淺析變形監測中的地面攝影測量

李偉

摘 要：隨著攝影測量技術的飛速發展，它逐漸被應用到越來越多的項目上來，其中隨著地面攝影測量技術的逐漸發展成熟，它也更多地應用到變形監測方面。文章主要就地面攝影測量用于變形監測的原理、設備及工序以及影響地面攝影測量精度的主要因素及解決措施進行了分析，指出地面攝影測量在工程的變形監測中已經發揮了很大的作用，但也存在著不足，精度和作業距離受限。因此，很好地結合地面攝影測量的各種方法對于變形監測來說非常重要。

關鍵詞：變形監測；地面攝影測量；分析

中圖分類號：TB22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0183-02

近年來，計算機技術在不斷飛速發展中，攝影測量技術已經邁進了數字攝影測量的時代。“計算機視覺”的工作原理是把攝影像片轉換成數字，或使用CCD相機等具有特殊用途的攝影機直接拍攝物體的“數字影像”，再通過數字影像匹配技術以及數字攝像處理技術取得同名像點的坐標，并獲取對應物點的空間坐標。

1 地面攝影測量用于變形監測的主要方式及其原理

1.1 時間基線法

時間基線法又稱為偽視差法，是指將不同時刻拍的兩個像片作為立體像對，對固定設站的同一目標像點的上下以及左右視差進行量測，所得視差與像片比例尺的積就是目標像點的位移。時間基線法只能對變形體的二維變形進行監測，無法監測目標像點隨著攝影機主光軸方向的位移。如圖1所示。

S為攝影中心，S-XYZ為物方坐標系，第一期觀測時，目標點A成像于a，設x，z為像點a在像片坐標系中的坐標，f為攝影機焦距。利用簡單的幾何關系可得出目標點A的坐標為：

1.2 地面立體攝影測量法

如果地面觀測需要3個空間坐標軸上的位移值，就需要使用地面立體攝影測量法。該測量法按照不同的攝影基線與光軸的相對位置，分為正直攝影方式、等偏攝影方式、交向攝影方式以及等傾攝影方式四種。正直攝影與等偏攝影都是像片所對的攝影光軸水平相互之間保持平行，不同的是正直攝影與攝影基線方向垂直，而等偏攝影與攝影基線垂直方向偏開了一定的角度。交向攝影是指像片所對的兩個攝影光軸水平相交并形成一定的角度。等傾攝影是指像片所對的兩個攝影光軸水平相對傾斜并形成一個相同的傾角。在變形監測應用中，最常用的是交向攝影。

根據攝影時攝影機內外方位元素是否已知，處理攝影測量數據的方式分為空間前方交會法，空間后交-前交法，嚴密解法以及直接線性變換法。下面以直接線性變換法為例給出數學模型。

直接線性變換（DLT）節省了從坐標儀量測的坐標轉換為像片坐標的步驟，直接變換為物方空間坐標。這種方法最初用于處理非量測機所攝的像片，現在越來越多地應用于處理量測相機所攝的像片。

設x，z為像點的坐標儀坐標，相應的目標點的物方空間坐標為X，Y，Z，直接線性變換法表示為：

式中，L1～L11稱為DLT系數。已知DLT系數時，列出立體像對每一個目標點的4個觀測誤差方程，通過最小二乘法對目標點的三維坐標進行解算。未知DLT系數時，需在物方空間中布設控制點進行系數解算，這時分別列出物方空間的每個控制點的兩個方程，同時，為了確保精確解算系數，不能在同一個平面上布設控制點，至少需要布設6個控制點對這11個未知系數進行解算。

2 地面攝影測量外業設備的種類

地面攝影測量的首級控制需要由GPS或者全站儀進行布設測量。因此外業設備主要包括數碼相機（非量測相機）、GPS或全站儀和筆記本電腦。

2.1 數碼相機

為確保數碼立體像對有較高質量的影像效果，數碼相機的解像度應較高，并且鏡頭畸變差應較小。通常以JPG以及TIFF格式儲存影像，并通過配套的儲存卡把影像直接下載到電腦上。

