近景摄影测量活动控制系统的制作与检验

田慧

摘  要：活动控制系统具有标志明显、成像清晰的特点，正好弥补了路堑、采石场等破碎岩质边坡、结构面相对破碎、特征点不清的缺点。设计并制作了一套活动控制系统，该系统具有携带方便、装配速度快、结构稳定等特点。它能在近景摄影测量中起到有效、快速的控制作用。在研究中，对活动控制系统的设计、制造和稳定性试验进行了研究。实验结果表明，该控制系统结构稳定，携带方便，控制点图像清晰。

关键词：近景摄影测量  活动架  坐标转换  研究

中图分类号：P234                              文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0032-03

Making and Testing of Activity Control System for Close Range Photogrammetry

TIAN  Hui

（Guangzhou Southern Surveying and Mapping Technology Co.，Ltd.， Beijing， 100000 China）

Abstract： The activity control system has the characteristics of obvious signs and clear imaging， which just makes up for the shortcomings of broken rock slopes such as cutting and quarry， relatively broken structural plane and unclear feature points. According to the need of close range photogrammetry， an activity control system is designed and made. The system is easy to carry， fast to assemble and stable in structure. It can play an effective and fast control role in close range photogrammetry. In the research， the design， manufacture and stability test of the activity control system are studied. The experimental results show that the control system has stable structure， easy to carry and clear control point image.

Key Words： Close range photogrammetry; Movable frame; Coordinate transformation;Research

为了解决在摄影测量中使用非量测相机时摄像机内外方位元素未知的问题，可以设计一种能提供控制坐标的活动控制架。活动控制架作为一种便携式三维坐标控制系统，能够快速、有效地在目标周围建立有效的控制，为近景摄影测量快速有效的控制坐标系提供了方便快捷的控制坐标系统。采用三维工业测量方法测量活动控制架表面控制点的坐标，并对测量的坐标进行分析处理。

近景摄影测量在应用时，有时会遇到被测目标较小，为数众多，且目标处在不同位置，并且不宜使用常规测量方法在现场施测控制点，这种情况下就可以使用活动控制系统。在一种携带方便的结构稳定的金属构架上均匀分布一定数量的二维或三维控制标志，事先测得这些控制标志的坐标，就构成了活动控制系统 [1]。当同时对目标物体与此活动控制系统拍摄后，被测物体就自然地纳入到它的坐标系内。

1  活动控制-近景摄影测量

活动控制-近景摄影测量的基本理论包括两个方面：一是近景摄影测量的通用坐标系;二是活动控制系统的建立原则;二是两个空间坐标系之间的转换理论。

1.1 活动控制系统的建立原理

在近景摄影测量系统中，通常在被摄物体周围布设一些控制点，将近景摄影测量网纳入到给定的物方空间坐标系，这就可以用直接线性变换解法求取像片的内、外方位元素[2]。活动控制系统为近景摄影测量提供了大量预置的控制点坐标，减少了野外选取控制点的工作量。

获取活动控制系统的控制点坐标是用免棱镜全站仪法测得的测站坐标系下的坐标，为了测试活动控制系统的稳定性，需要拆卸和测量两次。由于两个主动控制系统的位置和姿态发生变化，测量的坐标不能直接比较，需要将它们转换成活动控制坐标系。

1.2 活动控制系统控制点坐标转换

在野外进行拍摄时，活动控制架的放置不可能完全恢复在室内进行坐标测量时的状态，这就涉及到坐标转换问题。

任何两个空间坐标系都可以通过三次平移、三次旋转和一次缩放进行变换。除了平移、旋转、缩放以生成新的坐标系，工业测量中常用的还有两种方法，即轴线对准法和最小二乘变换法。本文生成坐标系时采用的是轴线对准法[3]。此坐标变换的操作可按以下步骤进行：

