一種應(yīng)用于港口起重機(jī)的無現(xiàn)場控制點(diǎn)測量系統(tǒng)

鄺湘寧 邱法聚 胡群威 仇佳捷 丁高耀

寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和海內(nèi)外貿(mào)易的快速發(fā)展，港口物流貨物量呈現(xiàn)高速上行趨勢，對港口起重機(jī)的要求也越來越高，其安全性評估問題逐漸成為影響港口設(shè)備能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題。針對港口起重機(jī)日益突出的安全性問題，港口起重機(jī)相關(guān)尺寸監(jiān)測數(shù)據(jù)可直觀地反映出起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸變化和運(yùn)行情況，為起重機(jī)安全性評估理論的探究提供真實(shí)準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)來源，故港口起重機(jī)相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)的測量是一項(xiàng)很重要的工作[1]。

目前，港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸測量監(jiān)測的方法主要包括布設(shè)傳感器、全站儀測量等。對于布設(shè)傳感器來監(jiān)測港口起重機(jī)尺寸變化的方法，可得到直觀、準(zhǔn)確地測量結(jié)果，但傳感器對于布設(shè)技術(shù)和位置的要求比較高。港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，攀爬不便，人工設(shè)置傳感器不僅效率低，而且容易產(chǎn)生安全問題。港口環(huán)境惡劣，傳感器暴露在外，易發(fā)生損壞，難以長時(shí)間穩(wěn)定工作。全站儀測量所需要的設(shè)備比較復(fù)雜，對于操作人員的技術(shù)和現(xiàn)場環(huán)境有較高要求，且測量范圍易受到港口環(huán)境的限制，很難滿足對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效準(zhǔn)確的測量要求。

經(jīng)過多年發(fā)展，無接觸式攝影測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域。在港口起重機(jī)尺寸測量方面，傳統(tǒng)的近景攝影測量方法目前存在需要人工設(shè)置控制點(diǎn)的難題，不僅效率低，且存在安全隱患。若使用起重機(jī)結(jié)構(gòu)自身特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，會(huì)因難以重新定位關(guān)鍵點(diǎn)而產(chǎn)生相平面的識別誤差，從而影響整個(gè)測量系統(tǒng)的精度。此外，傳統(tǒng)攝影測量方法還需要用到很多輔助測量設(shè)備，人工操作繁瑣，且在惡劣港口環(huán)境中使用不便。針對以上不足，本文提出一種無控制點(diǎn)的攝影測量方法。

1 近景攝影測量

近景攝影測量是通過相片的影像坐標(biāo)，利用前方交會(huì)原理來確定被測對象物方空間坐標(biāo)的一種方法[7]。若要實(shí)現(xiàn)從像方坐標(biāo)向物方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，應(yīng)獲知相片的內(nèi)外方位元素和同名像點(diǎn)的像方坐標(biāo)。相片的內(nèi)方位元素[x0y0f]是表征相機(jī)焦點(diǎn)相對于相片的位置參數(shù)，可通過相機(jī)的標(biāo)定檢驗(yàn)確定。相片的外方位元素[XYZφωκ]表征相片在物方坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)。同名像點(diǎn)的像方坐標(biāo)和相片的內(nèi)方位元素較易獲得，但相片的外方位元素會(huì)隨攝影位置的變化而變化，不易獲得。傳統(tǒng)的攝影測量方法需在被測目標(biāo)上設(shè)置若干控制點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)對相片外方位元素的求解。

2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該測量系統(tǒng)由2臺前站相機(jī)、1套后站雙目相機(jī)以及與之配套的室內(nèi)標(biāo)定場組成。前站相機(jī)共有2套，以實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)的雙目視覺測量。前站相機(jī)上設(shè)置有輔助定位支架，支架上有若干易于辨識的特征點(diǎn)，即移站關(guān)鍵點(diǎn)。后站雙目相機(jī)的相機(jī)支架可將2臺相機(jī)平行地穩(wěn)固布置于三腳架上，從而形成1套雙目相對位置固定的雙目視覺測量系統(tǒng)。標(biāo)定場主要由若干支承柱組成的籠架以及安裝在各支承柱上的標(biāo)定塊組成，目的在于建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

該測量系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示，首先將相機(jī)按照圖1所示位置關(guān)系放置于標(biāo)定場內(nèi)，調(diào)整好位置后對場內(nèi)的預(yù)設(shè)測量點(diǎn)進(jìn)行拍攝。前站相機(jī)和后站相機(jī)均可根據(jù)其所攝相片和標(biāo)定場內(nèi)已知的測量點(diǎn)物方坐標(biāo)，利用后方交會(huì)原理得到相機(jī)的外方位元素。由于后站雙目相機(jī)所攝相片中包括前方相機(jī)，所以后站雙目相機(jī)可利用前方交會(huì)原理得到前站相機(jī)定位輔助支架上移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)。在得到上述所需標(biāo)定數(shù)據(jù)后即可脫離標(biāo)定場，調(diào)整前方相機(jī)以合適距離、角度拍攝實(shí)際被測物體，通過后站雙目相機(jī)重新測定各前站相機(jī)移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)，利用標(biāo)定階段得到的前站相機(jī)外方位元素與移站關(guān)鍵點(diǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前方相機(jī)外方位元素的遷移計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)無標(biāo)定的遠(yuǎn)距離測量。

圖1 測量系統(tǒng)整體示意圖

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法原理

根據(jù)攝影測量方法的基本原理，當(dāng)前站相機(jī)與輔助定位支架上移站關(guān)鍵點(diǎn)的相對位置保持不變，且不共面的移站關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量大于或等于4時(shí)，可以認(rèn)為前站相機(jī)的外方位元素與這些移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)存在唯一確定的關(guān)系。本設(shè)計(jì)的核心就是利用前站相機(jī)外方位元素和移站關(guān)鍵點(diǎn)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)標(biāo)定場與實(shí)際測量場景中前站相機(jī)的外方位元素的轉(zhuǎn)換，這一方法被稱為移站算法。