2.2 GPS或全站儀

GPS或全站儀主要用來進行地面攝影測量的控制測量，把所構建的攝影測量網納入到物方空間坐標系中，通過多余的控制來增加攝影測量網的強度，再通過相對控制以及多余的控制點來檢測攝影測量的可靠性和精確度。

3 地面攝影測量的外業工序流程

3.1 做好每項準備工作

在外業現場進行立體像對拍攝是一個非常關鍵的環節，其質量對整個地面攝影測量產生直接影響，需要做好每項準備工作。首先，在地圖上選擇好要監測的區域范圍，接著再設定攝影范圍。然后對相機進行正確設置，設置最高的分辨率，設置合適的圖像儲存格式，調整適合的鏡頭焦距。最后，對攝影基線進行合理確定。應選擇在視野開闊處設立攝影基線的左右站，攝影基線應設在被攝區域的正面，并且最好使用正直攝影方式，以確保使用最少的攝影基線獲取最大的攝影面積。

3.2 布設清晰的攝影標志

制作攝影標志時，標志的設計尺寸要足夠大才能確保標志在影像上清晰可見，標志尺寸可設計為80cm×80cm，如圖2所示。

而拍攝對象是明顯地物點時，只要在數字影像上做好標記就行了，可以不再布設標志，但對該地物點應進行三維坐標聯測。

3.3 做好拍攝立體像對的各項工作

在選定的攝影基線的兩邊攝站上架設好三腳架并同時安置好相機，攝影狀態最好選擇正直攝影方式，對于一些特別困難的地段可酌情選擇等偏或等傾攝影方式，而且調整的角度不宜過大。在拍攝完每一個立體像對后，應實時通過筆記本電腦下載并打開檢查攝影像對的質量、范圍并查看攝影標志的清晰度，對需要補拍的，現場即時補拍。

3.4 對像控點進行編號及坐標聯測

這一步驟可通過專業的攝影測量系統進行。首先，對立體像對進行編號后再把它們復制到刺點調繪片上，刺點調繪片通過Photoshop軟件打開后再對攝影標志進行編號，然后壓縮成JPG格式；最后通過全站儀對各像控點坐標進行聯測，并生成文本文件。

3.5 做好立體像對的內業處理

通常來說，用于地面攝影的數碼相機無論是非量測相機還是量測相機，均不會用到相機檢驗參數，因此無需建立相機檢校參數文件。監測點對應的當期坐標最終由軟件算出。通過獲取每期監測點的坐標，可以計算相鄰期的變化量。由于需要進行幾期觀測并得到各個監測點的坐標差，因此每期均需要進行上述工序，控制點的聯測也是需要的。

4 影響地面攝影測量在變形監測上的精度的主要原因及解決措施

（1）由于儀器性能、觀測點特征以及觀測員熟練程度等因素致使在使用坐標量測儀測量像片坐標過程中產生量測誤差，因此需要從提升儀器性能，培訓觀測員的量測操作熟練程度等方面進行改善。（2）攝影機基距比B/Y、焦距和攝影機軸的交會角等攝影測量幾何圖形也會影響模型坐標的精度，需要在攝影時重視這些測量幾何圖形的合理調整。（3）控制點數量、分布情況以及它們的實測精度等會導致測量像控點坐標時存在誤差，這是在變形監測中地面攝影測量常遇見的情況，需要合理做好控制點的各項工作。（4）在變形觀測過程中，進行地面攝影測量時各地物點影像存在變形未能消除了Px、Py，導致還存在誤差，需要采取消除影像變形的措施達到真正消除Px、Py的目的。（5）還需要消除一些其他因素對變形監測精度的影響，例如，應選用高精度的攝影儀器以及坐標量測儀，攝影標志應比較清晰，選擇合理的攝影站和攝影方式等。

5 結束語

綜上所述，隨著地面攝影測量技術的進步，地面攝影測量在工程的變形監測中發揮的作用已經越來越大，通過理論分析并結合實際的操作流程再采取針對性措施改善精度不足的問題，將會促進地面攝影測量技術的進一步發展，進而推動變形監測在工程上的應用及發展。

參考文獻：

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