控制架系统在快速获取岩体位移信息中的应用

朱晓红 方德涛 周小迦

（1.辽宁省测绘产品质量监督检验站，辽宁 沈阳 110034；2.辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110034）

0.引言

我国面积广阔，地质条件复杂，部分地区极易发生岩崩、滑坡等地质灾害，给人民生命财产安全带来巨大损失[1]。地质灾害监测主要任务就是要监测崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害时空域演变信息，最大程度获取连续的空间变形信息[2]。近年来，随着摄像机硬件制造技术以及计算机视觉技术发展，近景摄影测量技术在快速、有效地获取待监测物体空间变形信息中，得到了广泛应用[3-4]，对地质灾害预防有着积极意义。

利用近景摄影测量技术获取岩体位移信息的过程中，借助控制点或相对控制，把近景摄影测量网纳入到给定的物方空间坐标系中，是近景摄影测量布设控制并且进行控制点测量的主要目的[5]。近景摄影测量有两类布设控制的方案：一类是直接布设控制点；另一类是建立活动控制系统。直接布设控制点通常是在待测目标物上或其周围布设一定数量且稳定的控制点，采用常规测量方法测量出这些控制点的三维坐标，利用这些控制点完成近景摄影测量的控制任务。建立活动控制系统则是在坚固、不变形的轻型金属架构上均匀布设一定数量的控制点，采用三维坐标量测仪或常规测量方法测量出金属架构上各个控制点的相对三维坐标。当同时对目标物及活动控制系统摄影后，待测目标物即纳入到活动控制系统的坐标系内，这样在活动控制系统应用时就形成了一种携带式的三维坐标控制系统[6]。

受到活动控制系统的启发，本文提出设计并制造一个均匀分布有一定数量的三维控制点标志的轻型金属构架，将金属构架固定在待监测岩体上，形成一种“固定控制架系统”。在控制架系统对面安置摄像机对控制架进行连续观测。假定岩体发生位移前后各个控制点的物方坐标不变，通过直接线性变换法（DLT）解算出的摄像机中心的外方位元素就会发生变化。同时，根据岩体位移是一个缓慢过程的特性，本文提出了利用上一监测时段获得的各个控制点的影像坐标位置，作为此次监测时段影像上各个控制点的近似位置，建立搜索区进行模板匹配计算，缩小匹配搜索区的范围，提高匹配效率并保证匹配精度。

1.控制架系统

1.1 控制架系统设计

固定的控制架系统设计，与传统的活动控制系统不同，它不像传统的活动控制系统那样，在更换目标物时活动控制系统也随之移动。这种固定在待监测岩体上的控制架系统专门为快速获取岩体位移信息服务，一经固定后一般不会改变其位置。在利用近景摄影测量获取岩体位移信息过程中，设计并建立固定的控制架系统，不仅能够为非量测摄像机提供定标服务，还能避免因岩体险峻带来的布设控制网、架设测量仪器等困难，而且可以提前在地面上测量出控制架上各个控制点的物方空间坐标，建立起控制架坐标系，在岩体位移信息获取阶段可将其固定在待测岩体上，通过摄像机投影中心在控制架坐标系中的位置变化反映岩体位移变化情况。

控制架的大小以能对目标物体进行有效地控制为原则，其形状可以是多种多样的。根据不同的应用需要，对控制架上的各个控制点也有一些特殊的要求，例如在利用三维DLT算法对非量测摄像机进行定标时，控制点的布设有两个禁忌：（1）是控制点不能布设在任意方位的一个平面上；（2）是摄像机投影中心不能与物方坐标系原点重合。

