基于近景攝影測量技術的結構變形監測應用研究

羅元丹，蔣劉華

（1.江西核工業二六八測繪院，江西 上饒 334000 ;2.寧波市鎮海規劃勘測設計研究院，浙江 寧波 315000）

近景攝影測量是一種非接觸量測方式，具有可以實時獲取地表信息、以數字方式存儲和實時觀測等優點，其在結構變形領域取得了廣泛應用。根據材料結構變形標準，應控制結構變形的范圍，防止結構變形產生的破壞范圍不斷擴大。在本文中所要介紹的變形控制技術，在科學合理的技術措施實施后，保證結構出現的變形問題，不會對結構產生嚴重的破壞。

1 近景攝影原理應用及誤差分析

1.1 近景攝影測量常用坐標系

在攝影測量技術不斷發展過程中，目前已經出現多個測量領域，如地形地面攝影測量、航空攝影測量以及近景攝影測量等，而且其測量過程會建立多種坐標軸系統。在近景攝影測量技術中，所使用的坐標系統一般為三種物方空間坐標系，在該坐標系中主要測量物體在運動中出現的形狀變化以及運動狀態等。例如，對某物體進行近景攝影測量時，在方物空間坐標系內，明確測量物體方點在坐標系內的位置。在確定方點位置時，方物空間坐標系以右手為直角坐標系，就是利用右手的拇指、食指以及小指組成互相垂直的形狀，拇指為x軸，食指為y軸，小指為z軸，三指的交點為坐標原點。Thomas Kersten等人將數字近景攝影測量技術用于結構變形監測中，在X、Y、Z三個方向上的誤差分別為10.8mm、6.7mm、6.9mm。利用非量測數字相機在攝影距離為2m左右的情況下，攝影測量三維重建的精度在X、Y、Z三個方向上分別達到了3.1mm、4.9mm、2.5mm的精度DEM的垂直精度為12.6mm。根據測量物體在空間的位置，將攝影中心與坐標原點重合，在中心點攝影測量空間內的物體。在攝影測量時，攝影中心位置應注意與相片間的主距，并作為垂直距離應用在近景攝影測量中，而物體與鏡頭的距離稱為焦距。與固態攝像機測量技術相比，主點光線的在近景攝影測量技術中的概念，要突出與物鏡光軸在固態攝像機的概念作用。

1.2 像片的內方位元素與外方位元素

根據像片和光束在物方空間坐標系中，其位置和朝向元素特點，通常將像片元素分為內方位元素和外方位元素。像片內方位元素特點，主要體現在恢復攝影時產生的光束形狀，在物方空間坐標系中確定物體位置和朝向。而在恢復攝影時，內方位元素出現的光束形狀，成為攝影中心與物體像片產生位置關系的重要元素。在使用專用測量攝影設備進行物體測量時，一般產生的像片會由多個框標成像組成，而框標位置應進行嚴格的測定后才能確定。如果在坐標系內，出現四個框標像片，通常會組成一個框標坐標系。

2 近景攝影測量中基本攝影方式

在近景攝影測量中，所采用的基本攝影方式主要有兩種，包括正直攝影方式以及交向攝影方式。在使用正直攝影方式時，將像片與兩像片的主光軸建立平行關系，同時像片還應垂直與攝影基線。在實際攝影操作中，根據不同的攝影對象，選擇的攝影基線可以在任意方向上，如水平方向或者鉛錘方向，而且將兩光軸與基線保持垂直關系，使兩像片一直處于攝影狀態。使用交向攝影方式時，首先像片應與對應兩像片的主光軸，然后在保持在同一個平面內即可，不能出現平行或者垂直的情況。在實際攝影操作中，兩主光軸可以產生相交的電，其角度作為攝影中的交會角使用。在使用正直攝影方式時，盡管產生的影像會出現變形問題，主要是由于測量物體會出現起伏的狀態，但是該攝影方式仍廣泛的應用在模擬近景攝影測量，或者解析攝影測量中，并且可以使用肉眼對物體可以進行立體測量。另外，使用交向攝影方式產生的圖像也會出現變形問題，而且也是由于測量物體出現起伏狀態造成的，但是也會受到兩像片出現的相對角度較大問題引起的。所以，使用交向攝影方式時，通常不會應用在對物體進行肉眼測量中，一般會廣泛的應用在解析近景攝影測量以及數字近景攝影測量中。在使用正直攝影方式時，產生的像片通過重疊使被測物體具備航帶網或者局域網攝影特點。在交向攝影方式中，該方式可以對測量物體實現多重覆蓋的目的，其作用體現在提升被測物體的精確度。

