正交試驗為24組照片，但是按實際情況有7組不能把控制點拍攝進入，因此共17組影像。焦距50 mm鏡頭拍攝一組，經(jīng)軟件處理自檢校出問題，不能生成點云，各組的拍攝參數(shù)如表3。

表3 拍攝參數(shù)

2.3 拍攝距離對精度的影響

選取3組、6組、9組和12組影像，拍攝角度均為40°，高度均為1.55 m，只有拍攝距離不同，用軟件進行處理，得出點云和監(jiān)測點坐標。12組點云見圖4，監(jiān)測點坐標精度用軟件得出的坐標與用全站儀測得坐標之差來比較，拍攝距離引起的坐標誤差見圖5。

從圖5可以看出隨距離減小誤差也減小，9組的坐標誤差最小，整體誤差在毫米級；12組誤差也比較大，分析原因是距離太近而角度較大造成誤差較大。

圖4 12組點云圖

圖5 拍攝距離引起的坐標誤差

2.4 拍攝角度對精度的影響

先選取8組和13組影像作對比，拍攝距離均為0.5 m，高度均為1.50 m，拍攝角度分別為40°和30°，用軟件進行處理，得出點云和監(jiān)測點坐標。8組影像生成點云如圖6，拍攝角度引起坐標誤差如圖7。

圖6 8組點云圖

圖7 拍攝角度引起的坐標誤差(拍攝距離為0.5 m)

由圖7可以看出13組影像誤差值的整體水平比8組影像誤差值的整體水平高，13組最大誤差為-0.025 6 m，但是誤差也比較大。下面選用11組和16組影像做對比，拍攝角度引起的坐標誤差見圖8。

由圖8可以看出，在高度為1.50 m，拍攝距離為0.3 m時，隨角度減小，誤差明顯減小很多，其中16組的最大誤差為-0.005 6 m。

圖8 拍攝角度引起的坐標誤差(拍攝距離為0.3 m)

2.5 拍攝高度對精度的影響

由上可以看出拍攝距離為0.3 m，角度為30°是誤差較小，因此選用15組、16組和17組影像作對比，拍攝距離均為0.3 m，拍攝角度均為30°，高度分別為1.45 m、1.50 m和1.55 m，用軟件進行處理，得出點云和監(jiān)測點坐標。17組影像生成點云見圖9，15組和17組監(jiān)測點坐標誤差見圖10，16組影像坐標誤差見圖8。

圖9 17組點云圖

圖10 拍攝高度引起的坐標誤差

由圖10可以看出17組影像，即拍攝距離為0.3 m，拍攝角度為30°，拍攝高度為1.55 m，經(jīng)軟件處理，所得誤差最小，誤差在-0.001 6～0.001 1 m之間。

由以上試驗結果分析可知，隨拍攝距離減小，誤差越小，精度越高；隨拍攝角度減小，誤差越小，精度越高；隨拍攝高度增加，誤差越小，精度越高。最后可以得出，拍攝距離0.3 m，拍攝角度30°，拍攝高度1.55 m時，誤差最小，精度最高。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 現(xiàn)場拍攝

現(xiàn)場試驗測區(qū)為行政中心站到園博園站的盾構區(qū)間，檢驗近景攝影測量在盾構掘進過程中路面監(jiān)測的精度。在2017年1月2號和2017年1月6號，分兩次，共兩個斷面進行試驗。根據(jù)現(xiàn)場路面情況選擇在盾構中心上方地表處為起點，道路的另外一邊為終點，約15 m。

攝影采用canon ds126201數(shù)碼相機，焦距28 mm的鏡頭，根據(jù)校內(nèi)試驗結論，選用拍攝距離0.3 m，拍攝角度30°，拍攝高度1.55 m；現(xiàn)場使用的全站儀為徠卡TCA1800全站儀，每個斷面6個控制點，4個監(jiān)測點。現(xiàn)場測點為粘貼的反光片，攝影容易獲得較好的影像。

3.2 數(shù)據(jù)處理

兩次全站儀測量與近景攝影測量獲得的三維坐標誤差見表4。由表可以看出軟件處理的精度比較高，誤差在-0.001 6～0.001 5 m，誤差相對較小，證明近景攝影測量應用于路面監(jiān)測是可行的。

表4 坐標誤差 m

4 結束語

通過正交試驗方法，用非量測數(shù)碼相機，以Lensphoto v2.0系統(tǒng)作為內(nèi)業(yè)處理平臺，通過校內(nèi)試驗，探討近景攝影測量方法運用于路面變形監(jiān)測的精度，并且在現(xiàn)場經(jīng)過實測，發(fā)現(xiàn)可以達到較高的精度。與常規(guī)測量方法相比，其主要優(yōu)點是可以根據(jù)所拍攝區(qū)域生成大量點云，可以在點云上量測坐標、兩點的距離等。后續(xù)還要根據(jù)所生產(chǎn)的點云，建立起三維建模，從而獲取模型區(qū)域的大量數(shù)據(jù)。