數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量

張 靖

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)

0 引 言

蘇州河河口水閘工程位于上海市北外灘蘇州河與黃浦江交匯處,距離外白渡橋以東約80 m,是上海市重大工程,主要功能包括擋潮、防汛、調(diào)水,承擔(dān)著蘇州河流域855 km2面積內(nèi)500多萬人口的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活防汛安全,以及蘇州河水系綜合調(diào)水的重任。水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由翻板閘門及底軸、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、沖淤裝置、閘門鎖定系統(tǒng)及排水系統(tǒng)等組成。其中,閘門采用四缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行操作,在左右兩岸機(jī)房?jī)?nèi)雙缸并聯(lián)布置,液壓缸為中部轉(zhuǎn)鉸支承結(jié)構(gòu),活塞吊頭與固定于底軸端部的拐臂直接連接[1]。

水閘自建成至今運(yùn)行13年,液壓?jiǎn)㈤]機(jī)密封圈老化,系統(tǒng)內(nèi)滲漏,亟待改造修復(fù)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是水閘的重要組成部分,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變形,需要測(cè)量當(dāng)前結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),為啟閉機(jī)改造修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前工業(yè)精密測(cè)量主要包括全站儀法、跟蹤儀法、三維激光掃描儀法、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法等,由于水閘啟閉機(jī)測(cè)量場(chǎng)地空間比較狹長(zhǎng),設(shè)備設(shè)施較多,且部分結(jié)構(gòu)尺寸幾何特征不能直接測(cè)量,為了高效率、低成本、高精度獲得結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),最終選用以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為主,輔以手持三維激光掃描儀法進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作為光學(xué)測(cè)量的特殊手段之一,具有非接觸式、測(cè)量方式靈活、自由測(cè)站、實(shí)時(shí)三維點(diǎn)云測(cè)量等特性,目前已廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景測(cè)量中[2]。趙文峰等利用多基線近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行邊坡位移監(jiān)測(cè),通過項(xiàng)目實(shí)施驗(yàn)證了其在邊坡位移監(jiān)測(cè)中的可行性[3];李天子等利用近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行基坑土方計(jì)算,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,較傳統(tǒng)測(cè)量計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果誤差小于5%,驗(yàn)證了攝影測(cè)量技術(shù)在土方計(jì)算中的可行性與實(shí)用性[4];鄭敏等將攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于特大型蝸殼變形監(jiān)測(cè)中,該方法操作簡(jiǎn)單,能夠在惡劣環(huán)境中使用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)[5];楊超等利用近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行耕地土壤侵蝕速率研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)地形變化,能夠可靠推算土壤侵蝕速率[6];王鳳艷等利用攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)面空間坐標(biāo),在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相關(guān)模型[7]。

本文以該項(xiàng)目為例,研究了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量方法。首先介紹了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量技術(shù)思路,然后介紹了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基本原理、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量參數(shù)及要求、測(cè)點(diǎn)布置、網(wǎng)型設(shè)計(jì)等相關(guān)問題,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量的可行性,為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 總體技術(shù)思路

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量技術(shù)思路如圖1所示。主要包括:現(xiàn)場(chǎng)踏勘、待測(cè)對(duì)象上粘貼測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)及編碼標(biāo)志、放置定向棒及基準(zhǔn)尺、現(xiàn)場(chǎng)拍照測(cè)量、圖像數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模分析等。

圖1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量技術(shù)流程圖

2 測(cè)量方案與施測(cè)

2.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基本原理

利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可以快速獲取觀測(cè)對(duì)象三維坐標(biāo),根據(jù)攝站數(shù)目可以分為單攝站測(cè)量和多攝站測(cè)量。本文采用多攝站測(cè)量方式,原理如圖2所示,從兩個(gè)以上的攝站獲取觀測(cè)對(duì)象圖像,基于共線方程原理(見公式1),對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到觀測(cè)點(diǎn)精確X、Y、Z坐標(biāo)[8-9]。

圖2 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理圖

(1)

2.2 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量設(shè)備

文章中所采用設(shè)備為一套光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),由數(shù)字量測(cè)相機(jī)、基準(zhǔn)尺、反光標(biāo)志和靶球等組成。系統(tǒng)以數(shù)字相機(jī)為傳感器,通過數(shù)字圖像處理、攝影測(cè)量相關(guān)計(jì)算等獲得被測(cè)物體的高精度三維坐標(biāo)。測(cè)量系統(tǒng)主要特點(diǎn)有:① 測(cè)量范圍大,0～100 m;② 測(cè)量精度高,最高精度為3 um+3 um/m;③ 測(cè)量效率和自動(dòng)化程度高;④ 非接觸式測(cè)量;⑤ 受溫度影響小,可在高低溫、震動(dòng)等苛刻條件下工作。

