近景摄影测量系统在相似模型位移监测中精度分析

朱庆伟，信泰琦，孙学阳

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)



近景摄影测量系统在相似模型位移监测中精度分析

朱庆伟1，信泰琦1，孙学阳2

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

[摘要]针对相似材料模型试验现有观测方法所存在的工作量大、自动化程度低等缺点，采用近景摄影测量系统进行相似材料模型试验的位移观测；分析了拍摄光照环境、拍摄位置、观测距离及布点方案等因素对近景摄影测量系统解算精度的影响。通过试验得到了最佳数据采集方案，进一步提高了系统的解算精度，是相似材料模型位移观测的有效方法。

[关键词]近景摄影测量；相似材料模型；位移监测；开采沉陷

开采沉陷是使矿区生态环境遭到破坏的直接原因，为避免开采沉陷灾害必须有效地控制和减轻地表沉陷程度[1]。相似材料模型试验以相似理论为基础，是研究地下采矿引起岩层破坏及地表变形的重要方法[2-4]。位移的测量是相似材料模型试验的主要观测内容，是分析原型力学行为的基础。传统的模型观测方法一般分为物理测量或机械测量方法，通常存在观测装置或传感器安装麻烦、工作量大、采样点有限、损坏模型等缺点[5-7]。如插针法、反射仪法、显微镜法、灯光透镜法、用钢板尺、百分表、精密水准仪等，只能观测一个方向的位移[8-11]；传统的经纬仪或全站仪等仪器外业工作量大，有很大的局限性且测量精度较低[12]；三维激光扫描新技术虽已广泛应用于三维实体测量中，但其坐标测定精度仅为±(1～2)mm，难以达到模型试验的精度要求[13-14]。

本文所使用的近景摄影测量系统(XJTDP)由西安交通大学自主研发，可以精确地获得离散目标点的三维坐标[15]。但是在相似材料模型试验变形测量中，其数据处理结果的整体精度有待提高。本文对影响系统解算精度的不同因素进行了试验分析，并得出了最佳的数据采集方案，从而为岩层移动和地表变形规律的进一步认识提供支持。

1近景摄影测量原理

近景摄影测量系统是用一个数码单反相机从不同的观察角度拍摄被测物体的多幅图片，然后检测图片的所有相关目标点，通过相关算法自动计算图片中的标志点和物体特征点的三维坐标。该系统由专业相机、软件系统、高精度标尺和标志点组成。摄影测量的基础是透视几何理论，它是通过拍摄的图片采用前方交会方法来计算三维空间中被测物几何参数的一种测量手段，其原理见图1。

图1　多幅拍摄标志点的前方交会示意

2精度影响因素的研究

为了研究各种因素对近景摄影测量系统解算精度的影响，需对每个变量都做相应的相似材料模型试验，但是在实际条件中是不现实的，因此本文设计了如图2所示模型，长度2.5m，高1.2m。试验时均采用此模型及布设方案，除改变要分析的影响因素外，其余参数均不变。

图2　模型设计及布设方案

近景摄影测量系统的影响因素多种多样，本文从拍摄光照环境、拍摄位置、拍摄距离、布点方案等方面进行分析，分别比较了各种情况下系统的解算精度。

2.1拍摄光照环境对精度影响分析

变形监测与沉陷工程实验室位于地下停车场，自然光无法照射进来，只能采用灯光照明。由于室内采用LED灯管进行照明，因此光照的均匀程度可能对照片质量影响较大。在其他条件不变的情况下，分别在自然光和室内照明条件下进行实验。用近景摄影测量系统解算后的精度结果见图3。

图3　不同光照条件下系统精度对比

从图3中可以看出在其他条件都相同的情况下，只改变光照条件时其模型的观测精度存在一定的差异。室内照明条件下近景摄影测量系统的中误差均小于1mm，而自然光照条件下的系统中误差均小于0.3mm；因此在自然光照条件拍摄时，系统中误差均小于室内照明条件下的系统中误差，且自然光照条件下系统中误差分布更均匀，也就是说近景摄影测量系统的解算结果更稳定。因此要选择光照明亮且均匀的环境下进行数据的获取，以便取得可靠性较高的原始数据。

