用于城市地下管井測量的攝影測量儀研制與試驗

范光鵬，馮仲科，閆飛凡

(1.北京林業大學 精準林業北京市重點實驗室，北京 100083；2.哈爾濱師范大學 地理科學學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

城市管井是城市地下管線的重要組成部分，基于PDA的地下管線采集處理系統已開始投入應用,實現地下管線屬性信息現場記錄[1-2]，由于城市地下空間的不確定性，尤其地下管井測量的危險性和高強度作業，使得測量人員無法到達或者無法人工測量[3-5]，為了克服外界因素的影響，非接觸式的測量方式受到重視[6-7]。

隨著信息智能化時代來臨，利用更加集成化、智能化、精準化的觀測裝備成為了測量調查的主流[8-11]。馮仲科等研發了遠程攝影超站儀，CCD超站儀，多功能便攜式微型超站儀，多功能電子槍等，可以對立木進行測量[8-11]；劉國安等研制了平板電腦的地下管線數據采集系統應用；侯鑫新等提出了一種基于單電荷藕合器件圖像傳感器CCD相機與經緯儀相結合的測量方法，在外業中使用平板電腦記錄管線屬性數據，是外業數據采集的非智能化；杜良法等嵌入式系統 PDA 技術的應用，實現了管線數據采集內業外業一體化；陳紅旗等提出城市地下管線高精度電磁法探測技術[12-17]，但外業采集中管徑以及井室長寬數據還是采用測量人員下井測量傳統工作方式。北京林業大學精準林業重點實驗室運用攝影測量學原理[18-22]、圖像處理技術、安卓開發技術自主研發了用于城市地下管線測量工作攝影測量儀，針對管井進行非接觸式智能化測量。

1 攝影測量儀構成

1.1 硬件構成

攝影測量儀的硬件組成包括精準林業北京市重點實驗室自主研發制造的掌上PDA和云臺、CCD鏡頭、激光掃平器、光源筆、絕緣伸縮探測桿，如圖1所示。CCD 鏡頭選用伸縮式定焦光學鏡頭，背照式CMOS傳感器， 6組7片(4片非球面鏡片/其中含AA鏡片)的鏡頭結構，F1.8—F4.9最大光圈，LED補光燈，MNP記憶卡，NP-BN/NP-BN1鋰電池，200張續航能力，用于測量作業時攝影和攝像。激光器采用優質亞力克鏡片組成的光學透鏡，5 mW(毫瓦)功率管芯，優質亞克力鏡片可以投射一束可視激光束，儀器發射的激光線和攝影中心保持平行。掌上PDA(Personal digital assistant)是將RAM(Random access memory)、GPU(Graphics processing unit)、 CPU(Central processing unit)、ROM(Read only memory image)、wifi 芯片、重力傳感器、角度傳感器、彩色觸控顯示屏、電源等高度集成并設計鋁合金外殼，用于跟CCD鏡頭進行網絡連接，控制鏡頭成像，進行影像采集，圖片數據處理。充分利用人體工程學原理，將CCD鏡頭、光源筆和激光器高度集成串聯于云臺，并分別可拆卸、充電、更換，方便操作，耦合性低。

PDA在受控實驗室條件下進行的跌落保護、防水防塵的防護性能測試試驗。選用高通驍龍617處理器(MSM8952)，8核A53，1.5GHz核心頻率，用于處理指令、執行操作、控制時間、處理數據；GPU 選用 Adreno 530，64位處理位數，用于處理獲取圖像信息；RAM選用雙通道LPDDR4X，容量2 GB，最高頻率1 866 MHz；HSPA+、CDMA、LTE基帶；ROM 選用 C8051F410片內閃存設計，16 GB，速度級別 Class 10，最高持續速度80 m/s；分辨率768*1024，9.7英寸顯示屏幕，像素密度132 PPI。陀螺儀采用集成電路芯片 GY-26，用于測量儀器的傾斜角；WiFi功能雙頻(2.4 GHz+5 GHz)，支持802.11a/b/g/n無線協議傳感器LIS331DLH ，用于傳輸圖像信息及連接網絡以及控制CCD鏡頭進行影像預覽以及拍攝；集成電路 TPS66021集成電源，用于向各器件供電。光源筆采用變焦廣角微型電筒，LED泡及附件種類，18650鋰電池，用于地下管井測量時黑暗情況下光源供給。手持絕緣伸縮桿3節4 m,伸縮后1.2 m,絕緣纖維材質，外徑32 mm，與儀器頭部彈簧夾鏈接，按壓式拆卸，如圖1所示，儀器硬件總體框架如圖2所示。

