近景攝影測量活動控制系統(tǒng)的制作與檢驗

田慧

摘? 要：活動控制系統(tǒng)具有標志明顯、成像清晰的特點，正好彌補了路塹、采石場等破碎巖質(zhì)邊坡、結(jié)構(gòu)面相對破碎、特征點不清的缺點。設計并制作了一套活動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有攜帶方便、裝配速度快、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。它能在近景攝影測量中起到有效、快速的控制作用。在研究中，對活動控制系統(tǒng)的設計、制造和穩(wěn)定性試驗進行了研究。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，攜帶方便，控制點圖像清晰。

關(guān)鍵詞：近景攝影測量? 活動架? 坐標轉(zhuǎn)換? 研究

中圖分類號：P234? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0032-03

Making and Testing of Activity Control System for Close Range Photogrammetry

TIAN? Hui

（Guangzhou Southern Surveying and Mapping Technology Co.，Ltd.， Beijing， 100000 China）

Abstract： The activity control system has the characteristics of obvious signs and clear imaging， which just makes up for the shortcomings of broken rock slopes such as cutting and quarry， relatively broken structural plane and unclear feature points. According to the need of close range photogrammetry， an activity control system is designed and made. The system is easy to carry， fast to assemble and stable in structure. It can play an effective and fast control role in close range photogrammetry. In the research， the design， manufacture and stability test of the activity control system are studied. The experimental results show that the control system has stable structure， easy to carry and clear control point image.

Key Words： Close range photogrammetry; Movable frame; Coordinate transformation;Research

為了解決在攝影測量中使用非量測相機時攝像機內(nèi)外方位元素未知的問題，可以設計一種能提供控制坐標的活動控制架?；顒涌刂萍茏鳛橐环N便攜式三維坐標控制系統(tǒng)，能夠快速、有效地在目標周圍建立有效的控制，為近景攝影測量快速有效的控制坐標系提供了方便快捷的控制坐標系統(tǒng)。采用三維工業(yè)測量方法測量活動控制架表面控制點的坐標，并對測量的坐標進行分析處理。

近景攝影測量在應用時，有時會遇到被測目標較小，為數(shù)眾多，且目標處在不同位置，并且不宜使用常規(guī)測量方法在現(xiàn)場施測控制點，這種情況下就可以使用活動控制系統(tǒng)。在一種攜帶方便的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金屬構(gòu)架上均勻分布一定數(shù)量的二維或三維控制標志，事先測得這些控制標志的坐標，就構(gòu)成了活動控制系統(tǒng) [1]。當同時對目標物體與此活動控制系統(tǒng)拍攝后，被測物體就自然地納入到它的坐標系內(nèi)。

1? 活動控制-近景攝影測量

活動控制-近景攝影測量的基本理論包括兩個方面：一是近景攝影測量的通用坐標系;二是活動控制系統(tǒng)的建立原則;二是兩個空間坐標系之間的轉(zhuǎn)換理論。

1.1 活動控制系統(tǒng)的建立原理

在近景攝影測量系統(tǒng)中，通常在被攝物體周圍布設一些控制點，將近景攝影測量網(wǎng)納入到給定的物方空間坐標系，這就可以用直接線性變換解法求取像片的內(nèi)、外方位元素[2]?；顒涌刂葡到y(tǒng)為近景攝影測量提供了大量預置的控制點坐標，減少了野外選取控制點的工作量。

獲取活動控制系統(tǒng)的控制點坐標是用免棱鏡全站儀法測得的測站坐標系下的坐標，為了測試活動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要拆卸和測量兩次。由于兩個主動控制系統(tǒng)的位置和姿態(tài)發(fā)生變化，測量的坐標不能直接比較，需要將它們轉(zhuǎn)換成活動控制坐標系。

1.2 活動控制系統(tǒng)控制點坐標轉(zhuǎn)換

在野外進行拍攝時，活動控制架的放置不可能完全恢復在室內(nèi)進行坐標測量時的狀態(tài)，這就涉及到坐標轉(zhuǎn)換問題。

任何兩個空間坐標系都可以通過三次平移、三次旋轉(zhuǎn)和一次縮放進行變換。除了平移、旋轉(zhuǎn)、縮放以生成新的坐標系，工業(yè)測量中常用的還有兩種方法，即軸線對準法和最小二乘變換法。本文生成坐標系時采用的是軸線對準法[3]。此坐標變換的操作可按以下步驟進行：

（1）在野外選取一個地面點做測站，并假設該點的坐標值，如（0，0，0）。根據(jù)羅盤確定一個已知方向，也就是以磁北方向為X軸。

（2）視需要，在活動控制架上選擇三個控制標志A、B、C，它們變換前的坐標（室內(nèi)的已測坐標）為，，。

（3）根據(jù)已知點坐標和已知方向，用全站儀測得A、B、C變換后的坐標、、。

（4）用3個標志點變換前和變換后的兩套坐標，解求坐標平移量和變換角。

（5）對所有的其他控制標志，按式（2-13）解算變換后的坐標，即解算在新坐標系S-XYZ中的坐標。

經(jīng)過上述變換得到的以磁北方向為X軸的新坐標系也就是野外工程坐標系，這樣就可以根據(jù)工程坐標系下的控制點坐標建立邊坡的立體模型，進而量測任意目標點的坐標。

