控制架系統(tǒng)在快速獲取巖體位移信息中的應(yīng)用

朱曉紅 方德濤 周小迦

（1.遼寧省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0.引言

我國(guó)面積廣闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，部分地區(qū)極易發(fā)生巖崩、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大損失[1]。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要任務(wù)就是要監(jiān)測(cè)崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空域演變信息，最大程度獲取連續(xù)的空間變形信息[2]。近年來(lái)，隨著攝像機(jī)硬件制造技術(shù)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)發(fā)展，近景攝影測(cè)量技術(shù)在快速、有效地獲取待監(jiān)測(cè)物體空間變形信息中，得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防有著積極意義。

利用近景攝影測(cè)量技術(shù)獲取巖體位移信息的過(guò)程中，借助控制點(diǎn)或相對(duì)控制，把近景攝影測(cè)量網(wǎng)納入到給定的物方空間坐標(biāo)系中，是近景攝影測(cè)量布設(shè)控制并且進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量的主要目的[5]。近景攝影測(cè)量有兩類(lèi)布設(shè)控制的方案：一類(lèi)是直接布設(shè)控制點(diǎn)；另一類(lèi)是建立活動(dòng)控制系統(tǒng)。直接布設(shè)控制點(diǎn)通常是在待測(cè)目標(biāo)物上或其周?chē)荚O(shè)一定數(shù)量且穩(wěn)定的控制點(diǎn)，采用常規(guī)測(cè)量方法測(cè)量出這些控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用這些控制點(diǎn)完成近景攝影測(cè)量的控制任務(wù)。建立活動(dòng)控制系統(tǒng)則是在堅(jiān)固、不變形的輕型金屬架構(gòu)上均勻布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，采用三維坐標(biāo)量測(cè)儀或常規(guī)測(cè)量方法測(cè)量出金屬架構(gòu)上各個(gè)控制點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)。當(dāng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)物及活動(dòng)控制系統(tǒng)攝影后，待測(cè)目標(biāo)物即納入到活動(dòng)控制系統(tǒng)的坐標(biāo)系內(nèi)，這樣在活動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)就形成了一種攜帶式的三維坐標(biāo)控制系統(tǒng)[6]。

受到活動(dòng)控制系統(tǒng)的啟發(fā)，本文提出設(shè)計(jì)并制造一個(gè)均勻分布有一定數(shù)量的三維控制點(diǎn)標(biāo)志的輕型金屬構(gòu)架，將金屬構(gòu)架固定在待監(jiān)測(cè)巖體上，形成一種“固定控制架系統(tǒng)”。在控制架系統(tǒng)對(duì)面安置攝像機(jī)對(duì)控制架進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。假定巖體發(fā)生位移前后各個(gè)控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)不變，通過(guò)直接線(xiàn)性變換法（DLT）解算出的攝像機(jī)中心的外方位元素就會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，根據(jù)巖體位移是一個(gè)緩慢過(guò)程的特性，本文提出了利用上一監(jiān)測(cè)時(shí)段獲得的各個(gè)控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)位置，作為此次監(jiān)測(cè)時(shí)段影像上各個(gè)控制點(diǎn)的近似位置，建立搜索區(qū)進(jìn)行模板匹配計(jì)算，縮小匹配搜索區(qū)的范圍，提高匹配效率并保證匹配精度。

1.控制架系統(tǒng)

1.1 控制架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

固定的控制架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的活動(dòng)控制系統(tǒng)不同，它不像傳統(tǒng)的活動(dòng)控制系統(tǒng)那樣，在更換目標(biāo)物時(shí)活動(dòng)控制系統(tǒng)也隨之移動(dòng)。這種固定在待監(jiān)測(cè)巖體上的控制架系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為快速獲取巖體位移信息服務(wù)，一經(jīng)固定后一般不會(huì)改變其位置。在利用近景攝影測(cè)量獲取巖體位移信息過(guò)程中，設(shè)計(jì)并建立固定的控制架系統(tǒng)，不僅能夠?yàn)榉橇繙y(cè)攝像機(jī)提供定標(biāo)服務(wù)，還能避免因巖體險(xiǎn)峻帶來(lái)的布設(shè)控制網(wǎng)、架設(shè)測(cè)量?jī)x器等困難，而且可以提前在地面上測(cè)量出控制架上各個(gè)控制點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，建立起控制架坐標(biāo)系，在巖體位移信息獲取階段可將其固定在待測(cè)巖體上，通過(guò)攝像機(jī)投影中心在控制架坐標(biāo)系中的位置變化反映巖體位移變化情況。

