某数字摄影测量系统精度量化评估方法

张鹏嵩，蒋山平，杨林华，赫明钊

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.中国计量科学研究院，北京 100029）

某数字摄影测量系统精度量化评估方法

张鹏嵩1，蒋山平1，杨林华1，赫明钊2

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.中国计量科学研究院，北京 100029）

受到测量试验中被测目标尺寸及结构、控制场布局、测量网形等现场因素的影响，工业数字摄影测量系统的实际测试精度达不到理论精度。文章以V-STARS摄影测量系统为例，针对大型平面天线热变形测量需求，创新性地提出了线型测量精度和面型测量精度的指标，对摄影测量系统的实际测量精度进行了定量评估。测量结果表明，该测量系统的实际测量精度满足0.1mm的测试精度要求。该精度标定方法可为各类型摄影测量系统的实际测量精度评价提供一种直观、可靠的手段。

摄影测量系统；测量精度；定量评价；大型平面天线

0　引言

对一外形尺寸为7500mm×1660mm的平面天线进行常温常压下的模拟在轨热工况的热变形测量试验，测量精度要求优于 0.1mm。试验中采用美国GSI公司的V-STARS单相机摄影测量系统，其标称精度为5 µm+5 µm/m，即本次试验的理论测量精度为 0.043mm。但实际测量中，摄影测量系统的测量精度往往达不到理论精度，这是因为：1）被测量目标尺寸越大、外形结构越复杂，摄影测量拼接精度越低；2）受试验现场条件限制，测量网形强度不能达到最优，从而造成测量精度下降；3）基准尺标定精度与摄影测量系统的兼容性不足，以及基准尺长度随温度的变化，都会造成实际测量精度下降。因此，有必要在测量试验前对测量系统的测量精度进行准确评估［1-2］。然而，国内外在现阶段还没有针对以上影响因素的、完善的量化精度分析模型，只能做定性的评价［3-4］。因此，在特定的测量工程中，如何准确标定摄影测量系统精度成为迫切需要解决的问题。

本文根据摄影测量基础理论和国内外工程测量经验［5］，提出采用线型测量精度和面型测量精度的指标，对V-STARS测量统的实际测量精度进行定量评估。

1　测量精度量化评估原理

首先针对大型平面天线变形测量的试验条件建立与天线测试面等比例的测量控制场；然后，按照平面天线变形测量试验的拍摄网形，对已建立的标准长度和标准参考平面进行拍摄测量，得到线型测量精度和面型测量精度；最后，根据摄影测量系统的测量精度与测量目标尺寸呈线性关系［5-6］，对摄影测量系统应用于实际测量试验条件下的测量精度进行量化评估，以确保天线变形测量数据的可靠性和有效性。

其中，线型测量精度是指模拟天线长度方向上的标准长度测量绝对偏差和重复性；面型精度是指标准参考平面的测量绝对偏差和重复性［6-7］。

2　测量精度的评估方法

2.1线型测量精度

2.1.1标准长度控制场布局

在2个2500mm×1500mm的光学隔振平台上利用2个回光反射靶球设定3700 mmm的标准长度。放置2根长度约为15000mm的标尺：1根平行于标准长度（记为1号标尺）；另1根与标准长度呈15°夹角（记为2号标尺），如图1所示。

图1　线型测量精度标定示意图Fig.1　Schhematic diagramm of linetype mmeasuring accuraa cy caliibration

2.1.2标准长度及标尺标定

采用激光跟踪仪干涉测量模式（见图2）测量控制场中的标准长度，测得其精确值为3 704.378 mmm，并将该值作为标准长度的真值。激光跟踪仪的测量精度为0.4µm+0.3µm/mm［8-9］。

标尺的长度标定采用干涉仪CCCD测量方法：在每根标尺上粘贴6个φ3mm的低温回光反射标志点，先利用CCCD相机显微镜确定标志点中心，再利用干涉仪直接测量标准平移台移动的距离，从而获取标尺的绝对长度。标尺上6个标志点的编号方式如图3所示，每根标尺包含3段不同长度的标尺，分别记为LL16、L25、L344，测得所有6段长度标尺的绝对长度如表1所示。干涉仪及标准气浮平移台如图4所示。

图2　激光跟踪仪干涉测量示意Figg.2　Schematicdiagram of laseer tracker interferro metry mode

图3　标尺标志点编号示意Fig.3　TThe targets nummber on the scall ebar

表1　标尺的标定长度值Table 1　TThe calibrationvalue of the sc alebar

图4　干涉仪及标准平移台Fig.4　Interfferometer and sttandard translatt ion stage

2.1..3测量数据处理

按照平面天线变形测量试验的拍摄网形，在距标准长度约1.3m处进行覆盖全场的拍摄（见图1）。拍摄共分5组，每组约50张，得到5次测量结果。则可计算出摄影测量系统的线型测量精度E和测量重复性S1分别为：

