某數字攝影測量系統精度量化評估方法

張鵬嵩，蔣山平，楊林華，赫明釗

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.中國計量科學研究院，北京 100029）

某數字攝影測量系統精度量化評估方法

張鵬嵩1，蔣山平1，楊林華1，赫明釗2

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.中國計量科學研究院，北京 100029）

受到測量試驗中被測目標尺寸及結構、控制場布局、測量網形等現場因素的影響，工業數字攝影測量系統的實際測試精度達不到理論精度。文章以V-STARS攝影測量系統為例，針對大型平面天線熱變形測量需求，創新性地提出了線型測量精度和面型測量精度的指標，對攝影測量系統的實際測量精度進行了定量評估。測量結果表明，該測量系統的實際測量精度滿足0.1mm的測試精度要求。該精度標定方法可為各類型攝影測量系統的實際測量精度評價提供一種直觀、可靠的手段。

攝影測量系統；測量精度；定量評價；大型平面天線

0　引言

對一外形尺寸為7500mm×1660mm的平面天線進行常溫常壓下的模擬在軌熱工況的熱變形測量試驗，測量精度要求優于 0.1mm。試驗中采用美國GSI公司的V-STARS單相機攝影測量系統，其標稱精度為5 μm+5 μm/m，即本次試驗的理論測量精度為 0.043mm。但實際測量中，攝影測量系統的測量精度往往達不到理論精度，這是因為：1）被測量目標尺寸越大、外形結構越復雜，攝影測量拼接精度越低；2）受試驗現場條件限制，測量網形強度不能達到最優，從而造成測量精度下降；3）基準尺標定精度與攝影測量系統的兼容性不足，以及基準尺長度隨溫度的變化，都會造成實際測量精度下降。因此，有必要在測量試驗前對測量系統的測量精度進行準確評估［1-2］。然而，國內外在現階段還沒有針對以上影響因素的、完善的量化精度分析模型，只能做定性的評價［3-4］。因此，在特定的測量工程中，如何準確標定攝影測量系統精度成為迫切需要解決的問題。

本文根據攝影測量基礎理論和國內外工程測量經驗［5］，提出采用線型測量精度和面型測量精度的指標，對V-STARS測量統的實際測量精度進行定量評估。

1　測量精度量化評估原理

首先針對大型平面天線變形測量的試驗條件建立與天線測試面等比例的測量控制場；然后，按照平面天線變形測量試驗的拍攝網形，對已建立的標準長度和標準參考平面進行拍攝測量，得到線型測量精度和面型測量精度；最后，根據攝影測量系統的測量精度與測量目標尺寸呈線性關系［5-6］，對攝影測量系統應用于實際測量試驗條件下的測量精度進行量化評估，以確保天線變形測量數據的可靠性和有效性。

其中，線型測量精度是指模擬天線長度方向上的標準長度測量絕對偏差和重復性；面型精度是指標準參考平面的測量絕對偏差和重復性［6-7］。

2　測量精度的評估方法

2.1線型測量精度

2.1.1標準長度控制場布局

在2個2500mm×1500mm的光學隔振平臺上利用2個回光反射靶球設定3700 mmm的標準長度。放置2根長度約為15000mm的標尺：1根平行于標準長度（記為1號標尺）；另1根與標準長度呈15°夾角（記為2號標尺），如圖1所示。

圖1　線型測量精度標定示意圖Fig.1　Schhematic diagramm of linetype mmeasuring accuraa cy caliibration

2.1.2標準長度及標尺標定

采用激光跟蹤儀干涉測量模式（見圖2）測量控制場中的標準長度，測得其精確值為3 704.378 mmm，并將該值作為標準長度的真值。激光跟蹤儀的測量精度為0.4μm+0.3μm/mm［8-9］。

標尺的長度標定采用干涉儀CCCD測量方法：在每根標尺上粘貼6個φ3mm的低溫回光反射標志點，先利用CCCD相機顯微鏡確定標志點中心，再利用干涉儀直接測量標準平移臺移動的距離，從而獲取標尺的絕對長度。標尺上6個標志點的編號方式如圖3所示，每根標尺包含3段不同長度的標尺，分別記為LL16、L25、L344，測得所有6段長度標尺的絕對長度如表1所示。干涉儀及標準氣浮平移臺如圖4所示。