控制架的大小以能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行有效地控制為原則，其形狀可以是多種多樣的。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，對(duì)控制架上的各個(gè)控制點(diǎn)也有一些特殊的要求，例如在利用三維DLT算法對(duì)非量測(cè)攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)時(shí)，控制點(diǎn)的布設(shè)有兩個(gè)禁忌：（1）是控制點(diǎn)不能布設(shè)在任意方位的一個(gè)平面上；（2）是攝像機(jī)投影中心不能與物方坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。

本文實(shí)驗(yàn)采用的控制架系統(tǒng)由一個(gè)大小約為750mm×750mm的“田”字形金屬骨架以及固定在骨架上的21個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)志組成（如圖1所示）。自下而上共有5排控制點(diǎn)，最下面一排的排號(hào)為1，最上面一排的排號(hào)為5?？刂泣c(diǎn)編號(hào)的第一個(gè)數(shù)字表示其所在的排號(hào)，第二個(gè)數(shù)字表示其位于所在排內(nèi)從左到右的順序編號(hào)，如23表示第2排從左到右數(shù)第3個(gè)控制點(diǎn)?？刂萍芟到y(tǒng)的背面設(shè)計(jì)有可拆卸的支架，當(dāng)控制架系統(tǒng)安裝在支架上時(shí)，可以在地面上測(cè)量各個(gè)控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)，進(jìn)而在地面上完成非量測(cè)攝像機(jī)的定標(biāo)工作。控制架系統(tǒng)也可以與支架分離，將分離后的控制架系統(tǒng)固定在待監(jiān)測(cè)的巖體上，在待監(jiān)測(cè)巖體的對(duì)面安置攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以利用控制架系統(tǒng)與攝像機(jī)投影中心相對(duì)位置的變化間接反映巖體的位移情況。

為了保證所有控制點(diǎn)不布設(shè)在同一平面或近似平面內(nèi)，21個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)志底部的金屬支撐桿長(zhǎng)短不一，最大長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度相差160mm，標(biāo)志底部的金屬支撐桿具有這個(gè)數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)度差異，已經(jīng)可以滿(mǎn)足2m以?xún)?nèi)的近景攝影測(cè)量控制任務(wù)。

圖1 控制架系統(tǒng)

1.2 控制點(diǎn)人工標(biāo)志設(shè)計(jì)

人工標(biāo)志的廣泛使用是近景攝影測(cè)量的一個(gè)特點(diǎn)，一方面是因?yàn)槿斯?biāo)志可以保證或提高測(cè)量精度和可靠性；另一方面，與航空攝影測(cè)量相比較，大量人工標(biāo)志的布設(shè)并不是一件困難的事。

圖2 幾種常見(jiàn)的人工標(biāo)志

圖2為幾種常見(jiàn)的人工標(biāo)志圖樣，人工標(biāo)志的幾何形狀不宜復(fù)雜，否則會(huì)影響它的人工及自動(dòng)識(shí)別與量測(cè)。人工標(biāo)志一般具有中心對(duì)稱(chēng)且成輻射狀的形狀特征，具有一定的旋轉(zhuǎn)不變性，這對(duì)于具有旋角的影像上的控制點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別是十分有利的。

本文所使用的控制架系統(tǒng)上的控制點(diǎn)人工標(biāo)志采用圖2中（d）所示的形狀，圓形標(biāo)志中心的黑白十字分劃可以保證控制點(diǎn)物方坐標(biāo)量測(cè)時(shí)測(cè)量?jī)x器的精確照準(zhǔn)，圓形標(biāo)志本身也有著良好的旋轉(zhuǎn)不變性，無(wú)論影像旋轉(zhuǎn)角度為多少，人工標(biāo)志在影像上的成像圖形變化不大。此外，還要考慮應(yīng)當(dāng)使標(biāo)志自身顏色和背景顏色有盡量大的反差。由于本文所設(shè)計(jì)的控制架系統(tǒng)將要固定在巖體上進(jìn)行巖體位移信息獲取任務(wù)，巖體及其表面紅色目標(biāo)物較少，因此將各個(gè)控制點(diǎn)的人工標(biāo)志設(shè)計(jì)為紅色，這與灰青色的巖體能夠很好地區(qū)分開(kāi)來(lái)。人工標(biāo)志自身的大小與攝影比例尺有關(guān)，有人認(rèn)為圓形標(biāo)志在影像上的成像尺寸最好稍大于標(biāo)志本身，也有人認(rèn)為標(biāo)志的構(gòu)像一般應(yīng)在0.05mm至0.20mm范圍內(nèi)。王豐元等提出了一種根據(jù)攝影比例尺定量計(jì)算人工標(biāo)志大小的方法[7]。