2.2不同拍摄位置的精度影响分析

拍摄相片之间的角度不同影响近景摄影测量系统的相对定向精度，从而影响标志点的三维坐标的重建精度。因此分组从不同拍摄角度来采集照片进行解算分析，以便得出近景摄影测量系统对相似材料模型试验的最佳观测方案。

试验共设计了5种拍摄方案，按摄站数量进行区分：2个摄站，在相似材料试验模型的正前方中间一层，使2个拍摄位置与模型中心所成夹角为60°处进行摄站，见图4(a)；4个摄站，在2个摄站的基础上将其分为上下2层进行拍摄，见图4(b)；6个摄站，共分2层，每层的3个拍摄位置与模型中心的连线将平面均分为4份，即2个摄站与模型中心连线的夹角呈45°，中间的拍摄位置正摄模型，见图4(c)；9个摄站，分上中下3层，其中中间一层为正摄模型进行拍摄，每层之间与模型中心连线的夹角呈45°，见图4(d)；15个摄站，从相似材料试验模型上方俯视每个相邻摄站与模型中心连线的夹角呈30°，共分上中下3层，其摄站形式与图4(d)类似。

图4　不同摄站示意

按照以上所述的拍摄方案进行照片的获取，然后用近景摄影测量系统解算得到8组试验数据，并制作散点图(图5)。

图5　不同拍摄位置的系统解算精度对比

从图5中可以很直观地看出，系统的中误差随着摄站数目的增加逐渐减小。当从9个摄站增加到15个摄站时，其精度已基本保持不变，说明在本实验中9个摄站的精度已较高，无需再用15个摄站进行数据获取。这样既保证了数据获取的质量，又节省了一定工作量，有助于提高工作效率。若模型较大时，应该采取摄站较多的拍摄方式以获得更多的照片便于数据拼接求解。

2.3不同观测距离的精度影响分析

观测距离的远近通过影响单次数据采集时照片拍摄张数以及照片质量从而影响观测结果的解算精度。当采用较小的观测距离时，由于单幅照片拍摄范围较小，观测整个模型时所需照片张数较多，照片拼接精度将会降低系统的解算精度；如果采用较远的观测距离，单幅照片拍摄范围变大，整体拍摄照片张数会减少，但远距离的观测对标志点识别的误差也随之增大，从而影响观测结果的解算精度。因此，观测距离是否恰当是影响照片拍摄质量的一个重要因素，需要进行试验对比分析。

最佳观测距离试验过程如下：首先将相机对焦模式调到手动对焦模式，使相机的其他参数保持不变，只改变相机与模型之间的拍摄距离，对同一模型采用相同的观测方法，分别选择2m，3m，4m，5m和6m共5个位置采集模型表面观测点的照片信息。2m的观测距离是指每次观测时第一张照片拍摄时的距离，即每次模型观测时定焦的距离，其余照片的拍摄距离设置在2m左右；相应的对于3m，4m，5m及6m的定焦距离均为其对应数值，其观测距离都在定焦距离附近。数据采集后系统解算的结果如图6所示。

图6　各观测距离中误差散点

根据图6分析可得，每个固定观测距离处的系统解算数据的精度大体位于一定范围内。随着摄站距离由近到远，近景摄影测量系统的解算精度先减小后增大，在4～5m之间获得最小中误差，即系统精度最佳。得出的最佳观测距离可为以后其他模型的数据采集提供可靠的理论支撑。

2.4不同布点方案的精度影响分析

编码点数量刚能满足近景摄影测量系统解算要求时，一般无法达到精度要求，适当增加编码点数量可以提高模型的解算精度，但是过多地增加控制点的数量，不仅不会显著提高解算精度，反而会增加计算时间，降低工作效率[16]。为了探究编码点数目对近景摄影测量系统解算精度的影响，分别布置了不同数目的编码点及布设方案，进行了一组试验，通过系统解算结果见图7。

图7　编码点数目对系统精度的影响统计

由图7可以看出，随着编码点数量的增加，近景摄影测量系统的解算精度也在逐步提高。但是，当编码点数量增加到14个以上时，其精度的提高并没有那么明显了。因此，当编码点数量为14个时系统解算精度即可达到要求。可见，编码点数量的增加能在一定程度上提高物方坐标的解算精度，但并不是编码点数量越多，精度就越好，而是有限度的，过多的布设控制点，不仅不能更好地改善精度，而且还会增大外业和内业的处理工作，而且过多地布设编码点还会受外界环境条件的限制。