3.2 算法驗(yàn)證

如圖2所示，設(shè)移站前1～4號移站關(guān)鍵點(diǎn)物方坐標(biāo)分別為（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4），與之對應(yīng)的外方位元素為[X1Y1Z1φ1ω1κ1]；移站之后，1～4號移站關(guān)鍵點(diǎn)的物方坐標(biāo)為（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4），此時(shí)的外方位元素為[X2Y2Z2φ2ω2κ2]。對外方位元素的求解可分為坐標(biāo)求解和角元素求解。

圖2 移站關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

1）坐標(biāo)求解

設(shè)P為點(diǎn)系（XB1，YB1，ZB1）、（XB2，YB2，ZB2）、（XB3，YB3，ZB3）、（XB4，YB4，ZB4）組成的集合，Q為點(diǎn)系（XC1，YC1，ZC1）、（XC2，YC2，ZC2）、（XC3，YC3，ZC3）、（XC4，YC4，ZC4）組成的集合。坐標(biāo)計(jì)算即計(jì)算P確定的坐標(biāo)系向Q確定的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣S。求解矩陣R和S可采用數(shù)學(xué)SVD變換原理，本文不作贅述。最終坐標(biāo)變換可簡化為

2）角元素求解

故有

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 室內(nèi)標(biāo)定

相機(jī)在室內(nèi)標(biāo)定場的參數(shù)標(biāo)定作為本實(shí)驗(yàn)的第一階段，標(biāo)定場設(shè)置如圖3所示。為保證相機(jī)標(biāo)定結(jié)果的高精度，以3個(gè)坐標(biāo)光筆測量儀為標(biāo)定工具測量標(biāo)定場相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值。按照預(yù)設(shè)的方法調(diào)整前站相機(jī)和后站相機(jī)位置，完成拍攝后，利用后方交會(huì)原理分別解算前站相機(jī)和后站相機(jī)的外方位元素，取3次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果作為最終的標(biāo)定結(jié)果。相機(jī)的外方位元素標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

圖3 室內(nèi)標(biāo)定場

表1 前站相機(jī)標(biāo)定階段外方位元素

表2 后站相機(jī)標(biāo)定階段外方位元素

在已知后站相機(jī)的外方位元素后，利用前方交會(huì)解算出前站相機(jī)上4個(gè)移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，以便對前站相機(jī)的外方位元素進(jìn)行遷移計(jì)算。

4.2 室外測量

室外實(shí)際測量是本實(shí)驗(yàn)的第二階段，實(shí)驗(yàn)對象為1臺額定起重量41 t的門式起重機(jī)，起重機(jī)上的預(yù)設(shè)測量點(diǎn)選擇如圖4所示。

圖4 起重機(jī)實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)

在后站相機(jī)外方位元素不變的情況下，根據(jù)后站相機(jī)所攝的前站相機(jī)相片可直接解算前站相機(jī)上移站關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，然后根據(jù)移站算法得出在此測量場景中前站相機(jī)的外方位元素（見表3）。

表3 前站相機(jī)測量階段外方位元素

在獲得前站相機(jī)的外方位元素后，利用前站相機(jī)所攝的起重機(jī)相片，解算起重機(jī)上各預(yù)設(shè)測量點(diǎn)的坐標(biāo)，所得結(jié)果見表4。

表4 起重機(jī)測量點(diǎn)解算坐標(biāo) mm

為了驗(yàn)證測量結(jié)果的正確性與精確性，本實(shí)驗(yàn)采用全站儀對上述測量點(diǎn)進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表5所示。

表5 起重機(jī)測量點(diǎn)全站儀測量坐標(biāo) mm

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測定后，將攝影測量方法獲得的解算坐標(biāo)與全站儀直接測得的測量坐標(biāo)進(jìn)行對比分析。由于測量的最終目的是為了獲得起重機(jī)相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，故可將起重機(jī)上6個(gè)測量點(diǎn)中任意2點(diǎn)之間的距離作為一個(gè)尺寸測量長度進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。結(jié)果如5圖所示。在15組數(shù)據(jù)對比中，攝影測量方法與全站儀方法的測量長度相對誤差均在1.5%以內(nèi)，最大相對誤差為1.35%，最小相對誤差為0.08%，平均相對誤差為0.52%。通過對測量數(shù)據(jù)的處理分析可知，該攝影測量方法的測量結(jié)果與全站儀的測量結(jié)果基本相同，準(zhǔn)確度和精確度都比較高，可滿足港口起重機(jī)的尺寸測量工作。

圖5 結(jié)果對比與誤差分析

5 結(jié)束語

隨著攝影領(lǐng)域硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷深入研究，攝影測量技術(shù)逐漸開始與計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等高新技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了向自動(dòng)化和信息化的方向發(fā)展，兼具很多優(yōu)點(diǎn)，使該技術(shù)在現(xiàn)代工程測量領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。港口起重機(jī)的測量監(jiān)測任務(wù)作為保證港口長期高效安全運(yùn)行的重要方面，切實(shí)需要一種行之有效的測量手段。本文所述的無控制點(diǎn)攝影測量方法雖可初步完成港口起重機(jī)的測量監(jiān)測工作，但仍有不足，如結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、操作步驟多、智能化程度低等。因此，基于攝影測量的現(xiàn)有技術(shù)，不斷發(fā)掘新方法，并應(yīng)用于港口起重機(jī)的尺寸測量是一種良好的趨勢。