3 影響攝影測量精度的主要因素

為提高攝影測量精度，應對以下影響精度的因素進行分析：第一種，如果成像系統的分辨率無法滿足攝影需求，通常會造成成像系統出現幾何畸變誤差問題；第二種，攝像設備出現較大的安置誤差。其中最主要的影響因素，來自于成像系統的分辨率，如果成像分辨能力較低，無法將被測物體中最小細節展現在像片上。

在對圖像物面分辨率分析時，分辨率主要體現在圖像中的像素大小，并作為表示空間物面尺寸重要的組成部分。例如，測量物體的物面只有幾個平方毫米大小，要求分辨率的精度能夠滿足毫米測量要求，但是如果測量物體的物面有幾個平方厘米，分辨率的精度無法體現出毫米測量級別。

因此，在使用數碼攝影測量物體過程中，為提高對物體的測量精度，可通過提高攝影機的分辨率達到測量精度標準。如果使用的攝影設備分辨率無法調整，可以將物體放置在小型環境中，同時將物體與攝影機控制在最小的距離內，目的是在后期處理時，放置像片內的像素受到破壞，造成測量精度出現不準確問題。另外，使用攝影設備對建筑物體進行攝像測量過程綜合，如果受到環境中光線影響，或者攝像角度影響，對攝像的精度都會造成影響。為提高近景攝影測量精度，應在處理圖像時，加強質量處理已經細化過程。

在進行圖像細化處理時，一般是對圖像中的信息骨架進行處理，通常會對一個單位的像素進行細化處理。而在對立體物體進行細化處理時，一般使用的細化方法包括貼信息元片以及投影信息元。在使用貼信息元片方法時，由于貼片是在特殊設計后，其具備規則性和唯一性信息的特點，通過算法可以準確的處理圖像骨架。

在處理圖像骨架時，一般在固定的區域內將信息不斷的細化處理，然后將信息建立成線段排列成點陣，在每個點陣內將每個像素點進行深度的細化。在對圖像進行細化處理時，為提高分辨率精度，通過算法分配像素點實施細化操作。

在科學技術不斷發展中，許多數碼技術廣泛的應用在提升分辨率中，但是在提升分辨率的同時，數碼產品的價格也不斷提升。因此，如果只通過提升攝影設備的分辨率提高攝影測量精度，通常需要承受巨大的經濟壓力。因此，還是對圖形以及圖像處理技術提升分辨率。

4 相機鏡頭畸變檢測攝影機

在攝影測量操作過程中，需要對每張影像光束產生的形狀進行不同程度的恢復處理，而在內方位元素恢復中，應將攝影中心與像片建立相對幾何關系。為獲得恢復良好的攝影光束形狀，應根據光學畸變系數，計算恢復光束形狀，然后進行檢查和校正。如果沒有實施嚴格的檢查和校正操作，通常攝影后生成的圖像其精度相對較低，而且鏡頭出現的畸變誤差較大，主要是受到環境中光線。溫度等因素影響。目前，在近景攝影測量中，檢查和校正內容主要包括主點位置、測定壓平裝置以及畸變誤差等。另外，不同類型的近景測量設備操作時，都要進行檢查和校正，防止設備內內方位元素、光學畸變誤差對攝影精度產生影響。

5 結論

綜上所述，在近景攝影測量技術應用在建筑物變形監測時，將物體在建立的空間坐標系內，對物體的變形點等進行計算和分析，保證被測建筑物的變形測量具有較高的準確性。而且通過攝影測量技術，可以詳細的掌握建筑物承受的應力變化，為建筑物可能出現的變形問題建立預測和保護體系。