基于近景摄影测量技术的结构变形监测应用研究

2019-01-03罗元丹蒋刘华

中国金属通报 2019年6期

罗元丹，蒋刘华

（1.江西核工业二六八测绘院，江西上饶 334000 ;2.宁波市镇海规划勘测设计研究院，浙江宁波 315000）

近景摄影测量是一种非接触量测方式，具有可以实时获取地表信息、以数字方式存储和实时观测等优点，其在结构变形领域取得了广泛应用。根据材料结构变形标准，应控制结构变形的范围，防止结构变形产生的破坏范围不断扩大。在本文中所要介绍的变形控制技术，在科学合理的技术措施实施后，保证结构出现的变形问题，不会对结构产生严重的破坏。

1 近景摄影原理应用及误差分析

1.1 近景摄影测量常用坐标系

在摄影测量技术不断发展过程中，目前已经出现多个测量领域，如地形地面摄影测量、航空摄影测量以及近景摄影测量等，而且其测量过程会建立多种坐标轴系统。在近景摄影测量技术中，所使用的坐标系统一般为三种物方空间坐标系，在该坐标系中主要测量物体在运动中出现的形状变化以及运动状态等。例如，对某物体进行近景摄影测量时，在方物空间坐标系内，明确测量物体方点在坐标系内的位置。在确定方点位置时，方物空间坐标系以右手为直角坐标系，就是利用右手的拇指、食指以及小指组成互相垂直的形状，拇指为x轴，食指为y轴，小指为z轴，三指的交点为坐标原点。Thomas Kersten等人将数字近景摄影测量技术用于结构变形监测中，在X、Y、Z三个方向上的误差分别为10.8mm、6.7mm、6.9mm。利用非量测数字相机在摄影距离为2m左右的情况下，摄影测量三维重建的精度在X、Y、Z三个方向上分别达到了3.1mm、4.9mm、2.5mm的精度DEM的垂直精度为12.6mm。根据测量物体在空间的位置，将摄影中心与坐标原点重合，在中心点摄影测量空间内的物体。在摄影测量时，摄影中心位置应注意与相片间的主距，并作为垂直距离应用在近景摄影测量中，而物体与镜头的距离称为焦距。与固态摄像机测量技术相比，主点光线的在近景摄影测量技术中的概念，要突出与物镜光轴在固态摄像机的概念作用。

1.2 像片的内方位元素与外方位元素

根据像片和光束在物方空间坐标系中，其位置和朝向元素特点，通常将像片元素分为内方位元素和外方位元素。像片内方位元素特点，主要体现在恢复摄影时产生的光束形状，在物方空间坐标系中确定物体位置和朝向。而在恢复摄影时，内方位元素出现的光束形状，成为摄影中心与物体像片产生位置关系的重要元素。在使用专用测量摄影设备进行物体测量时，一般产生的像片会由多个框标成像组成，而框标位置应进行严格的测定后才能确定。如果在坐标系内，出现四个框标像片，通常会组成一个框标坐标系。

2 近景摄影测量中基本摄影方式

在近景摄影测量中，所采用的基本摄影方式主要有两种，包括正直摄影方式以及交向摄影方式。在使用正直摄影方式时，将像片与两像片的主光轴建立平行关系，同时像片还应垂直与摄影基线。在实际摄影操作中，根据不同的摄影对象，选择的摄影基线可以在任意方向上，如水平方向或者铅锤方向，而且将两光轴与基线保持垂直关系，使两像片一直处于摄影状态。使用交向摄影方式时，首先像片应与对应两像片的主光轴，然后在保持在同一个平面内即可，不能出现平行或者垂直的情况。在实际摄影操作中，两主光轴可以产生相交的电，其角度作为摄影中的交会角使用。在使用正直摄影方式时，尽管产生的影像会出现变形问题，主要是由于测量物体会出现起伏的状态，但是该摄影方式仍广泛的应用在模拟近景摄影测量，或者解析摄影测量中，并且可以使用肉眼对物体可以进行立体测量。另外，使用交向摄影方式产生的图像也会出现变形问题，而且也是由于测量物体出现起伏状态造成的，但是也会受到两像片出现的相对角度较大问题引起的。所以，使用交向摄影方式时，通常不会应用在对物体进行肉眼测量中，一般会广泛的应用在解析近景摄影测量以及数字近景摄影测量中。在使用正直摄影方式时，产生的像片通过重叠使被测物体具备航带网或者局域网摄影特点。在交向摄影方式中，该方式可以对测量物体实现多重覆盖的目的，其作用体现在提升被测物体的精确度。

3 影响摄影测量精度的主要因素

为提高摄影测量精度，应对以下影响精度的因素进行分析：第一种，如果成像系统的分辨率无法满足摄影需求，通常会造成成像系统出现几何畸变误差问题；第二种，摄像设备出现较大的安置误差。其中最主要的影响因素，来自于成像系统的分辨率，如果成像分辨能力较低，无法将被测物体中最小细节展现在像片上。

在对图像物面分辨率分析时，分辨率主要体现在图像中的像素大小，并作为表示空间物面尺寸重要的组成部分。例如，测量物体的物面只有几个平方毫米大小，要求分辨率的精度能够满足毫米测量要求，但是如果测量物体的物面有几个平方厘米，分辨率的精度无法体现出毫米测量级别。

因此，在使用数码摄影测量物体过程中，为提高对物体的测量精度，可通过提高摄影机的分辨率达到测量精度标准。如果使用的摄影设备分辨率无法调整，可以将物体放置在小型环境中，同时将物体与摄影机控制在最小的距离内，目的是在后期处理时，放置像片内的像素受到破坏，造成测量精度出现不准确问题。另外，使用摄影设备对建筑物体进行摄像测量过程综合，如果受到环境中光线影响，或者摄像角度影响，对摄像的精度都会造成影响。为提高近景摄影测量精度，应在处理图像时，加强质量处理已经细化过程。

在进行图像细化处理时，一般是对图像中的信息骨架进行处理，通常会对一个单位的像素进行细化处理。而在对立体物体进行细化处理时，一般使用的细化方法包括贴信息元片以及投影信息元。在使用贴信息元片方法时，由于贴片是在特殊设计后，其具备规则性和唯一性信息的特点，通过算法可以准确的处理图像骨架。

在处理图像骨架时，一般在固定的区域内将信息不断的细化处理，然后将信息建立成线段排列成点阵，在每个点阵内将每个像素点进行深度的细化。在对图像进行细化处理时，为提高分辨率精度，通过算法分配像素点实施细化操作。

在科学技术不断发展中，许多数码技术广泛的应用在提升分辨率中，但是在提升分辨率的同时，数码产品的价格也不断提升。因此，如果只通过提升摄影设备的分辨率提高摄影测量精度，通常需要承受巨大的经济压力。因此，还是对图形以及图像处理技术提升分辨率。

4 相机镜头畸变检测摄影机

在摄影测量操作过程中，需要对每张影像光束产生的形状进行不同程度的恢复处理，而在内方位元素恢复中，应将摄影中心与像片建立相对几何关系。为获得恢复良好的摄影光束形状，应根据光学畸变系数，计算恢复光束形状，然后进行检查和校正。如果没有实施严格的检查和校正操作，通常摄影后生成的图像其精度相对较低，而且镜头出现的畸变误差较大，主要是受到环境中光线。温度等因素影响。目前，在近景摄影测量中，检查和校正内容主要包括主点位置、测定压平装置以及畸变误差等。另外，不同类型的近景测量设备操作时，都要进行检查和校正，防止设备内内方位元素、光学畸变误差对摄影精度产生影响。