浅析变形监测中的地面摄影测量

摘 要：随着摄影测量技术的飞速发展，它逐渐被应用到越来越多的项目上来，其中随着地面摄影测量技术的逐渐发展成熟，它也更多地应用到变形监测方面。文章主要就地面摄影测量用于变形监测的原理、设备及工序以及影响地面摄影测量精度的主要因素及解决措施进行了分析，指出地面摄影测量在工程的变形监测中已经发挥了很大的作用，但也存在着不足，精度和作业距离受限。因此，很好地结合地面摄影测量的各种方法对于变形监测来说非常重要。

关键词：变形监测；地面摄影测量；分析

中图分类号：TB22 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0183-02

近年来，计算机技术在不断飞速发展中，摄影测量技术已经迈进了数字摄影测量的时代。“计算机视觉”的工作原理是把摄影像片转换成数字，或使用CCD相机等具有特殊用途的摄影机直接拍摄物体的“数字影像”，再通过数字影像匹配技术以及数字摄像处理技术取得同名像点的坐标，并获取对应物点的空间坐标。

1 地面摄影测量用于变形监测的主要方式及其原理

1.1 时间基线法

时间基线法又称为伪视差法，是指将不同时刻拍的两个像片作为立体像对，对固定设站的同一目标像点的上下以及左右视差进行量测，所得视差与像片比例尺的积就是目标像点的位移。时间基线法只能对变形体的二维变形进行监测，无法监测目标像点随着摄影机主光轴方向的位移。如图1所示。

S为摄影中心，S-XYZ为物方坐标系，第一期观测时，目标点A成像于a，设x，z为像点a在像片坐标系中的坐标，f为摄影机焦距。利用简单的几何关系可得出目标点A的坐标为：

1.2 地面立体摄影测量法

如果地面^测需要3个空间坐标轴上的位移值，就需要使用地面立体摄影测量法。该测量法按照不同的摄影基线与光轴的相对位置，分为正直摄影方式、等偏摄影方式、交向摄影方式以及等倾摄影方式四种。正直摄影与等偏摄影都是像片所对的摄影光轴水平相互之间保持平行，不同的是正直摄影与摄影基线方向垂直，而等偏摄影与摄影基线垂直方向偏开了一定的角度。交向摄影是指像片所对的两个摄影光轴水平相交并形成一定的角度。等倾摄影是指像片所对的两个摄影光轴水平相对倾斜并形成一个相同的倾角。在变形监测应用中，最常用的是交向摄影。

根据摄影时摄影机内外方位元素是否已知，处理摄影测量数据的方式分为空间前方交会法，空间后交-前交法，严密解法以及直接线性变换法。下面以直接线性变换法为例给出数学模型。

直接线性变换（DLT）节省了从坐标仪量测的坐标转换为像片坐标的步骤，直接变换为物方空间坐标。这种方法最初用于处理非量测机所摄的像片，现在越来越多地应用于处理量测相机所摄的像片。

设x，z为像点的坐标仪坐标，相应的目标点的物方空间坐标为X，Y，Z，直接线性变换法表示为：

式中，L1～L11称为DLT系数。已知DLT系数时，列出立体像对每一个目标点的4个观测误差方程，通过最小二乘法对目标点的三维坐标进行解算。未知DLT系数时，需在物方空间中布设控制点进行系数解算，这时分别列出物方空间的每个控制点的两个方程，同时，为了确保精确解算系数，不能在同一个平面上布设控制点，至少需要布设6个控制点对这11个未知系数进行解算。

2 地面摄影测量外业设备的种类

地面摄影测量的首级控制需要由GPS或者全站仪进行布设测量。因此外业设备主要包括数码相机（非量测相机）、GPS或全站仪和笔记本电脑。

2.1 数码相机

为确保数码立体像对有较高质量的影像效果，数码相机的解像度应较高，并且镜头畸变差应较小。通常以JPG以及TIFF格式储存影像，并通过配套的储存卡把影像直接下载到电脑上。