3结论

通过对拍摄光照环境、拍摄位置、观测距离及布点方案对近景摄影测量系统解算精度的影响的探讨分析，得出以下结论：当拍摄光照环境明亮、均匀时有利于获取清晰的照片；9个分布匀称的拍摄位置即可采集足够精度的照片数据；相机与被测物体的最佳拍摄距离为4～5m；在相似材料模型的位移观测面布设14个左右的编码点进行坐标转换即可使近景摄影测量系统的解算精度达到一定要求。

经过实验分析得到了相似材料模型试验位移监测的最佳数据采集方案，从而提高了近景摄影测量系统的解算精度并使其更加稳定，为模型力学行为的分析提供了有力支持。

[参考文献]

[1]何国清，杨伦，凌赛娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[2]余学义，张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社，2010.

[3]顾大钊.相似材料和相似模型[M].徐州:中国矿业大学出版社，1995.

[4]李鸿昌.矿山压力的相似模拟试验[M].徐州:中国矿业大学出版社，1988.

[5]徐剑坤，马文顶，王恩元，等.数码位移测量仪及其在相似模拟实验中的应用[J].采矿与安全工程学报，2011，28(3): 468-471.

[6]汤伏全.近景摄影测量用于岩移模型的位移观测[J].西安矿业学院学报，1990，10(4): 57-64，96.

[7]张羽强，黄庆享，严茂荣.采矿工程相似材料模拟技术的发展及问题[J].煤炭技术，2008，27(1): 5-7.

[8]陈冉丽，吴侃.相似材料模型观测新技术[J].矿山测量，2011(6): 84-86，89.

[9]汤伏全，姚顽强，夏玉成.测定相似材料模型实验数据的数码照相方法[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2008，27(3): 333-336.

[10]王炜，周拥军，寇新建，等.二维模型试验的数字摄影及其数据处理[J].勘察科学技术，2005(1):25-28.

[11]张静，吴侃，敖剑锋.采场上覆岩层动态移动规律研究[J].煤矿开采，2012，17(2):20-22，85.

[12]徐良骥，高永梅，张玉.全站仪在相似材料模拟实验中的应用[J].现代情报，2004(4):190-191.

[13]任丽艳.开采沉陷预测与数值分析中的三维地质建模研究[D].北京:中国矿业大学(北京)， 2012.

[14]王来强.单点数码照像法在相似材料沉陷预计模型中的应用研究[D].西安：西安科技大学，2009.

[15]肖振中.基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量关键技术研究[D].西安:西安交通大学，2010.

[16]刘善伟，张杰，马毅.控制点数量与DEM分辨率对海岸带遥感影像正射校正精度影响分析[J].海洋科学，2009，33(4)：9-13.

[17]朱庆伟，马宇佼.基于三维激光扫描仪的建筑物建模应用研究[J].地理与地理信息科学，2014，30(6)：31-35

[责任编辑：施红霞]

Displacement Monitoring Precision of Similarly Model with Close-range Photogrammetry System

ZHU Qing-wei1，XIN Tai-qi1，SUN Xue-yang2，

(1.Surveying Science & Technology College，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Geological & Environment College，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract：In order to solve the problems of heavy workload and low automation of traditional surveying method in similarly material model experiment，close-range photogrammetry system was used to displacement monitoring in similarly material model experiment，some factors that influenced calculation precision of close-range photogrammetry were analyzed，which included luminous environment，position，surveying distance and points distribution scheme and so on.The best data collection scheme was put forward after experiment，the calculation precision was improved future，it was an effective method for displacement monitoring of similarly material model experiment.

Key words：close-range photogrammetry；similarly material model；displacement monitoring；mining subsidence

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家自然科学基金项目(41272388)；陕西省自然科学基金资助项目(2015JM5194)

[作者简介]朱庆伟(1975-)，男，陕西西安人，副教授，博士(后)，主要从事开采沉陷方面教学与科研工作。

[中图分类号]TD173.5

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0106-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.028

[引用格式]朱庆伟，信泰琦，孙学阳.近景摄影测量系统在相似模型位移监测中精度分析[J].煤矿开采，2016，21(2)：106-108，113.