其中，D為圓形人工標(biāo)志的直徑，L為人工標(biāo)志距攝像機(jī)投影中心的水平距離，f為攝像機(jī)焦距，α為人工標(biāo)志中心與攝像機(jī)投影中心連線(xiàn)與水平面的夾角，d為人工標(biāo)志在攝像機(jī)成像元件上所形成橢圓的短徑。

假設(shè)P為拍攝所得影像每個(gè)像素的大小，K為人工標(biāo)志在影像上成像圖案的直徑像素?cái)?shù)，則

將式（2）代入式（1），得

公式（3）即為人工標(biāo)志尺寸的定量計(jì)算公式。

1.3 控制點(diǎn)測(cè)量

本文采用兩套全站儀，通過(guò)空間前方交會(huì)法測(cè)得了圖1所示控制架系統(tǒng)中21個(gè)控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)。將坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至控制架左下角附近，X軸與兩測(cè)站連線(xiàn)平行，正方向向右，Y軸正方向沿鉛垂線(xiàn)方向向上，Z軸垂直于XY平面，構(gòu)成右手系，各個(gè)控制點(diǎn)物方坐標(biāo)（如表1所示）：

表1 控制點(diǎn)物方坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果 單位：mm

這里將坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至控制架左下角附近，而不是將左下角11號(hào)控制點(diǎn)所在的位置作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，主要原因是避免由于11號(hào)點(diǎn)物方坐標(biāo)為（0,0,0）而造成后期攝像機(jī)定標(biāo)解算過(guò)程中法方程系數(shù)矩陣出現(xiàn)秩虧的情況，而這種情況的出現(xiàn)將導(dǎo)致攝像機(jī)定標(biāo)計(jì)算失敗。

2.影像控制點(diǎn)識(shí)別

攝像機(jī)的定標(biāo)以及通過(guò)目標(biāo)二維影像獲取其三維信息的過(guò)程中均需要控制點(diǎn)的像方坐標(biāo)，獲取控制點(diǎn)影像坐標(biāo)的過(guò)程稱(chēng)為影像控制點(diǎn)識(shí)別。巖體位移是一個(gè)緩慢過(guò)程，本次監(jiān)測(cè)時(shí)段的影像與上一監(jiān)測(cè)時(shí)段的影像相比，控制點(diǎn)在影像上的成像位置變化不大。因此，利用上一監(jiān)測(cè)時(shí)段獲得的各個(gè)控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)位置作為本次監(jiān)測(cè)時(shí)段影像上各個(gè)控制點(diǎn)的近似位置，在這些近似位置周?chē)⑺阉鲄^(qū)，進(jìn)行模板匹配計(jì)算，這樣可以縮小搜索范圍，提高匹配速度且保證了匹配精度。

在地面上進(jìn)行巖體位移模擬實(shí)驗(yàn)，人工改變攝像機(jī)和控制架的相對(duì)位置，再次對(duì)控制架進(jìn)行攝影拍照。將移動(dòng)后獲取的影像作為第二監(jiān)測(cè)時(shí)段的影像，第一監(jiān)測(cè)時(shí)段的影像進(jìn)行比較。將第一監(jiān)測(cè)時(shí)段影像上控制點(diǎn)的點(diǎn)位顯示在第二監(jiān)測(cè)時(shí)段影像上以后，發(fā)現(xiàn)各個(gè)控制點(diǎn)在第二監(jiān)測(cè)時(shí)段影像上的成像位置變化不大，最大位移約為60個(gè)像素（如圖3所示）。因此，以第一時(shí)段各個(gè)控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)為中心，以其左上、右上、左下、右下60個(gè)像素的區(qū)域建立共計(jì)240個(gè)像素的搜索區(qū)，在第二時(shí)段的影像上搜索匹配該控制點(diǎn)，這樣各個(gè)控制點(diǎn)的搜索區(qū)由整幅影像減小到了局部影像。