2.3 測(cè)量參數(shù)及要求

啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,測(cè)量?jī)?nèi)容包括:① 拐臂外形尺寸;② 啟閉機(jī)支座最右側(cè)一排螺栓中心線至拐臂銷軸中心的水平距離L1、油缸支座頂面與拐臂銷軸中心的豎直向距離L2;③ 拐臂銷軸中心線與啟閉機(jī)支鉸中心線的夾角;④ 油缸鉸支座底板尺寸、螺栓間距、同一油缸兩個(gè)鉸支座間距等。設(shè)計(jì)測(cè)量精度要求為0.1 mm。

圖3 啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置包括:標(biāo)志點(diǎn)、編碼標(biāo)志、定向棒及基準(zhǔn)尺,如圖4所示。在啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位置粘貼標(biāo)志點(diǎn),用以獲取特征點(diǎn)空間三維坐標(biāo),點(diǎn)位精度可達(dá)到0.02個(gè)像素精度。在測(cè)量區(qū)域布置編碼標(biāo)志、定向棒及基準(zhǔn)尺[10-11]:編碼標(biāo)志用于圖像間的匹配拼接;定向棒上有輔助控制點(diǎn)用以反算圖像近似外方位元素,為平差提供初始值;基準(zhǔn)尺提供長(zhǎng)度基準(zhǔn)。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.5 攝影測(cè)量網(wǎng)型設(shè)計(jì)

根據(jù)已知相關(guān)文獻(xiàn)可知,合理的攝影測(cè)量網(wǎng)型可以有效提高攝影測(cè)量精度,本項(xiàng)目中攝影測(cè)量網(wǎng)型設(shè)計(jì)原則[12]如下:① 每個(gè)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)盡量被四個(gè)以上不同位置攝站所拍攝;② 每個(gè)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)交會(huì)角盡量在60°～120°之間;③ 每個(gè)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的攝影入射角盡量小于45°;④ 每個(gè)攝站盡量拍攝所有標(biāo)志,保持像片間100%重疊;如果不能,則相鄰像片間盡量有較多重疊和公共點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 圖像數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目共采集照片563張,利用MetroDPM數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理,主要過程包括[13-15]:① 圖像導(dǎo)入;② 圖像處理,提取圖像中像點(diǎn)坐標(biāo),識(shí)別圖像中編碼標(biāo)志及定向棒位置;③ 測(cè)站概略定向、平差;④ 測(cè)站間像點(diǎn)匹配;⑤ 整體光束法平差,精確確定測(cè)站位置以及測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)。本項(xiàng)目數(shù)據(jù)精度為:測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)X、Y、Z中XRMS為0.029 9 mm,YRMS為0.037 5 mm,ZRMS為0.029 5 mm,測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模分析

通過數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)對(duì)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拍照測(cè)量,經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)處理,獲取了其點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖5所示。

圖5 啟閉機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析,可計(jì)算求取相關(guān)測(cè)量參數(shù)。本文以計(jì)算拐臂銷軸中心線與啟閉機(jī)支鉸中心線的夾角為例,介紹建模計(jì)算方法,如下:

(1)識(shí)別拐臂銷軸與啟閉機(jī)支鉸構(gòu)件相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖5畫圈所示。

(2)利用特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合與投影,確定2個(gè)拐臂銷軸中心點(diǎn)與2個(gè)啟閉機(jī)支鉸中心點(diǎn)坐標(biāo)。中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算以拐臂銷軸中心為例,見圖4,拐臂銷軸為圓柱體,拐臂銷軸中心點(diǎn)則為圓柱體底部圓心,求取拐臂銷軸中心點(diǎn)坐標(biāo)分為:① 利用圓面上點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合平面;② 將柱體點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面上;③ 利用平面上投影的點(diǎn)擬合圓,計(jì)算圓心坐標(biāo),從而確定拐臂銷軸中心點(diǎn)坐標(biāo)。拐臂銷軸中心線與啟閉機(jī)支鉸中心線關(guān)系如圖6所示。

圖6 中心線空間關(guān)系

(3)利用直線空間關(guān)系,計(jì)算拐臂銷軸中心線與啟閉機(jī)支鉸中心線的夾角,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 角度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)具有很高的測(cè)量精度,具有工作效率高、非接觸式、測(cè)量方式靈活、自由測(cè)站、實(shí)時(shí)三維點(diǎn)云測(cè)量、適用復(fù)雜觀測(cè)條件等優(yōu)點(diǎn),故在工業(yè)結(jié)構(gòu)尺寸精密測(cè)量中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本文研究了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基本原理、測(cè)點(diǎn)布置原則、網(wǎng)型設(shè)計(jì)原則、數(shù)據(jù)建模處理等相關(guān)問題。得出一些結(jié)論:

(1)采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)測(cè)量啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸,較傳統(tǒng)測(cè)量方法,不僅提高了測(cè)量效率,而且測(cè)量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量方法,為啟閉機(jī)改造修復(fù)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

(2)基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可達(dá)0.05 mm。