其中：Li为第i次线型测量值；L0为标准长度；为第i次线型测量均值。

2.2面型测量精度

2.2.1标准平面控制场布局

利用光学隔振平台上尺寸为2500mm×1500mm、平面度为5.4 µm（PV值）的平面作为标准平面。在标准平面上均匀粘贴标志点和编码点，建立测量控制场；将2根长度约为1500mm的标尺放置在标准平面边缘，如图5所示。

图5　面型测量精度标定示意Fig.5　Schematic diagram of plane type measuring accuracy calibration

2.2.2测量数据处理

按照平面天线变形测量试验的拍摄网形，在距标准平面1.3 m处进行覆盖全场的拍摄（见图5）。拍摄共分5组，每组约50张，得到5次测量结果。则可计算出摄影测量系统的面型测量精度Δδ和测量重复性S2分别为：

其中：δi为第i次面型测量值；δ0为标准平面度；为第i次面型测量均值。

3　精度测试试验结果及分析

3.1线型测量精度

分别利用1号标尺、2号标尺、1和2号标尺作为基准尺进行解算，并根据软件的解算精度择优选取测量值；然后计算5次摄影测量结果与标准长度真值的绝对偏差和重复性，结果见表2。

表2　标准长度测量结果Table 2　The measuring results of standard length

3.2面型测量精度

将平面度为5.4 µm（PV值）作为标准平面的平面度真值，然后分别利用1号标尺、2号标尺、1和2号标尺作为基准尺进行解算，并根据软件的解算精度择优选取测量值；获得测量标志点与拟合的标准平面的法向偏差，如图6所示，最终的测量结果如表3所示。

表3　标准平面测量结果Table 3　The measuring results of standard plane

3.3V-STARS摄影测量系统精度分析

由线型测量精度和面型测量精度的结果可看出，在常温常压下，使用V-STARS摄影测量系统测量3700mm标准长度和2500mm×1500mm标准平面的测量精度分别为23 µm和28.4 µm。也就是说，使用该测量系统测量外形尺寸为 7500mm× 1660mm的平面天线的测量精度为：线型测量精度优于0.05mm，面型测量精度优于0.085mm（PV值）。因此，该摄影测量方法能够满足大气环境下测量精度优于0.1mm的要求。

图6　标准平面测量偏差针状图Fig.6　The standard plane measuring deviations

此外，在大型平面天线热变形测量试验中，将V-STARS摄影测量系统所测数据与相同测量工况下测量精度为 0.01mm的光纤光栅传感器测量系统所测数据［10］进行转换比对，得知各个温度下的天线变形测量结果一致，且测量值偏差未超出V-STARS摄影测量系统评估的实际精度。

4　结束语

在数字摄影测量实际应用中，其测量精度受被测目标尺寸及结构、控制场布局、测量网形等现场因素的影响，对于特定的摄影测量系统，其实际测量精度往往低于理论精度，而只有经过模拟测量条件的精度标定才能获得较真实、可靠的实际测量精度。本文中针对大型平面天线热变形测量，利用线型测量精度和面型测量精度对V-STARS摄影测量系统进行了实际精度的定量评估。该方法已在型号试验中完成了精度评估正确性、可靠性的验证。此外，在后续大型平面天线变形测量试验时，该评估方法为各类型摄影测量系统的实际测量精度评价提供了一种直观、可靠的手段。

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（编辑：许京媛）

Measurement accuracy of a digital photogrammetric system evaluated by a quantified method

Zhang Pengsong1， Jiang Shanping1， Yang Linhua1， He Mingzhao2
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China；2.China Institute of Measurement and Testing Technology， Beijing 100029， China）

The measurement accuracy of an industrial digital photogrammetric system cannot reach an ideal state because of the effect of the size and the structure of the object， the photogrammetric control field layout， the measuring net and other factors.This paper presents a quantified evaluation method for a digital photogrammetric system V-STARS， where the concepts of the line type measuring accuracy and the plane type measuring accuracy are used in a deformation measurement test for a large planar antenna.The results show that the actual measurement accuracy can meet the test requirement of 0.1mm measurement accuracy.This method can be used for the quantified accuracy evaluation of the other types of digital photogrammetric systems.

photogrammetry system； measurement accuracy； quantified evaluation； large planar antenna

V416.8

B

1673-1379（2015）06-0648-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.016

张鹏嵩（1987—），男，白族，主要从事空间光学工程和光学测量技术的研究。E-mail： zhpsong@126.com。

2015-05-27；

2015-11-13

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