圖3 第一時(shí)段控制點(diǎn)點(diǎn)位在第二時(shí)段影像上位置分布情況

原始影像為1600×1200像素，如果將整幅影像作為搜索區(qū)來(lái)匹配搜索控制點(diǎn)的位置，搜索區(qū)的大小涉及1920000個(gè)像素。如果將第一時(shí)段影像上各個(gè)控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)作為參考位置，在其周?chē)⒕植克阉鲄^(qū)進(jìn)行搜索匹配，21個(gè)控制點(diǎn)的搜索區(qū)所涉及的像素?cái)?shù)將變?yōu)?40×21=5040個(gè)像素，這樣搜索區(qū)大大減小，在保證了匹配精度的前提下，匹配效率得到了很大地提高。

3.巖體位移信息獲取與分析

實(shí)驗(yàn)通過(guò)將控制架進(jìn)行俯仰變化來(lái)改變攝像機(jī)與控制架的相對(duì)位置關(guān)系，以此來(lái)模擬巖體位移情況。根據(jù)巖體俯仰前后攝像機(jī)投影中心在控制點(diǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)變化情況，可以求得巖體俯仰前后攝像機(jī)投影中心到各個(gè)控制點(diǎn)的斜距變化情況，由此獲得巖體位移變化信息。攝像機(jī)安置在控制架相對(duì)位置2m范圍內(nèi)。這樣安置有兩點(diǎn)好處：（1）真實(shí)模擬巖體位移監(jiān)測(cè)過(guò)程，一般在條件允許情況下，攝像機(jī)與巖體固定控制架距離不會(huì)太遠(yuǎn)；（2）在一定時(shí)間內(nèi)，巖體位移變化量不變情況下，攝像機(jī)與控制架相對(duì)位置越近，不同時(shí)段影像基高比越大，模型強(qiáng)度越強(qiáng)，解算斜距變化量越精確。圖4為控制架處于垂直情況下攝像機(jī)拍攝獲得的影像，圖5、圖6分別為控制架處于前俯、后仰的情況下攝像機(jī)拍攝獲得的影像。

圖4 控制架垂直時(shí)獲取的影像

圖5 控制架前俯時(shí)獲取的影像

圖6 控制架后仰時(shí)獲取的影像

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果（如表2所示），表中“斜距差1、斜距差2”表示通過(guò)全站儀量測(cè)并計(jì)算出的控制架前俯、后仰攝像機(jī)投影中心附近標(biāo)志物距控制架垂直時(shí)各個(gè)控制點(diǎn)的斜距變化情況，“斜距差3、斜距差4”表示通過(guò)影像解算出的控制架前俯、后仰攝像機(jī)投影中心距控制架垂直時(shí)各個(gè)控制點(diǎn)的斜距變化情況，“差異值1、差異值2”表示通過(guò)這兩種方法獲得的斜距變化情況之間的差異值。

表2 斜距變化計(jì)算情況單位：mm

根據(jù)表2的最后兩列數(shù)據(jù)，可以繪制出兩種方法 所獲得的斜距變化量的差異值折線(xiàn)圖（如圖7所示）：

圖7 控制架俯仰實(shí)驗(yàn)中斜距變化差異值情況

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)兩種方法獲得的控制架俯仰前后攝像機(jī)投影中心到各個(gè)控制點(diǎn)的斜距變化量存在一定的差異，這種差異具有很強(qiáng)的規(guī)律性，控制架垂直情況與控制架前俯情況下斜距變化量差異值的波動(dòng)情況與控制架垂直情況與控制架后仰情況下斜距變化量差異值的波動(dòng)情況十分類(lèi)似。在橫向上，最大差異與最小差異相差約3mm，在縱向上，最大差異與最小差異相差約1mm。這種差異的規(guī)律性和穩(wěn)定性反映出了利用控制架系統(tǒng)進(jìn)行斜距變化量測(cè)具有相當(dāng)?shù)木?。同時(shí)，利用近景攝影測(cè)量技術(shù)獲取巖體位移信息較利用全站儀等傳統(tǒng)方法更簡(jiǎn)便、快捷，控制架系統(tǒng)在快速獲取巖體位移信息過(guò)程中可以得到良好的應(yīng)用。