極坐標(biāo)法在非量測相機(jī)檢校場控制測量中的應(yīng)用

劉 晨,耿 娟,賀一楠,楊 輝

(西南交通大學(xué) 測量工程系,四川 成都 611756)

極坐標(biāo)法在非量測相機(jī)檢校場控制測量中的應(yīng)用

劉 晨,耿 娟,賀一楠,楊 輝

(西南交通大學(xué) 測量工程系,四川 成都 611756)

分析室內(nèi)檢校場精度的常用測量控制方法，將極坐標(biāo)應(yīng)用于非量測相機(jī)檢校場控制測量精度分析，研究其控制過程和精度誤差。通過應(yīng)用于鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測與隧道限界測量系統(tǒng)，證明了文中方法具有較高的控制精度，可以滿足一般工業(yè)攝影測量任務(wù)的需要。

檢校場；極坐標(biāo)測量；精度分析

近年來，隨著低空攝影測量的飛速發(fā)展，非量測型相機(jī)以其低廉的價(jià)格，靈巧、便攜等優(yōu)勢被較多的數(shù)據(jù)獲取單位所選擇。非量測相機(jī)相對于傳統(tǒng)的量測相機(jī)，它沒有傳統(tǒng)的量測相機(jī)光學(xué)畸變小、可測定內(nèi)方位元素、有框標(biāo)裝置、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固等優(yōu)點(diǎn)[1]。為了使非量測相機(jī)能夠達(dá)到航空攝影測量作業(yè)的要求，每次作業(yè)前，必須對非量測相機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如：內(nèi)方位元素x0，y0，f和畸變系數(shù)k1，k2，p1，p2進(jìn)行嚴(yán)格的檢校，以保證后期的影像數(shù)據(jù)處理能夠順利進(jìn)行。檢校這些參數(shù)的方法目前主要是實(shí)驗(yàn)室檢校法和實(shí)驗(yàn)場檢校法，且均已形成標(biāo)準(zhǔn)化。但非量測相機(jī)的檢校并未嚴(yán)格地標(biāo)準(zhǔn)化，其原因可能就是非量測相機(jī)的多樣化和檢測內(nèi)容的多樣化[2]。

檢校非量測相機(jī)的這些參數(shù)方法有很多，目前主要應(yīng)用的是室內(nèi)檢校[3-5]。室內(nèi)檢校的關(guān)鍵就是要有一個高精度的室內(nèi)檢校場。為了能夠保證檢校場中每個物方控制點(diǎn)的精度，在控制測量的方法選擇上至關(guān)重要。

1 交會法控制測量

1.1 坐標(biāo)系的建立[6]

目前，在獲取這些物方控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)(X，Y)上，多選擇交會法[7]，高程坐標(biāo)Z采用三角高程測量，其測量過程如圖1所示。

圖1 交會法測量示意圖

測量時采用自由坐標(biāo)系，利用后方交會的方法確定兩個地面控制點(diǎn)A，B的坐標(biāo)，為了達(dá)到精度評定的目的，需要有多余觀測量，即測量O1，O2，O3，O44個點(diǎn)的水平角。在測量墻體上的物方控制點(diǎn)時，采用前方交會的方法，利用地面控制點(diǎn)A，B上的兩臺全站儀同時觀測，交會出物方控制點(diǎn)Px的平面坐標(biāo)。

將兩臺同型號的全站儀分別架于A，B兩地面控制點(diǎn)上，儀器高度大致相同；將銦鋼尺懸掛或貼附在墻壁上，使圓水準(zhǔn)氣泡居中；調(diào)節(jié)全站儀的豎直微動螺旋，使視線水平，將兩臺全站儀目鏡對準(zhǔn)銦鋼尺，讀取尺子上的讀數(shù)HA，HB，則，hAB=HB-HA。假定HA=H為一常數(shù)，則HB=H+HA。然后，通過三角高程測量，計(jì)算出各個物方控制點(diǎn)PX與地面控制點(diǎn)A，B間的高差，計(jì)算出各個標(biāo)志點(diǎn)PX的高程HP。

1.2 精度分析[2]

1.2.1 平面坐標(biāo)精度分析

兩點(diǎn)法前方交會平面點(diǎn)位中誤差MP的關(guān)系式為

(1)

式中：mA,mB為測站點(diǎn)A與B的點(diǎn)位中誤差,m為儀器的測角中誤差。

1.2.2 高程精度分析

當(dāng)沒有儀器高i和目標(biāo)高v影響時，高程中誤差的關(guān)系式為

(2)

2 極坐標(biāo)控制測量

2.1 坐標(biāo)系的建立及控制過程

該種測量方法坐標(biāo)的建立同1.1，在A點(diǎn)(或B點(diǎn))架設(shè)一臺精度較高的全站儀，嚴(yán)格對中整平，精確照準(zhǔn)B點(diǎn)(或A點(diǎn))后，將后視角置0，運(yùn)用全圓觀測法，每5個點(diǎn)一組進(jìn)行觀測，觀測測回?cái)?shù)不少于6。

2.2 精度分析

假設(shè)斜距為S,水平距為D，方位角為α，豎直角為β，待定點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，由斜距劃算為平距D=Scosβ。

真誤差方程為

則水平距離D的中誤差為

又極坐標(biāo)的計(jì)算公式

(3)

將此式微分得

化為矩陣的形式為

因此，待定點(diǎn)的協(xié)方差陣為

其顯示形式為

由上顯示可以推出待定點(diǎn)的方差為

寫成中誤差的形式為[8]