實驗中使用的控制架用4根鋁合金水準尺加工而成。整個活動控制系統(tǒng)為3.2m×3.2m方形，僅重11kg。鋁合金水準尺手感舒適，結(jié)構(gòu)合理，分劃印制清晰，利用這種水準尺制作活動控制系統(tǒng)攜帶方便，安裝靈活簡易，再加上鋼制柱形螺栓連接和錐銷固定，整個架子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息采集的精度要求。巖體邊坡結(jié)構(gòu)面分布不規(guī)則，特征點不易分辨，現(xiàn)場人工做標記又不太現(xiàn)實，水準尺提供了大量現(xiàn)成的控制標志，標志黑白分明，清晰易辨，成像效果良好，解決了攝影測量現(xiàn)場找控制點的難題，為近景攝影測量起到了很好的控制作用，大大減少的野外工作量。

2? 活動控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 活動控制架的設計

活動控制系統(tǒng)主要用于近景攝影測量的有效控制，它適用于被測目標較小、為數(shù)眾多、且目標處在不同位置，不宜使用常規(guī)測量方法在現(xiàn)場施測控制的地方[5]。此外，需要經(jīng)常帶到現(xiàn)場施工現(xiàn)場，進行移動、搬遷或拆卸。因此，活動控制系統(tǒng)的制作應遵循結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無變形、便攜、拆裝快速、控制點標記清晰的原則[4]。圍繞著上述特點，本文進行了活動控制架的設計，具體包括選材、形狀與結(jié)構(gòu)設計、快速拼裝、控制點標志設計等內(nèi)容。

（1）選材。

實際應用中，活動控制架需要長途運輸、反復拆裝，因此材料的選擇應本著重量輕、堅固不變形的原則。在本次研究中，我們設計的控制架用4根3m鋁合金水準尺加工而成。

（2）形狀與結(jié)構(gòu)設計。

活動控制架的尺寸和形狀基于便于攜帶和有效控制目標的原則，其形狀可以改變。為了保證有效控制區(qū)域的面積，選擇矩形作為移動控制框架的基本形狀。直尺兩端采用聚丙烯塑料（該材料輕、硬、不易變形）連接。將塑料連接塊伸入直尺一端，用鋼墊將直尺用螺釘固定，最后將直尺與鋼柱螺栓配對，采用錐銷強制固定，以保證整個控制架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）快速拼裝設計。

活動控制系統(tǒng)設計的重要組成部分是快速拼裝設計。在實際應用中，活動控制架需要長距離運輸和反復拆卸，因此快速裝配具有重要意義。

在測量過程中，活動控制架在自然狀態(tài)下輕支承在物體上，除了自身重力外，不施加外力和壓力。另外，活動控制架的左右標尺位于上下兩個標尺的下方，巧妙地解決了控制點不在同一平面上的問題。整個系統(tǒng)拆裝靈活。在運輸過程中，可將活動控制架對角上的螺栓和四角的錐銷拆開，使四把尺子成為兩組尺子。當尺子旋轉(zhuǎn)時，每組的兩把尺子重疊在一起，便于攜帶，一人既能輕松搬動。

2.2 控制點的測量

免棱鏡全站儀極坐標法測量活動控制架控制點坐標的步驟如下：

（1）在測站點B上架設全站儀，點A上架設棱鏡;

（2）設置測站參數(shù)，假設測站B點坐標為（100m，100m，100m）;

（3）在棱鏡模式下瞄準棱鏡定向;

（4）轉(zhuǎn)動望遠鏡，在無合作（免棱鏡）模式下，瞄準活動控制架上控制點，直接測量目標點坐標，并記錄。

2.3 活動控制架穩(wěn)定性檢驗

采用無棱鏡全站儀的極坐標法測量控制點坐標來檢驗活動控制架的穩(wěn)定性，本實驗研究進行了兩次拆裝。但由于主動控制架經(jīng)過兩次拆裝后，其位置和姿態(tài)發(fā)生變化，無法直接進行點坐標的計算。因此，兩次測量的站坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換為主動控制框架坐標系。坐標轉(zhuǎn)換方法得到的活動控制架下控制點坐標。

