基于近景攝影測量技術(shù)的基坑監(jiān)測研究

宗愛華 王連松

摘? 要：相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，近景攝影測量技術(shù)具有瞬間獲取被測物體的幾何及物理信息，外業(yè)工作較少等優(yōu)點。但由于專用量測攝影機價格昂貴且操作復雜，制約了近景攝影測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。本文將研究普通數(shù)碼相機在邊坡監(jiān)測上的應(yīng)用，結(jié)合實際工程，通過GPS采集的少量點作為控制點來解算大量未知點的坐標，具有很好的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：近景攝影測量? 基坑? 位移監(jiān)測? GPS

Abstract： Compared with the traditional monitoring methods， close range photogrammetry has the advantages of instantaneous acquisition of geometric and physical information of the measured object， and less field work. However， the development and application of close range photogrammetry technology are restricted due to the high price and complex operation of special measuring camera. This paper will study the application of ordinary digital camera in slope monitoring. Combined with practical engineering， a small number of points collected by GPS are used as control points to calculate the coordinates of a large number of unknown points， which has a good practical significance.

Key Words： Close range photogrammetry; Foundation pit; Displacement monitoring; GPS

攝影測量是一門利用光學攝影機拍攝像片，根據(jù)像片影像來確定被測物體的位置、大小、形狀和相互關(guān)系的科學技術(shù)。依據(jù)測量目的通常劃分為兩類：地形攝影測量和非地形攝影測量。其中，非地形攝影測量指的是應(yīng)用在工業(yè)測量和工程測量中的攝影測量。而近景攝影測量指的是測量距離在300m以內(nèi)，拍攝地點處在物體周邊的攝影測量。其中將以數(shù)字相機為圖像采集傳感器，并對所攝圖像進行數(shù)字處理的近景攝影測量稱為數(shù)字近景攝影測量。目前，該技術(shù)已經(jīng)在包括生物醫(yī)學、工業(yè)和建筑學等在內(nèi)的眾多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域得到不錯的發(fā)展。

1? 近景攝影測量外業(yè)

本次工程實例選擇了北京某地塊基坑工程，位于北京市朝陽區(qū)，該項目為超高層住宅樓工程。本次監(jiān)測的主要硬件主要有：尼康數(shù)碼相機，南方GPS監(jiān)測儀，標志點塑料板，其中標志點模板主要有兩種，一種是20cm×30cm×5mm長方形板，一種是25cm×25cm×5mm正方形板。標志點固定在坡面上的方法是中心和4個角上分別都釘入一個釘子，保證標志物的穩(wěn)定性。

本次項目采用數(shù)碼相機的主要外業(yè)工作流程如圖1所示。

首先，確定攝影邊坡面。該基坑工程挖深為4.9～7.95m，屬于“坑中坑”工程，如圖2所示。即基坑內(nèi)坑部分有混凝土鉆孔灌注樁和冠梁，外側(cè)邊坡為自然放坡，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范》，該基坑工程為二級。

根據(jù)現(xiàn)場要求，在采用傳統(tǒng)監(jiān)測方法的同時，我們對基坑東北方部分放坡工程采用了近景攝影測量方法，監(jiān)測部位的周圍環(huán)境圖如圖3所示。

按照上述設(shè)計方法，人工標記物的放置應(yīng)合理，既不致密也不稀疏，以滿足我們攝影的要求，并且根據(jù)DLT算法的原理，不應(yīng)放置標記物在同一平面上。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和傳統(tǒng)長期監(jiān)測的結(jié)果，一旦放置了標記，就可以知道在分布圖的右側(cè)，由于良好的地質(zhì)條件，周圍沒有房屋。這些標記的底部沒有建筑物。現(xiàn)澆混凝土樁保留土體并配備冠梁，在施工過程中，邊坡位移在短時間內(nèi)很小，可以忽略不計。因此，在右側(cè)，我們將選擇最右邊的6個點作為控制點。在左側(cè)，由于照片重疊，我們只需要測量點的坐標并使用GPS進行測量即可。

GPS測量點有很多空間數(shù)據(jù)方法。在此監(jiān)視中，CORS用于測量點數(shù)據(jù)。在整個攝影測量過程中，GPS-CORS僅用于測量控制點的坐標并在以后進行比較，這是一種輔助方法。所以在這里，我將不作詳細介紹。

測量控制點的坐標后，請在現(xiàn)場拍照。因為設(shè)計平面很大，并且如果只拍攝一張正面照片，則標記點將顯得太小，這不利于我們提取特征點和后續(xù)操作，因此我們選擇拍攝兩個照片，左邊一張，左邊一張（根據(jù)DLT計算原理，要計算系數(shù)需要兩張照片。這里提到的照片是計算出的兩張照片），左邊兩張照片匹配程度確保后期的順利處理。