（1）在野外选取一个地面点做测站，并假设该点的坐标值，如（0，0，0）。根据罗盘确定一个已知方向，也就是以磁北方向为X轴。

（2）视需要，在活动控制架上选择三个控制标志A、B、C，它们变换前的坐标（室内的已测坐标）为，，。

（3）根据已知点坐标和已知方向，用全站仪测得A、B、C变换后的坐标、、。

（4）用3个标志点变换前和变换后的两套坐标，解求坐标平移量和变换角。

（5）对所有的其他控制标志，按式（2-13）解算变换后的坐标，即解算在新坐标系S-XYZ中的坐标。

经过上述变换得到的以磁北方向为X轴的新坐标系也就是野外工程坐标系，这样就可以根据工程坐标系下的控制点坐标建立边坡的立体模型，進而量测任意目标点的坐标。

实验中使用的控制架用4根铝合金水准尺加工而成。整个活动控制系统为3.2m×3.2m方形，仅重11kg。铝合金水准尺手感舒适，结构合理，分划印制清晰，利用这种水准尺制作活动控制系统携带方便，安装灵活简易，再加上钢制柱形螺栓连接和锥销固定，整个架子结构稳定，满足岩体结构面几何信息采集的精度要求。岩体边坡结构面分布不规则，特征点不易分辨，现场人工做标记又不太现实，水准尺提供了大量现成的控制标志，标志黑白分明，清晰易辨，成像效果良好，解决了摄影测量现场找控制点的难题，为近景摄影测量起到了很好的控制作用，大大减少的野外工作量。

2  活动控制系统实现

2.1 活动控制架的设计

活动控制系统主要用于近景摄影测量的有效控制，它适用于被测目标较小、为数众多、且目标处在不同位置，不宜使用常规测量方法在现场施测控制的地方[5]。此外，需要经常带到现场施工现场，进行移动、搬迁或拆卸。因此，活动控制系统的制作应遵循结构稳定、无变形、便携、拆装快速、控制点标记清晰的原则[4]。围绕着上述特点，本文进行了活动控制架的设计，具体包括选材、形状与结构设计、快速拼装、控制点标志设计等内容。

（1）选材。

实际应用中，活动控制架需要长途运输、反复拆装，因此材料的选择应本着重量轻、坚固不变形的原则。在本次研究中，我们设计的控制架用4根3m铝合金水准尺加工而成。

（2）形状与结构设计。

活动控制架的尺寸和形状基于便于携带和有效控制目标的原则，其形状可以改变。为了保证有效控制区域的面积，选择矩形作为移动控制框架的基本形状。直尺两端采用聚丙烯塑料（该材料轻、硬、不易变形）连接。将塑料连接块伸入直尺一端，用钢垫将直尺用螺钉固定，最后将直尺与钢柱螺栓配对，采用锥销强制固定，以保证整个控制架的结构稳定性。

（3）快速拼装设计。

活动控制系统设计的重要组成部分是快速拼装设计。在实际应用中，活动控制架需要长距离运输和反复拆卸，因此快速装配具有重要意义。

在测量过程中，活动控制架在自然状态下轻支承在物体上，除了自身重力外，不施加外力和压力。另外，活动控制架的左右标尺位于上下两个标尺的下方，巧妙地解决了控制点不在同一平面上的问题。整个系统拆装灵活。在运输过程中，可将活动控制架对角上的螺栓和四角的锥销拆开，使四把尺子成为两组尺子。当尺子旋转时，每组的两把尺子重叠在一起，便于携带，一人既能轻松搬动。

2.2 控制点的测量

免棱镜全站仪极坐标法测量活动控制架控制点坐标的步骤如下：

（1）在测站点B上架设全站仪，点A上架设棱镜;

（2）设置测站参数，假设测站B点坐标为（100m，100m，100m）;

（3）在棱镜模式下瞄准棱镜定向;

（4）转动望远镜，在无合作（免棱镜）模式下，瞄准活动控制架上控制点，直接测量目标点坐标，并记录。

2.3 活动控制架稳定性检验

采用无棱镜全站仪的极坐标法测量控制点坐标来检验活动控制架的稳定性，本实验研究进行了两次拆装。但由于主动控制架经过两次拆装后，其位置和姿态发生变化，无法直接进行点坐标的计算。因此，两次测量的站坐标系下的坐标转换为主动控制框架坐标系。坐标转换方法得到的活动控制架下控制点坐标。

2.4 MATLAB 数据处理

为求得出活动控制架自身测量坐标系下的各控制点坐标。本文采用MATLAB软件编写程序并算得转换后的结果。现将MATLAB软件的应用数据介绍如下：（1）将免棱镜全站仪极坐标法测量的活动控制架上控制点的坐标导入MATBLE，命名为xyz1。（2）在M文件编辑器下编写程序（%后为解释说明部分，不执行运算）。（3）在命令窗口输入xyz1，回车，即可得所求转换坐标数据，整理后的两次坐标转换结果可以进行对比参照。