2.4 MATLAB 數(shù)據(jù)處理

為求得出活動控制架自身測量坐標系下的各控制點坐標。本文采用MATLAB軟件編寫程序并算得轉(zhuǎn)換后的結(jié)果?，F(xiàn)將MATLAB軟件的應用數(shù)據(jù)介紹如下：（1）將免棱鏡全站儀極坐標法測量的活動控制架上控制點的坐標導入MATBLE，命名為xyz1。（2）在M文件編輯器下編寫程序（%后為解釋說明部分，不執(zhí)行運算）。（3）在命令窗口輸入xyz1，回車，即可得所求轉(zhuǎn)換坐標數(shù)據(jù)，整理后的兩次坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果可以進行對比參照。

本文中，采用免棱鏡全站儀極坐標法對活動控制架上的控制點坐標進行了測量，并通過兩次拆裝測量對活動控制架的穩(wěn)定性進了檢驗。算出平面中誤差為±2mm，高程中誤差為±1.9mm，點位中誤差為±3mm。由此可見，活動控制架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形很小，滿足近景攝影測量方法獲取結(jié)構(gòu)面幾何信息的精度要求。選擇兩次轉(zhuǎn)換后控制點坐標的平均值作為活動控制架自身坐標系下各控制點的坐標成果。

3? 活動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的室外檢驗

按照室內(nèi)的測量操作步驟，選取了某采石場在室外進行了一次穩(wěn)定性檢驗實驗，以便檢驗拼裝的活動控制架的穩(wěn)定性。

3.1 實驗場地簡介

本文研究區(qū)為某廢棄采石場，屬丘陵地區(qū)，采石場邊坡上覆蓋第四紀土壤，巖性為砂巖和凝灰?guī)r，屬于楊家溝二疊系。該區(qū)域年均降雨為622mm，其中60%的雨量集中在6～8月，這期間多暴雨，由于采石，邊坡巖石大量出露，巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石被節(jié)理切割成塊狀，地表水沿裂隙下滲。存在著潛在的地質(zhì)災害隱患，容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)問題。該采石場共有上、下兩個臺地，本次研究的實驗場地選擇下面臺地的低矮邊坡，邊坡走向為237°，高約4m。

3.2 野外工程坐標系下活動控制架上控制點坐標的獲取

選擇控制點目標，首先要明顯易辨，其次尺寸大小應利于攝影測量中瞄準。為了便于攜帶，活動控制架通常設計成可以隨時拆裝的結(jié)構(gòu)。本文所采用的活動控制系統(tǒng)是用4根鋁合金水準尺加工而成的，攜帶輕便，安裝簡易。野外安裝過程中要確保4根尺子的相對位置與設計圖紙相一致，柱形螺栓和錐銷一定要擰緊，否則活動控制架會發(fā)生形變，控制點坐標發(fā)生變化，解譯結(jié)果也就不準確。之后，就可以將活動控制系統(tǒng)在自由狀態(tài)下?？吭诒粶y邊坡前，注意巖體結(jié)構(gòu)面盡可能多的包含在活動控制架所包圍范圍內(nèi)。

控制點的數(shù)量由5位數(shù)組成，萬位上數(shù)字代表標尺編號。例如，21500控制點是2號尺上“E”讀數(shù)1500的角點。在野外，儀器架設在土質(zhì)堅硬、視野開闊的地方，用羅盤向任一方向定向。這樣就形成了現(xiàn)場野外工程坐標系，可以測量活動控制架上任意3個點的坐標。利用這3個點的實測坐標和活動控制架本身的坐標，得到這兩個坐標系下的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了檢驗移動控制架在野外測量中的穩(wěn)定性，本研究在野外測量了更多的控制點，并與坐標變換得到的坐標進行了比較。根據(jù)比較的結(jié)果可以算出野外環(huán)境下，活動控制架的變形也很小，點位中誤差為±3.3mm。由此可以計算出該模型的坐標精度以及點位精度：mx=±0.009m，my=±0.007m，mz=±0.002m，m點=±0.012m。表明該活動控制架可以用于近景攝影測量的控制。

參考文獻

[1] 馬麗霞，王鳳艷，張元元.近景攝影測量中活動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].世界地質(zhì)，2015，32（3）：612-617.

[2] 王佩賢，金澤林，張恒璟，等.一種基于近景攝影測量的隧道維護裝置導航方法[J].導航定位學報，2020，8（4）：26-30.

[3] 王保豐.計算機視覺工業(yè)測量系統(tǒng)的建立與標定[D].北京：解放軍信息工程大學，2004.

[4] 田愛軍.隧道斷面數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)的研究開發(fā)[D].北京：北京交通大學，2017.

[5] 劉子俠，陳劍平，韓東亮.數(shù)字近景攝影測量野外特殊研究區(qū)域活動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].地理信息世界，2018，25（5）：99-102.

[6] 張醫(yī)欽，李秀棟，劉健辰，等.基于Photomodeler Scanner的古文物三維建模研究[J].測繪，2015，37（2）：68-71.

[7] 馬麗霞.基于活動控制—近景攝影測量的巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息的快速獲取[D].長春：吉林大學，2015.