圖1 攝影測量儀示意圖

圖2 硬件總體框架

1.2 軟件設計

使用Java語言編寫，在Android Studio 2.2開發環境下實現，將影像數據存儲到SQLite數據庫中，PDA是基于Linux核心的Android 5.0.2系統平臺。軟件部分為兩大模塊設計，分別為管井測量模塊和單木測量模塊。圖3(a)所示，為軟件主程序流程圖。用戶根據實際的測量工作需求，選擇不同的模式進行測量。通過在屏幕量測界面實OntouchListener接口方法，達到移動手指便可測量的目的。考慮到實際應用中采集井下圖片數據量大的問題，盡量減少OOM的可能性，采用Facebook的Fresco圖片加載框架，圖片不再占用APP的內存，也能有效避免IllegalState。兩者的數據均通過SQLite數據庫進行讀寫操作，對相片進行加載以及對測量結果數據進行保存以及導出。

圖3 主程序和功能模塊流程圖

1.3 功能參數

攝影測量儀的功能包括地下管井直徑、縱橫斷面、井室長寬測量以及井室內部檢測。激光器激光類型激光等級為Ⅱ級，激光類型635 nm，小于1 mW，精度±0.5 mm/5 m ，安平范圍±3°，室內外兼用,可選擇連續激光和脈沖激光之間切換，可360°自由旋轉并可微調角度；操作系統為 Android 5.0.2，CPU為1.8 GHz 8核處理器，儲存16 G ROM，內存4 G RAM。L2和BDS差分改正，單點定位為3 m，SBAS精度小于2 m，外部源差分小于 0.1 m(CEP)。PDA 尺 寸為222 mm×150 mm×8.5 mm，其電池連續工作時間為9 h。EDM尺寸為1 200 mm×50 mm×30 mm， CCD感光度ISO 160—6 400，WiFi無線傳輸性能802.11b/g/n，全自動操作，2 020萬有效像素，等效35 mm焦距28～100 mm，曝光補償 ±3EV(1/3EV步長)，最高圖像分辨率5 472×3 648，全高清(1 080)高清攝像，支持實時取景，用于獲取圖像信息，其電池連續工作時間為5 h ，云臺160 mm×78 mm×70 mm，儀器工作環境溫度為20～50 ℃。可變焦光源筆支持散光、強光，2—4檔，350流照及以上，持續照時間2 h。伸縮探測桿伸長6 m，收縮后為1.2 m。傳統工作方式與采用該儀器后工作方式對比，如圖4。

圖4 工作方式對比

2 攝影測量儀測量原理

2.1 定焦CCD鏡頭檢校

CCD鏡頭并非專業的測量相機，所以使用之前需要進行相機標定，在室內均勻布設控制點，并使用全站儀獲取得到控制點的三維坐標(X,Y,Z)，此時，攝影中心、像點、物點滿足共線條件方程式：

(1)

式中加入了以像主點(x0，y0)為原點的坐標改進，引進了由于相機畸變造成的系統誤差的改正值(Δx，Δy)。

變換共線方程式，使用DLT直接線性模型進行求解CCD鏡頭的內方位元素和畸變參數，DLT模型如下

(2)

式中，Li為的系數，表達式分別為

L4=-(L1XS+L2YS+L3ZS);

L8=-(L5XS+L6YS+L7ZS);

在Li的系數表達式中，γ3=-(a3XS+b3YS+c3ZS)，ai,bi,ci分別是由外方位角量元素組成的旋轉矩陣參數。

將(Δx，Δy)的誤差改正數改寫成誤差畸變方程，即：

r為向徑，K1,K2,P1,P2為物鏡畸變系數。根據室內檢校場內控制點與像點坐標可以進行解算，將其使用矩陣方程表達為

BU-L=V.

(3)

U=[L1L2L3L4L5L6L7L8

L9L10L11K1K2P1P2]T

N1=A(x-x0)r2

N2=A(x-x0)r4

N3=A(r2+2(x-x0)2)

N4=2A(x-x0)(y-y0)

M1=A(y-y0)r2

M2=A(y-y0)r4

M3=2A(x-x0)(y-y0)

M4=A(r2+2(y-x0)2)

A=L9X+L10Y+L11Z+1

求解Li系數與畸變系數總共15個參數，至少需要8個控制點，對式(2)～式(11)進行最小二乘法的變換，表達式為

U=(B)TB)-1BTV

設定最小差值為終止條件，計算過程采用不斷的迭代的方式。如果鏡頭不考慮畸變參數，則直接根據Li系數就可以求解內方位元素，計算式如下

(4)

2.2 地下管線單像攝影測量原理

PDA通過WiFi遠程控制CCD鏡頭拍照獲取單張井下像片，基于此進行單張像片解算。將激光器與鏡頭主光軸嚴格設置為平行，此時已知激光器和鏡頭中心的基線長度為h，CCD鏡頭焦距為f，依據共線條件最簡方程式進行單張像片解算。共線條件最簡方程式表達為

(5)

根據h和激光點在像片上的投影，可得

(6)

可以解得單張像片上像點的物方坐標

(7)