本文中，采用免棱镜全站仪极坐标法对活动控制架上的控制点坐标进行了测量，并通过两次拆装测量对活动控制架的稳定性进了检验。算出平面中误差为±2mm，高程中误差为±1.9mm，点位中误差为±3mm。由此可见，活动控制架结构稳定，变形很小，满足近景摄影测量方法获取结构面几何信息的精度要求。选择两次转换后控制点坐标的平均值作为活动控制架自身坐标系下各控制点的坐标成果。

3  活动控制系统稳定性的室外检验

按照室内的测量操作步骤，选取了某采石场在室外进行了一次稳定性检验实验，以便检验拼装的活动控制架的稳定性。

3.1 实验场地简介

本文研究区为某废弃采石场，属丘陵地区，采石场边坡上覆盖第四纪土壤，岩性为砂岩和凝灰岩，属于杨家沟二叠系。该区域年均降雨为622mm，其中60%的雨量集中在6～8月，这期间多暴雨，由于采石，边坡岩石大量出露，岩体中节理、裂隙发育，岩石被节理切割成块状，地表水沿裂隙下渗。存在着潜在的地质灾害隐患，容易发生滑坡、泥石流等地质问题。该采石场共有上、下两个台地，本次研究的实验场地选择下面台地的低矮边坡，边坡走向为237°，高约4m。

3.2 野外工程坐标系下活动控制架上控制点坐标的获取

选择控制点目标，首先要明显易辨，其次尺寸大小应利于摄影测量中瞄准。为了便于携带，活动控制架通常设计成可以随时拆装的结构。本文所采用的活动控制系统是用4根铝合金水准尺加工而成的，携带轻便，安装简易。野外安装过程中要确保4根尺子的相对位置与设计图纸相一致，柱形螺栓和锥销一定要拧紧，否则活动控制架会发生形变，控制点坐标发生变化，解译结果也就不准确。之后，就可以将活动控制系统在自由状态下停靠在被测边坡前，注意岩体结构面尽可能多的包含在活动控制架所包围范围内。

控制点的数量由5位数组成，万位上数字代表标尺编号。例如，21500控制点是2号尺上“E”读数1500的角点。在野外，仪器架设在土质坚硬、视野开阔的地方，用罗盘向任一方向定向。这样就形成了现场野外工程坐标系，可以测量活动控制架上任意3个点的坐标。利用这3个点的实测坐标和活动控制架本身的坐标，得到这两个坐标系下的转换参数。为了检验移动控制架在野外测量中的稳定性，本研究在野外测量了更多的控制点，并与坐标变换得到的坐标进行了比较。根据比较的结果可以算出野外环境下，活动控制架的变形也很小，点位中误差为±3.3mm。由此可以计算出该模型的坐标精度以及点位精度：mx=±0.009m，my=±0.007m，mz=±0.002m，m点=±0.012m。表明该活动控制架可以用于近景摄影测量的控制。

参考文献

[1] 马丽霞，王凤艳，张元元.近景摄影测量中活动控制系统的设计与实现[J].世界地质，2015，32（3）：612-617.

[2] 王佩贤，金泽林，张恒璟，等.一种基于近景摄影测量的隧道维护装置导航方法[J].导航定位学报，2020，8（4）：26-30.

[3] 王保丰.计算机视觉工业测量系统的建立与标定[D].北京：解放军信息工程大学，2004.

[4] 田愛军.隧道断面数字近景摄影测量系统的研究开发[D].北京：北京交通大学，2017.

[5] 刘子侠，陈剑平，韩东亮.数字近景摄影测量野外特殊研究区域活动控制系统设计与实现[J].地理信息世界，2018，25（5）：99-102.

[6] 张医钦，李秀栋，刘健辰，等.基于Photomodeler Scanner的古文物三维建模研究[J].测绘，2015，37（2）：68-71.

[7] 马丽霞.基于活动控制—近景摄影测量的岩体结构面几何信息的快速获取[D].长春：吉林大学，2015.