2? 內(nèi)業(yè)解算

拍攝完照片以后，一次監(jiān)測的外業(yè)就此結(jié)束，下面將進行近景攝影測量內(nèi)業(yè)處理。

我們選取拍攝照片中清晰度最高，效果最好的一組照片進行內(nèi)業(yè)解算。按照本次工程實例的解算步驟，我們選擇從已知控制點坐標最多的右側(cè)開始進行解析計算，首先，選取右側(cè)A時點一組照片中的一張，如圖4所示。

圖中，將人工標志點分為兩類，一類是已知點，即控制點，用KZ表示;一類是未知點，即監(jiān)測點，用JC表示。在照片中的各人工標志點位情況如圖4所示。

（1）選取特征點。

為保證近景攝影測量的高精度，第一步應(yīng)進行特征點的選取。首先，需要將拍攝的彩色照片轉(zhuǎn)變成灰色，用編寫的單一灰度程序?qū)λ臄z照片進行灰度處理，灰度波段可以選擇1、2、3，依次代表紅波段、綠波段、藍波段。

照片上的每個像素僅對一種顏色進行采樣，得到的圖像稱為灰度圖?；叶葓D像只顯示白色、黑色及從白色至黑色的每種級別的中間灰度，如白色（255，255，255），中間灰度（10，10，10）、（150，150，150）、（200，200，200）......和黑色（0，0，0），灰度圖像與黑白圖像不同，在黑白圖像中只有兩種取值，即黑色（0，0，0）和白色（255，255，255）兩種顏色。

灰度預處理分析后，我們分別選擇單一灰度模式下的1波段（紅波段）、2波段（綠波段）、3波段（藍波段）進行處理，得到三組波段灰度圖。

經(jīng)過對以上的灰度圖像對比分析，可以看出，紅被段處理后，標志物在照片中最為突出，相對于綠波段和藍波段兩種灰度處理，其對提取特征點最為方便，所以，在后續(xù)工作中，我們將選擇紅波段對所有照片進行衷度處理。灰度處理以后，我們將對得到的灰度圖像進行特征點的選取，在特征點選取中，采用Forstner箅子運算。

（2）數(shù)據(jù)導入及計算。

在得到特征點效果圖以后，將進行照片的解析處理，解算像點的空間坐標把最佳特征點效果圖導入至點位計算界面中，解析計算出10個監(jiān)測點的空間坐標。在B時點我們選擇了同樣的方法對該基坑邊坡進行了監(jiān)測，處理過程和A時點的方法一樣，在這里就不再贅述。

3? 位移計算

根據(jù)A、B兩個時點的監(jiān)測點的空間坐標，解析處理可得到在這段時期內(nèi)監(jiān)測點的位移情況如表1所示。

由表1中可以看出，右側(cè)點JCl～JC5位移相對較小，主要原因是右側(cè)測量點處靠近冠梁和混凝土灌注樁，邊坡相對穩(wěn)定;而左側(cè)部位為自然放坡，放坡的高差較大，位移相對較大。考慮到精度，由《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》可得，二級基坑在施工期，相對于工作基點的外部變形監(jiān)測精度，平面是±3～5mm，高程是±5mm，右側(cè)點位計算精度高，左側(cè)精度采用右側(cè)解算坐標為控制點，精度稍低。

此次基坑監(jiān)測采用的控制點坐標選取了基坑邊坡坡上的點位，基坑上的控制點坐標是會隨著基坑邊坡的變形而發(fā)生變化的，為此，在每次使用近景攝影測量方法解算其余點位坐標之前，還需測得控制點坐標。若能拾取穩(wěn)定的控制點，對于我們的外業(yè)工作將得到有效的減少，若我們能夠拾取控制點1～控制點6的空間坐標，對基坑的監(jiān)測會有不錯的效果。本次監(jiān)測項目由于實際情況，不能進入相關(guān)樓層測量控制點坐標，并沒有采用此方法。但是該方法對有邊坡外控制點的近景攝影測量監(jiān)測不失為一種有效簡單的方法，其只需在項目初采用傳統(tǒng)測量方法測算一次控制點坐標，之后的外業(yè)只需拍攝照片，同時，測量精度也能得到更好的提高。

參考文獻

[1] 侯剛棟，部晨光.數(shù)字近景攝影測量在文物考古領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].測繪技術(shù)裝備，2019（12）：12-17.

[2] 袁家明.基于車載近景攝影測量的道路交通標線信息自動提取方法研究[D].南京：南京師范大學，2019.

[3] 楊松勇.近景攝影測量技術(shù)在露天礦邊坡變形監(jiān)測中的研究[D].贛州：江西理工大學，2019.

[4] 丁影.平面約束的近景影像絕對定向方法及其精度[J].測繪科學，2020，45（3）：74-80.

[5] 陳嘉穎.基于近景攝影測量技術(shù)的瀝青路面紋理實時識別系統(tǒng)[J].東南大學學報：自然科學版，2019，49（5）：973-980.

[6] 楊冬.一種針對近景攝影測量的相機標定方法[J].經(jīng)緯天地，2019（3）：79-84.