式中，(XA,YA,ZA)為目標點的空間坐標，(ui,vi)為對應物方點的像點坐標，f為焦距，va為激光線所在的像片縱坐標。

該方法是基于平面的單像測量方法，所以拍攝時要盡量保持鏡頭平面與目標平面平行。

2.3 地下管井直徑測量

地下管井直徑測量具體操作步驟是：

1)打開CCD鏡頭開關，打開激光器開關，連接平板的應用APP程序，連接好無線網絡，手持絕緣伸縮探測桿放入井口下，通過多角度旋轉，可以實時查看井下設施分布情況，將鏡頭對準待測物體，保證激光點和待測物體處于同一平面、同一固定高度(影像中的激光點和鏡頭中心保持Y方向高度不變);

2)選擇好待測管井后點擊拍照按鈕，如圖5為管井測量界面；

圖5 管徑測量界面

3)打開手機中的單片攝影測量計算軟件，將拍攝好的圖片加載到界面中，手指將紅色十字線觸摸移動到圖片中激光點，點擊圖片中“激光點”按鈕，然后將紅色十字線觸摸移動到待測管徑的一邊，點擊“測點A”按鈕，最后再次將紅色十字線觸摸移動到待測管徑的另一邊，點擊“測點B”按鈕，最后屏幕顯示測量值 。如圖為管井測量結果解算界面，管徑測量原理如下：根據式(5)—式(7)可以得到相片的內方位元素坐標，得到最簡式：

(8)

(9)

因此得到平面上的物方坐標，那么便可計算管徑的真實大小。Xi，Yi代表物方坐標，f為相機檢驗后的焦距，ui,vi,Zi為管井的像點坐標

2.4 地下管井小室長度和寬度測量

地下管井小室長度和寬度測量操作步驟：

1)將測量儀器和圖像采集軟件調整成工作狀態；

2)將探測桿緊貼圓形管井口內壁，待預覽界面顯示儀器和小室一側墻壁平行時點擊拍照按鈕，順時針旋轉90°，點擊拍照按鈕，如圖6為地下管井小室長度和寬度測量界面；

圖6 井室長寬測量界面

3)再次旋轉90°(保證操作開始緊貼井口內壁位置不變)，點擊拍照按鈕；

4)再次旋轉90°，和前3次操作步驟相同，這樣就完成了360°的圖片采集工作。如圖6為小室長度和寬度測量解算界面和測量原理示意圖。

測量井室長寬測量原理可以利用相機檢后的焦距得到式(10)

(10)

經過變形后為

(11)

式中:H為攝影基線長H，M為基線投影距離，L為拍攝距離，f為相機焦距，λ為固定比例系數，u0,ug,v0,vg分別為相片待測物體點坐標。

3 實驗結果與分析

3.1 地下管井直徑測量試驗

為了驗證攝影測量儀的地下管線直徑測量功能和測量精度，經過相關部門的允許，在北京市海淀區北清路永豐基地展開試驗。分別利用不同的大小的地下管井對儀器的地下管井直徑測量功能進行實驗。包括電信井，污水井，雨水井，上水井，下水井，電力井，工業井等。用人員拿著合尺下井和用攝影測量儀器分別進行直徑測量解算實驗，以合尺測得的數據為真實值和攝影測量儀器測量數據進行對比，利用相對誤差公式進行計算，如表1所示，為攝影測量儀器地下管井直徑測量相對誤差。在18組測量中，相對誤差為1.10%～3.67%,符合地下管線測量標準。

表1 攝影測量儀管井直徑相對誤差

3.2 井室長寬測量試驗

驗證攝影測量儀器的地下管線長寬度測量功能和測量精度，采用與驗證攝影測量儀地下管線直徑測量相同的方法。如表2所示，為攝影測量儀器地下管井井室長寬測量相對誤差。在18組測量中，相對誤差為1.22%～2.31%,符合地下管線測量標準。

3.3 結果誤差分析

通過對3.1試驗結果分析，在2.1中對CCD鏡頭相機進行內方位元素和畸變參數獲取。非測量相機并不能嚴格保證焦距，相機本身帶有變焦桿，可調焦距，工作時將相機的變焦桿設置為固定焦距，應對相機工作時的輕微變焦造成的內方位元素浮動。另外，儀器本身像主點和激光點平行問題也會造成一定的誤差，對此在儀器加工時進行了嚴格的規定，盡量縮小誤差。在拍攝時，儀器和物體不能保證嚴格平行，可通過觀察影像調整。在軟件解算時，坐標點的選取也會影響測量結果。通過實際工作應用表明，該儀器試驗結果滿足國家城市地下管線普查中管井測量工作的精度要求。

表2 攝影測量儀測量井室長寬相對誤差

4 結 論

本文研制了一種由CCD鏡頭、激光器、光源筆、PDA、云臺和探測桿低耦合成的攝影測量儀，根據攝影測量學原理，利用圖片處理技術和安卓開發技術，滿足了城市地下管井測量工作中設備的需求。本文詳細闡述了攝影測量儀的功能原理和作業方式，在地上便可測量，改變了測量人員的傳統工作模式，并通過實際工作進行了試驗和驗證，地下管井直徑測量精度達97.31%，井室長度和寬度測量精度為97.06%、97.53%。滿足國家城市地下管線探測技術規程的精度要求，該儀器可以在城市工程測量中推廣使用。

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