2.2 GPS或全站仪

GPS或全站仪主要用来进行地面摄影测量的控制测量，把所构建的摄影测量网纳入到物方空间坐标系中，通过多余的控制来增加摄影测量网的强度，再通过相对控制以及多余的控制点来检测摄影测量的可靠性和精确度。

3 地面摄影测量的外业工序流程

3.1 做好每项准备工作

在外业现场进行立体像对拍摄是一个非常关键的环节，其质量对整个地面摄影测量产生直接影响，需要做好每项准备工作。首先，在地图上选择好要监测的区域范围，接着再设定摄影范围。然后对相机进行正确设置，设置最高的分辨率，设置合适的图像储存格式，调整适合的镜头焦距。最后，对摄影基线进行合理确定。应选择在视野开阔处设立摄影基线的左右站，摄影基线应设在被摄区域的正面，并且最好使用正直摄影方式，以确保使用最少的摄影基线获取最大的摄影面积。

3.2 布设清晰的摄影标志

制作摄影标志时，标志的设计尺寸要足够大才能确保标志在影像上清晰可见，标志尺寸可设计为80cm×80cm，如图2所示。

而拍摄对象是明显地物点时，只要在数字影像上做好标记就行了，可以不再布设标志，但对该地物点应进行三维坐标联测。

3.3 做好拍摄立体像对的各项工作

在选定的摄影基线的两边摄站上架设好三脚架并同时安置好相机，摄影状态最好选择正直摄影方式，对于一些特别困难的地段可酌情选择等偏或等倾摄影方式，而且调整的角度不宜过大。在拍摄完每一个立体像对后，应实时通过笔记本电脑下载并打开检查摄影像对的质量、范围并查看摄影标志的清晰度，对需要补拍的，现场即时补拍。

3.4 对像控点进行编号及坐标联测

这一步骤可通过专业的摄影测量系统进行。首先，对立体像对进行编号后再把它们复制到刺点调绘片上，刺点调绘片通过Photoshop软件打开后再对摄影标志进行编号，然后压缩成JPG格式；最后通过全站仪对各像控点坐标进行联测，并生成文本文件。

3.5 做好立体像对的内业处理

通常来说，用于地面摄影的数码相机无论是非量测相机还是量测相机，均不会用到相机检验参数，因此无需建立相机检校参数文件。监测点对应的当期坐标最终由软件算出。通过获取每期监测点的坐标，可以计算相邻期的变化量。由于需要进行几期观测并得到各个监测点的坐标差，因此每期均需要进行上述工序，控制点的联测也是需要的。

4 影响地面摄影测量在变形监测上的精度的主要原因及解决措施

（1）由于仪器性能、观测点特征以及观测员熟练程度等因素致使在使用坐标量测仪测量像片坐标过程中产生量测误差，因此需要从提升仪器性能，培训观测员的量测操作熟练程度等方面进行改善。（2）摄影机基距比B/Y、焦距和摄影机轴的交会角等摄影测量几何图形也会影响模型坐标的精度，需要在摄影时重视这些测量几何图形的合理调整。（3）控制点数量、分布情况以及它们的实测精度等会导致测量像控点坐标时存在误差，这是在变形监测中地面摄影测量常遇见的情况，需要合理做好控制点的各项工作。（4）在变形观测过程中，进行地面摄影测量时各地物点影像存在变形未能消除了Px、Py，导致还存在误差，需要采取消除影像变形的措施达到真正消除Px、Py的目的。（5）还需要消除一些其他因素对变形监测精度的影响，例如，应选用高精度的摄影仪器以及坐标量测仪，摄影标志应比较清晰，选择合理的摄影站和摄影方式等。

5 结束语

综上所述，随着地面摄影测量技术的进步，地面摄影测量在工程的变形监测中发挥的作用已经越来越大，通过理论分析并结合实际的操作流程再采取针对性措施改善精度不足的问题，将会促进地面摄影测量技术的进一步发展，进而推动变形监测在工程上的应用及发展。

参考文献：

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[2]王长进.基于数码相机的地面摄影测量在工点测绘中的应用[J].铁道勘察，2005（1）：47-48.

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