三维数据采集中近景摄影测量的应用

阮芳

摘 要：随着社会经济的发展，近景摄影测量的应用越来越广泛，目前近景摄影测量已经广泛应用于建筑工程，航空航天技术，汽车制造，医学，古建筑与古文化研究，考古等领域。文章主要讨论了几种三维数据采集时近景摄影测量技术的应用。

关键词：三维数据采集；近景摄影；测量

1 近景摄影测量系统构成

（1）检查过的两个碳纤维尺两个，碳纤维尺两端的白色编码点有严格的尺寸要求。（2）非测量相机尼康D300S24mm定焦镜头，1200万像素。（3）用于摄影位置编码点和几个定位十字。（4）TRITOP软件。之所以无法跟测量相机一样进行内、外方位定位、对象（即非代码点）的定位必须依靠人工定义的特殊图形即编码的识别点才能完成，因为测量相机的使用。

下面以德国GOM公司的TRITOP光学测量系统进行说明，如图1所示。

2 近景摄影成像原理

通过摄影手段以确定目标外形的测量方法称为近景摄影测量。相机的姿态定位及数字照片的定位是近景摄影的关键技术，其定位方式直接关系到相机的成像精度。目前市场上技术成熟的非量测摄影系统有AICON公司的德通社-pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统等。使用非量测摄影系统进行三维定位点构建时，经常使用形如图2所示的非编码点和编码点的人工标识，方便于软件在定位解算时识别，是因为非量测摄影系统不具备专业量测摄影系统的定位框标，无法进行相片的内方位元素和外方位元素的定位，二维图像重建广场空间是近景摄影测量的主要任务，这是图像形成的反过程。

近景摄影测量中常用的坐标系统有三种，对物体进行三维测量可以利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程，能够解算出物方点坐标。由于对摄影精度要求较为苛刻，为了确保摄影精度，在近景摄影测量中，常常使用多重交向摄影技术对被测物体进行测量。通过一点多角度多次摄影，就能达到较高测量精度。多摄站式交向摄影。超过两次对同一点的摄影，有利于被测物体精度的提高和软件解算的稳定性。但是一般两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位。对于TRITOP摄影系统按德国VDI/VDE2634标准方法检测精度可达0.0125mm/m。

3 近景测量的主要应用

3.1 古代建筑物或者遗址的精密测绘

古代建筑一般都经历了成千上万年的历史，由于自然和人为的破坏，保护和修复工作显得尤为重要。无论是国内还是国外，越来越多的古建筑古遗址修复工作正在展开。目前传统的建筑古老的历史记录测量的方法主要有：直接测量法、免棱镜全站仪测量法、三维影像扫描法。每种测量方法都或多或少存在缺点。直接量测法的缺点是要直接接触，容易造成建筑物损坏，而且该方法效率低下，容易出现人为的误差精度不高。免棱镜全站仪测量虽然不用直接接触，避免对建筑物的破坏但是在结构复杂时精度不高。传统的测量方法很难准确地衡量古建筑的整体结构条件下，如列和光束倾斜，弯曲梁和方舟子，框架的倾斜和沉降等。使用传统建筑测量只能测量记录一个接一个，只要有轻微的疏漏就很难完整的表达，不能依照整个测量过程。使用现代的近景摄影测量手段可以更好地解决问题。

3.2 建筑物变形的测量

随着社会经济的发展，越来越多的建筑物和桥梁在各地陆续建起，在建设的过程中以及建成后我们都需要对建筑物的变形进行观测。与其他测量工作相比，变形监测要求的精度比较高，并且要求一定频率的重复观测建筑物上布置的变形监测点。获得监测点的三维（X，Y，Z）位移变化。建筑物变形监测的主要方法有三种：地面监测技术、GPS监测方法、近景摄影测量法。[5]

3.3 现场视觉及工业制造的精密测量

这几年来，伴随着制造技术的进步，也对精密测量技术提出了新要求。先进制造必备的关键技术之一就是在工业现场使用精密三维坐标测量技术。在工业上，为了得到被测物体准确的表面尺寸（监测项目的三维数据），通常使用投影光栅扫描设备。提高三维测量精度最有效的方式是使用近景摄影测量方法建立具有非编码点群的三维测量。基于测量汽车外表面为例，表达的近景摄影测量原理和使用方法，提出了以实现大尺寸物体的精确测量而使用近景摄影测量投影和光栅扫描方法的组合。结果表明，三维数据采集使用近景摄影测量方法不仅在很大程度上提高大尺寸物体的扫描精度，而且提高扫描效率。近景数字摄影视觉测量技术是一个专注于精密测量技术的研究和应用，用于精密测量，基于数字成像和摄影、图像处理和精密测量原理的基础上，一种新型的精密测量技术。传统的通用三维精密测量仪器（CMM）一般不能应用于生产领域，只能用于特殊的测量环境，因为测量仪将受到线性导轨运动的条件。最近开发了各种不同类型的三维精密测量技术和设备，以适应制造技术的进步，如：近景数字摄影、激光跟踪干涉测量系统，视觉测量系统基于机器人柔性坐标测量系统，等等。

4 近景摄影测量一般流程

在工业三维数据采集的过程中，只要遵守一定的操作流程就能获得准确的结果。但是不当的操作流程会给数据采集带来不可预知的测量误差。近景摄影测量的一般流程如下：第一，规划测量意图：确定测量方案，比例尺放置在恰当的位置。第二，选择适宜的工作环境：尽量不在强光和振动的环境下进行测量，温度20°为宜。第三，被测物体预处理：此过程一般涉及三个方面：（1）被测物体表面要贴上白色非编码定位点；（2）将白色显影剂喷涂在被测物体表面；（3）放置编码点。第四，近景摄影的测量：初始摄站位置需正对一根比例尺用来拍摄4副两两相互成90°夹角的相片，使用相机在距离被测物2m左右的地方进行多摄站拍片，完成相机标定。第五，照片处理：与TRITOP软件对整个拍的全部相片绑定，得出三维框架。第六，数据收集：定位的三维框架进行基于3d的扫描对象，得出符合测量精度的三维点云。

5 结束语

我們提出利用多重交向摄影的近景摄影测量方法，就是使用特殊人工标识，为提高大尺寸物体光栅投影扫描的精度，通过编码点即普通非量测摄像机，将解算结果利用于光栅投影扫描设备，并对非编码点建构三维空间尺寸，得到符合测量精度的密集点云。事实证明，此方法不仅实现了物体的高精度测量，而且又提高了扫描效率。关于近景摄影测量的现行趋势是：能不断满足低、中、高以及超高精度的工作要求，发展模块完整数据归算系统。总之，根据现行活动的情况和暗中隐现的趋势来看，近景摄影测量将会应用到越来越多的行业和地方，为我们的生活和工作带来便捷。

参考文献

[1]张德海.大型复杂曲面产品近景工业摄影测量系统开发[J].光电工程，2009，36（5）：122-128.

[2]冯文灏.近景摄影量测[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T12979-2008.近景摄影测量规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]盖绍彦，达飞朋.光栅投影三维精密测量[M].北京：科学出版社，2011.

[5]林勋.建筑物变形监测的综合研究[J].长春工程学院学报，2005，6（2）：45-48.