本文实验采用的控制架系统由一个大小约为750mm×750mm的“田”字形金属骨架以及固定在骨架上的21个控制点标志组成（如图1所示）。自下而上共有5排控制点，最下面一排的排号为1，最上面一排的排号为5。控制点编号的第一个数字表示其所在的排号，第二个数字表示其位于所在排内从左到右的顺序编号，如23表示第2排从左到右数第3个控制点。控制架系统的背面设计有可拆卸的支架，当控制架系统安装在支架上时，可以在地面上测量各个控制点的物方坐标，进而在地面上完成非量测摄像机的定标工作。控制架系统也可以与支架分离，将分离后的控制架系统固定在待监测的岩体上，在待监测岩体的对面安置摄像机对其进行连续监测，可以利用控制架系统与摄像机投影中心相对位置的变化间接反映岩体的位移情况。

为了保证所有控制点不布设在同一平面或近似平面内，21个控制点标志底部的金属支撑杆长短不一，最大长度与最小长度相差160mm，标志底部的金属支撑杆具有这个数量级的长度差异，已经可以满足2m以内的近景摄影测量控制任务。

图1 控制架系统

1.2 控制点人工标志设计

人工标志的广泛使用是近景摄影测量的一个特点，一方面是因为人工标志可以保证或提高测量精度和可靠性；另一方面，与航空摄影测量相比较，大量人工标志的布设并不是一件困难的事。

图2 几种常见的人工标志

图2为几种常见的人工标志图样，人工标志的几何形状不宜复杂，否则会影响它的人工及自动识别与量测。人工标志一般具有中心对称且成辐射状的形状特征，具有一定的旋转不变性，这对于具有旋角的影像上的控制点自动识别是十分有利的。

本文所使用的控制架系统上的控制点人工标志采用图2中（d）所示的形状，圆形标志中心的黑白十字分划可以保证控制点物方坐标量测时测量仪器的精确照准，圆形标志本身也有着良好的旋转不变性，无论影像旋转角度为多少，人工标志在影像上的成像图形变化不大。此外，还要考虑应当使标志自身颜色和背景颜色有尽量大的反差。由于本文所设计的控制架系统将要固定在岩体上进行岩体位移信息获取任务，岩体及其表面红色目标物较少，因此将各个控制点的人工标志设计为红色，这与灰青色的岩体能够很好地区分开来。人工标志自身的大小与摄影比例尺有关，有人认为圆形标志在影像上的成像尺寸最好稍大于标志本身，也有人认为标志的构像一般应在0.05mm至0.20mm范围内。王丰元等提出了一种根据摄影比例尺定量计算人工标志大小的方法[7]。

其中，D为圆形人工标志的直径，L为人工标志距摄像机投影中心的水平距离，f为摄像机焦距，α为人工标志中心与摄像机投影中心连线与水平面的夹角，d为人工标志在摄像机成像元件上所形成椭圆的短径。

假设P为拍摄所得影像每个像素的大小，K为人工标志在影像上成像图案的直径像素数，则

将式（2）代入式（1），得

公式（3）即为人工标志尺寸的定量计算公式。

1.3 控制点测量

本文采用两套全站仪，通过空间前方交会法测得了图1所示控制架系统中21个控制点的物方坐标。将坐标系原点平移至控制架左下角附近，X轴与两测站连线平行，正方向向右，Y轴正方向沿铅垂线方向向上，Z轴垂直于XY平面，构成右手系，各个控制点物方坐标（如表1所示）：

表1 控制点物方坐标测量结果 单位：mm

这里将坐标系原点平移至控制架左下角附近，而不是将左下角11号控制点所在的位置作为坐标系原点，主要原因是避免由于11号点物方坐标为（0,0,0）而造成后期摄像机定标解算过程中法方程系数矩阵出现秩亏的情况，而这种情况的出现将导致摄像机定标计算失败。

2.影像控制点识别

摄像机的定标以及通过目标二维影像获取其三维信息的过程中均需要控制点的像方坐标，获取控制点影像坐标的过程称为影像控制点识别。岩体位移是一个缓慢过程，本次监测时段的影像与上一监测时段的影像相比，控制点在影像上的成像位置变化不大。因此，利用上一监测时段获得的各个控制点的影像坐标位置作为本次监测时段影像上各个控制点的近似位置，在这些近似位置周围建立搜索区，进行模板匹配计算，这样可以缩小搜索范围，提高匹配速度且保证了匹配精度。