圖2　激光跟蹤儀干涉測量示意Figg.2　Schematicdiagram of laseer tracker interferro metry mode

圖3　標尺標志點編號示意Fig.3　TThe targets nummber on the scall ebar

表1　標尺的標定長度值Table 1　TThe calibrationvalue of the sc alebar

圖4　干涉儀及標準平移臺Fig.4　Interfferometer and sttandard translatt ion stage

2.1..3測量數據處理

按照平面天線變形測量試驗的拍攝網形，在距標準長度約1.3m處進行覆蓋全場的拍攝（見圖1）。拍攝共分5組，每組約50張，得到5次測量結果。則可計算出攝影測量系統的線型測量精度E和測量重復性S1分別為：

其中：Li為第i次線型測量值；L0為標準長度；為第i次線型測量均值。

2.2面型測量精度

2.2.1標準平面控制場布局

利用光學隔振平臺上尺寸為2500mm×1500mm、平面度為5.4 μm（PV值）的平面作為標準平面。在標準平面上均勻粘貼標志點和編碼點，建立測量控制場；將2根長度約為1500mm的標尺放置在標準平面邊緣，如圖5所示。

圖5　面型測量精度標定示意Fig.5　Schematic diagram of plane type measuring accuracy calibration

2.2.2測量數據處理

按照平面天線變形測量試驗的拍攝網形，在距標準平面1.3 m處進行覆蓋全場的拍攝（見圖5）。拍攝共分5組，每組約50張，得到5次測量結果。則可計算出攝影測量系統的面型測量精度Δδ和測量重復性S2分別為：

其中：δi為第i次面型測量值；δ0為標準平面度；為第i次面型測量均值。

3　精度測試試驗結果及分析

3.1線型測量精度

分別利用1號標尺、2號標尺、1和2號標尺作為基準尺進行解算，并根據軟件的解算精度擇優選取測量值；然后計算5次攝影測量結果與標準長度真值的絕對偏差和重復性，結果見表2。

表2　標準長度測量結果Table 2　The measuring results of standard length

3.2面型測量精度

將平面度為5.4 μm（PV值）作為標準平面的平面度真值，然后分別利用1號標尺、2號標尺、1和2號標尺作為基準尺進行解算，并根據軟件的解算精度擇優選取測量值；獲得測量標志點與擬合的標準平面的法向偏差，如圖6所示，最終的測量結果如表3所示。

表3　標準平面測量結果Table 3　The measuring results of standard plane

3.3V-STARS攝影測量系統精度分析

由線型測量精度和面型測量精度的結果可看出，在常溫常壓下，使用V-STARS攝影測量系統測量3700mm標準長度和2500mm×1500mm標準平面的測量精度分別為23 μm和28.4 μm。也就是說，使用該測量系統測量外形尺寸為 7500mm× 1660mm的平面天線的測量精度為：線型測量精度優于0.05mm，面型測量精度優于0.085mm（PV值）。因此，該攝影測量方法能夠滿足大氣環境下測量精度優于0.1mm的要求。

圖6　標準平面測量偏差針狀圖Fig.6　The standard plane measuring deviations

此外，在大型平面天線熱變形測量試驗中，將V-STARS攝影測量系統所測數據與相同測量工況下測量精度為 0.01mm的光纖光柵傳感器測量系統所測數據［10］進行轉換比對，得知各個溫度下的天線變形測量結果一致，且測量值偏差未超出V-STARS攝影測量系統評估的實際精度。

4　結束語

在數字攝影測量實際應用中，其測量精度受被測目標尺寸及結構、控制場布局、測量網形等現場因素的影響，對于特定的攝影測量系統，其實際測量精度往往低于理論精度，而只有經過模擬測量條件的精度標定才能獲得較真實、可靠的實際測量精度。本文中針對大型平面天線熱變形測量，利用線型測量精度和面型測量精度對V-STARS攝影測量系統進行了實際精度的定量評估。該方法已在型號試驗中完成了精度評估正確性、可靠性的驗證。此外，在后續大型平面天線變形測量試驗時，該評估方法為各類型攝影測量系統的實際測量精度評價提供了一種直觀、可靠的手段。

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（編輯：許京媛）

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

張鵬嵩（1987—），男，白族，主要從事空間光學工程和光學測量技術的研究。E-mail： zhpsong@126.com。

2015-05-27；

2015-11-13

衛星型號項目支持