(4)

在不考慮儀器高i和目標(biāo)高v影像的情況下，高差h=Ssinβ，真誤差方程為

寫成中誤差的形式為

(5)

以目前精度較高的全站儀Leica TM30為例，其標(biāo)稱精度為測角0.5s，測距1mm+1ppm，假設(shè)用測量的最遠(yuǎn)距離Smax=50 m，豎直角β=20°，ρ=206 265計(jì)算，m=1.05mm，mh=0.13 mm，可得出最大點(diǎn)位中誤差

若按《精密工程測量規(guī)范(GB/T15314-94)》中7.3.8的要求，如表1所示。

表1 各等級導(dǎo)線水平角觀測的技術(shù)要求

注：n為測站數(shù)。

針對于測角精度為0.5s的儀器，測量6個測回，中誤差的平均值

(6)

根據(jù)內(nèi)方位元素的檢定精度要求[2]

(7)

設(shè)主距f為50 mm，h=5000 mm，計(jì)算出內(nèi)方位元素的中誤差分別為mx=0.006 mm，my=0.006 mm，mf=0.000 2 mm。

3 實(shí) 例

結(jié)合目前與成都鐵路局一同研究的課題：鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測與隧道限界測量系統(tǒng)研究，需建立一個相機(jī)室內(nèi)檢校場，如圖2所示。采用極坐標(biāo)測量方法建立自由坐標(biāo)系，測量出檢校場內(nèi)每個標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)。表2是對該相機(jī)檢校場中部分控制點(diǎn)一測回的點(diǎn)的平面坐標(biāo)及點(diǎn)位精度。實(shí)驗(yàn)相機(jī)采用佳能5D Mark Ⅱ單反相機(jī)，鏡頭采用焦距為35mm的定焦頭，利用已編寫的程序完成各個參數(shù)的解算及平差，如圖3所示，并生成相應(yīng)的成果報(bào)告，如表3所示。

圖2 室內(nèi)檢校場示意圖

由表3可知，檢校精度達(dá)到0.19個像素也是比較高的。不同的攝影測量任務(wù)和測區(qū)的環(huán)境對內(nèi)方位元素的檢校精度要求是不同的, 一般把檢校精度控制在±0.01mm以上[9]。通過實(shí)踐可知，極坐標(biāo)測量方法可以滿足該項(xiàng)目中攝影測量任務(wù)的需要。

表2 相機(jī)檢校場部分控制點(diǎn)精度

圖3 參數(shù)解算及平差

表3 相機(jī)參數(shù)平差報(bào)告(部分)

注：ZS,XS,YS為攝站外方位元素；Fi,Omg,Kpa分別為俯仰角、翻滾角和旋偏角；f為相機(jī)焦距；x0,y0為像主點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；k1，k2，k3，p1，p2，b1，b2為鏡頭畸變系數(shù)。

4 結(jié)束語

高精度檢校場是攝影測量中相機(jī)檢校和有關(guān)理論研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施。本文基于2013年成都鐵路局科技研究開發(fā)計(jì)劃(鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測與隧道限界測量系統(tǒng)研究)實(shí)踐分析得出。由上面的分析可知，極坐標(biāo)法用于控制測量可以得到較高的精度，可以滿足一般工業(yè)攝影測量的需求。

[1]李紹剛,陶安利,楊鐵利,等. 航空攝影測量數(shù)碼相機(jī)的檢校方法研究[J]. 測繪科學(xué), 2010,35(6):35-36.

[2]馮文灝.近景攝影測量-物體外形于運(yùn)動姿態(tài)的攝影法測定[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

[3]李瑞芳,關(guān)艷玲,左建章.高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)室外檢校場建設(shè)方案研究[J].測繪科學(xué),2010,35(6):65-67.

[4]許磊,王留召,余潔,等.一種新型的數(shù)碼相機(jī)室內(nèi)檢校場的建立方法[J].北京測繪,2008(2):20-22.

[5]王留召,張建霞,王寶山.航空攝影測量數(shù)碼相機(jī)檢校場的建立[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1):46-49.

[6]常艷敏,秦軍,劉晨.非量測型數(shù)碼相機(jī)室內(nèi)檢校場的建設(shè)方案研究[J].鐵道勘察，2013(2):17-18.

[7]馮文灝．工業(yè)測量中特高精度控制網(wǎng)的建立方法[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,24(2):119-123.

[8]王艷利. 近景攝影測量中數(shù)碼相機(jī)檢校的探討[J]. 河南科技,2010(7)：80-81.

[9]馮文灝.關(guān)于近景攝影機(jī)檢校的幾個問題[J].測繪通報(bào),2000(10):1-3.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Application of polar coordinates in the accuracy analysis of non metric camera checking field

LIU Chen，GENG Juan，HE Yi-nan，YANG Hui

(Dept. of Surveying and Mapping Engineering， Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756,China)

For several conventional measuring and control methods for the accuracy of indoor checking field, the polar coordinates are applied to the conventional of the accuracy analysis of non metric camera checking field. Its control process and accuracy error are studied here. Higher control accuracy based on the requirement for general industrial measurement is proved, which can comply with the requirement.

checking field; polar coordinate measurement; accuracy analysis

2013-10-21

成都鐵路局科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(CX1318)

劉 晨(1987-)，男，碩士研究生.

P23

：A

：1006-7949(2014)10-0050-04