在地面上进行岩体位移模拟实验，人工改变摄像机和控制架的相对位置，再次对控制架进行摄影拍照。将移动后获取的影像作为第二监测时段的影像，第一监测时段的影像进行比较。将第一监测时段影像上控制点的点位显示在第二监测时段影像上以后，发现各个控制点在第二监测时段影像上的成像位置变化不大，最大位移约为60个像素（如图3所示）。因此，以第一时段各个控制点的影像坐标为中心，以其左上、右上、左下、右下60个像素的区域建立共计240个像素的搜索区，在第二时段的影像上搜索匹配该控制点，这样各个控制点的搜索区由整幅影像减小到了局部影像。

图3 第一时段控制点点位在第二时段影像上位置分布情况

原始影像为1600×1200像素，如果将整幅影像作为搜索区来匹配搜索控制点的位置，搜索区的大小涉及1920000个像素。如果将第一时段影像上各个控制点的影像坐标作为参考位置，在其周围建立局部搜索区进行搜索匹配，21个控制点的搜索区所涉及的像素数将变为240×21=5040个像素，这样搜索区大大减小，在保证了匹配精度的前提下，匹配效率得到了很大地提高。

3.岩体位移信息获取与分析

实验通过将控制架进行俯仰变化来改变摄像机与控制架的相对位置关系，以此来模拟岩体位移情况。根据岩体俯仰前后摄像机投影中心在控制点坐标系内的三维坐标变化情况，可以求得岩体俯仰前后摄像机投影中心到各个控制点的斜距变化情况，由此获得岩体位移变化信息。摄像机安置在控制架相对位置2m范围内。这样安置有两点好处：（1）真实模拟岩体位移监测过程，一般在条件允许情况下，摄像机与岩体固定控制架距离不会太远；（2）在一定时间内，岩体位移变化量不变情况下，摄像机与控制架相对位置越近，不同时段影像基高比越大，模型强度越强，解算斜距变化量越精确。图4为控制架处于垂直情况下摄像机拍摄获得的影像，图5、图6分别为控制架处于前俯、后仰的情况下摄像机拍摄获得的影像。

图4 控制架垂直时获取的影像

图5 控制架前俯时获取的影像

图6 控制架后仰时获取的影像

实验数据整理结果（如表2所示），表中“斜距差1、斜距差2”表示通过全站仪量测并计算出的控制架前俯、后仰摄像机投影中心附近标志物距控制架垂直时各个控制点的斜距变化情况，“斜距差3、斜距差4”表示通过影像解算出的控制架前俯、后仰摄像机投影中心距控制架垂直时各个控制点的斜距变化情况，“差异值1、差异值2”表示通过这两种方法获得的斜距变化情况之间的差异值。

表2 斜距变化计算情况单位：mm

根据表2的最后两列数据，可以绘制出两种方法 所获得的斜距变化量的差异值折线图（如图7所示）：

图7 控制架俯仰实验中斜距变化差异值情况

4.结束语

通过两种方法获得的控制架俯仰前后摄像机投影中心到各个控制点的斜距变化量存在一定的差异，这种差异具有很强的规律性，控制架垂直情况与控制架前俯情况下斜距变化量差异值的波动情况与控制架垂直情况与控制架后仰情况下斜距变化量差异值的波动情况十分类似。在横向上，最大差异与最小差异相差约3mm，在纵向上，最大差异与最小差异相差约1mm。这种差异的规律性和稳定性反映出了利用控制架系统进行斜距变化量测具有相当的精度。同时，利用近景摄影测量技术获取岩体位移信息较利用全站仪等传统方法更简便、快捷，控制架系统在快速获取岩体位移信息过程中可以得到良好的应用。