多基線近景攝影測量系統在烏東德壩肩槽開挖技術的應用

趙 云

（中國水利水電第八工程局有限公司科研設計院， 湖南 長沙 410004）

1 概述

目前為止數字攝影測量的發展，無論在理論上還是在實際上，主要是圍繞著利用航空(航天)攝影測量測繪地形圖，而對于數字近景攝影測量的研究甚少。同時隨著數碼相機的廣泛應用、價格愈來愈低廉，數碼相機在測量的應用將是攝影測量發展的必然趨勢。烏東德水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩肩地質條件復雜，開挖高差大、強度高，壩肩槽建基面開挖質量要求高，而扭面開挖更是更是對傳統測量技術的嚴峻考驗。多基線數字攝影測量技術的應用能夠極大的提高生產效率、降低勞動強度。通過其生成點云數據及構建的三維模型能直觀有效的反映現場的地形地貌，不論是在開挖過程中技術設計和質量驗收等方面都能發揮重要的作用。

2 操作流程

多基線近景攝影測量技術在實際操作過程中在主要分為預處理、外業數據采集和內業數據處理三個階段。其中預處理主要是對相機進行檢校，相機檢校的目的是對相機進行標定，解算出相機的內方位元素：相機焦距f,像主點坐標x0、y0，畸變參數k1、k2、p1、p2。 外業數據采集是獲得高精度測量成果的關鍵，其目的是獲取所測物體的影像信息和控制點資料，獲取影像資料時，需注意要根據現場情況及拍攝物體的特點選取合適的拍攝距離，選擇合適的攝站以及選擇合適的相機鏡頭，控制點資料的獲取關鍵在于如何合理的布設像控點。外業完成后進行內業處理，主要包括新建工程、導入數據、空三匹配、控制點量測、平差、生成點云等過程。

3 Lensphoto特點

Lensphoto應用多基線立體匹配算法獲取大量同名點，然后通過近景空中三角測量完成模型自動連接并獲取像片外方位元素和相機參數，最終通過多光線前方交會及區域網自由網平差，自動生成物方區域三維坐標點的點云，從而建立高精度的數字表面模型。對所攝影像處理時，不再按單模型進行處理，而是進行整體處理；不采用非量測相機進行直接線性變換，而事先利用計算機液晶屏幕上的格網對相機進行檢校，按量測相機進行處理。

4 實例應用

結合工程實際進展情況，我們應用多基線近景攝影測量軟件Lensphoto對烏東德做左岸壩肩槽EL850～EL825高程段進行了實踐，拍攝采用相機采用佳能5D單反相機和焦距為50mm的定焦鏡頭。壩肩槽測量范圍寬80m,高25m，攝站距被攝區域距離100m左右，拍攝時用腳架固定進行拍攝以獲取高質量的影像，影像分四站進行拍攝，攝站間距20m，每個設站拍攝4張影像，同一攝站，相鄰相片間保證60%以上重疊度?？刂泣c均勻分布在壩肩槽周圍，控制點均采用特征點代替，運用徠卡TS06全站儀對像控點進行測量。影像資料和像控點數據采集完成后，利用Lensphoto軟件進行內業處理。首先新建工程，導入影像資料和相機參數，接著進行空三匹配，以根據種子點匹配來完成相對定向；然后光束法平差進行初步平差；然后引入控制點，進行整體約束平差，判斷添加的控制點的平面位置精度否能滿足要求；最后加密匹配生成密集的三維點，在通過生成點云來提取高精度的坐標數據。

5 誤差來源及分析

影響多基線攝影測量精度的因素有很多方面，造成誤差最主要有以下三點：

5.1 儀器設備誤差

儀器設備誤差包括相機誤差以及像控點采集時全站儀造成的誤差。相機誤差主要是指相機在進行檢校過程中解算內方位元素和光學畸變系數的過程中產生的誤差，這些誤差來源都是相機的一些內部參數，呈現系統性。全站儀采點造成的誤差主要儀器本身的系統誤差、整平對中過程中造成的誤差、目標偏心造成的誤差等，使用滿足精度要求的儀器以及規范的操作能很大程度上減小誤差。

5.2 成像系統的分辨率

成像系統的分辨率表示物鏡成像系統對圖像最小像素的辨別能力，簡單講就是像片中的一個像素所占的范圍大小，一個像素所占的范圍越大，精度就越小。我們在具體操作過程中可以通過一下方式來提高精度：

（1）在拍攝同樣范圍的情況下，盡量提高相機自身的分辨率；

（2） 在相機分辨率一定的情況下，需盡量減小攝距以提高清晰度；

（3）在影像解析過程中盡量保持像素不丟失，選用精度較高的特征目標點定位的算法。

5.3 幾何畸變誤差

幾何畸變誤差指像片中目標在空間位置上存在的偏差。產生幾何畸變誤差主要有三點原因：①鏡頭畸變誤差②感光像元的排列誤差③透視誤差。幾何畸變誤差主要通過標定內方位參數的方法減弱。

6 可行性分析

近景攝影測量產生的數據是否可靠，能用于現場實際生產，我們主要與全站儀所測數據進行比較。在進行近景攝影測量前，先用全站儀對所測區域進行了測量，共檢測了 891個點。按照設計開挖尺寸對其進行了偏差計算，具體偏差統計如表1：

表1 全站儀測量數據偏差分布統計表

對攝影測量產生的點云數據進行了抽稀，最后提取2431 個點，對其偏差進行了計算，具體偏差統計如表2：

表2 近景攝影測量數據偏差分布統計表

通過對比分析，近景攝影測量數據與全站儀數據偏差分布基本保持一致，最大百分比差異在區間10～20cm之間，差異為3.4%，對于開挖形體質量控制所造成的誤差基本可忽略，說明用多基線近景攝影測量獲取的數據可以用于壩肩槽開挖質量控制。

7 總結

具體實施過程中，技術人員的經驗及技術水平就顯得尤為重要，包括鏡頭選擇，攝站分布、控制點布設、照片拍攝、空三匹配時同名點選擇等方面均會對成果精度造成一定影響。但瑕不掩瑜，相比于傳統傳統的用全站儀進行目前高邊坡的開挖驗收及檢測工作，近景攝影測量技術有著較為明顯的優勢。烏東德水電站壩肩地質條件復雜，開挖高差大、強度高，壩肩槽建基面開挖質量要求高，而扭面開挖更是更是對傳統測量技術的嚴峻考驗。因其地質條件復雜，壩肩槽開挖時采用逐層開挖、逐層設計的方式，測量數據是否能直觀、有效、及時的反映上一層的開挖情況尤為重要。多基線近景攝影測量在烏東德壩肩槽開挖過程中的實踐結果表明：多基線近景攝影測量測量系統獲取的成果可靠，滿足開挖階段驗收要求。