一種基于近景攝影測(cè)量的隧道維護(hù)裝置導(dǎo)航方法

王佩賢，金澤林，張恒璟,2，蘭文琦，崔東東,2，楊雄丹

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830）

0 引言

近景攝影測(cè)量具有非接觸式測(cè)量、方便攜帶、設(shè)站靈活、能在復(fù)雜環(huán)境下工作及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]將布設(shè)好編碼點(diǎn)的金屬架作為控制裝置，利用全站儀對(duì)金屬架上的編碼點(diǎn)實(shí)施高精度標(biāo)定，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)像控點(diǎn)，采用數(shù)碼相機(jī)，通過(guò)近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行隧道的變形監(jiān)測(cè)。驗(yàn)證了數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)在解決隧道結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量上的可行性與精準(zhǔn)度。文獻(xiàn)[2]通過(guò)確定各種拍攝距離下控制點(diǎn)的最佳尺寸，以及通過(guò)對(duì)控制點(diǎn)網(wǎng)型的試驗(yàn)得到了控制網(wǎng)的布網(wǎng)原則，最終將近景攝影測(cè)量的方法應(yīng)用到基坑的變形監(jiān)測(cè)中。文獻(xiàn)[3]為解決目前煤礦巷道、隧道以及立井等地下狹窄范圍內(nèi)各種因素導(dǎo)致的測(cè)量難已完成的問(wèn)題，采用數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量方法，通過(guò)改變相片數(shù)量、攝影測(cè)量靶標(biāo)位置以及拍攝網(wǎng)形，對(duì)比精度分析結(jié)論，為地下狹長(zhǎng)空間內(nèi)的測(cè)量工程提供參考。

上海硬 X 射線自由電子激光裝置[4-6]總長(zhǎng)約3 000 m，主體裝置位于地下30 m 深的隧道和豎井中，在運(yùn)行時(shí)具有較強(qiáng)輻射，需要實(shí)時(shí)提供隧道維護(hù)裝置的導(dǎo)航位置信息以進(jìn)行固放功率源破損模塊的自動(dòng)化更換。因隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，前后無(wú)法通視及信號(hào)微弱等問(wèn)題，傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法獲取準(zhǔn)確的位置信息。為此提出1 種基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的隧道維護(hù)裝置導(dǎo)航方法，通過(guò)對(duì)單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加密攝影測(cè)量控制網(wǎng)，在加密控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行后方交會(huì)解算隧道維護(hù)裝置導(dǎo)航位置信息，為維護(hù)儀器在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、自動(dòng)化工作提供基礎(chǔ)位置信息。

1 單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)是在被測(cè)物周圍布設(shè)合理的編碼標(biāo)志后，根據(jù)工業(yè)相機(jī)在不同位置與方向?qū)Ρ粶y(cè)物拍攝2 幅以上的影像，照片在攝影測(cè)量軟件中經(jīng)過(guò)圖像掃描后，因編碼點(diǎn)設(shè)計(jì)的特殊性，在攝影測(cè)量處理軟件中能夠快速被識(shí)別和定位，同時(shí)通過(guò)編碼點(diǎn)實(shí)現(xiàn)影像間的拼接，再通過(guò)三角交會(huì)和光束法平差后得到待測(cè)物體的 3 維坐標(biāo)[7]。

單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量標(biāo)志、基準(zhǔn)尺、高精度單相機(jī)、攝影測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件 4 個(gè)部分構(gòu)成。

1.1 測(cè)量標(biāo)志

編碼標(biāo)志的主要作用是通過(guò)編碼點(diǎn)實(shí)現(xiàn)所有影像的拼接，同時(shí)拼接影像內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)，獲取測(cè)量點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系下的3 維坐標(biāo)，所以需要在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)合理的編碼標(biāo)志。本項(xiàng)目最長(zhǎng)測(cè)量范圍達(dá) 1.4 km，共需兩千多個(gè)具有獨(dú)立身份（identity, ID）的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)。目前采用8 點(diǎn)編碼標(biāo)志進(jìn)行編碼，只能形成 500 個(gè)不同的排列組合，即500 種不同編碼標(biāo)志。8 點(diǎn)編碼標(biāo)志如圖1(a)所示。為了適應(yīng)本項(xiàng)目應(yīng)用需求，重新設(shè)計(jì)10 點(diǎn)的編碼標(biāo)志，可形成百萬(wàn)量級(jí)編碼標(biāo)志點(diǎn)，如圖1(b)所示。

圖1 近景攝影測(cè)量標(biāo)志

相機(jī)拍攝時(shí)，合適的光線入射角為 0°～60°。上海硬 X 射線自由電子激光裝置項(xiàng)目的隧道最長(zhǎng)為1.4 km，直徑約為7 m，它是1 個(gè)狹長(zhǎng)的測(cè)量區(qū)域，這種測(cè)量環(huán)境使得相機(jī)在拍攝過(guò)程中，不能始終保證入射光線有較好的入射角。為克服這一缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了多面體編碼標(biāo)志：這樣既保證了每個(gè)測(cè)量標(biāo)志具有獨(dú)立的 ID，又保證了有足夠的加密控制點(diǎn)；相機(jī)在任何角度對(duì)測(cè)量標(biāo)志進(jìn)行拍攝時(shí)，均有光線入射以保證獲取照片的成像質(zhì)量。

測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的布設(shè)方案為：每隔2～2.5 m 布設(shè)五面體攝影測(cè)量編碼標(biāo)志的控制點(diǎn)；4～5 m 布設(shè)一體化立體攝影測(cè)量標(biāo)志，一體化立體攝影測(cè)量標(biāo)志包含攝影測(cè)量靶球。用激光跟蹤儀通過(guò)對(duì)靶球進(jìn)行測(cè)量，將其測(cè)量結(jié)果作為攝影測(cè)量靶球的已知值。

一體化立體攝影測(cè)量標(biāo)志為攝影測(cè)量系統(tǒng)和激光跟蹤儀共同使用，五面體測(cè)量標(biāo)志為攝影測(cè)量系統(tǒng)所用。2 種多面體編碼標(biāo)志如圖 2(a)和圖2(b)所示。

圖2 近景攝影測(cè)量編碼標(biāo)志

攝影測(cè)量控制網(wǎng)加密過(guò)程中，需要激光跟蹤儀提供初始點(diǎn)位坐標(biāo)，同時(shí)激光跟蹤儀和攝影測(cè)量系統(tǒng)均能準(zhǔn)確識(shí)別出攝影測(cè)量靶球，因此在隧道中布設(shè)攝影測(cè)量控制點(diǎn)時(shí)，可以采用一體化立體攝影測(cè)量標(biāo)志來(lái)滿足該測(cè)量的需求。

1.2 基準(zhǔn)尺

精度高且穩(wěn)定的基準(zhǔn)尺可為攝影測(cè)量提供高精度的長(zhǎng)度基準(zhǔn)；攝影測(cè)量系統(tǒng)具有可在非常規(guī)環(huán)境下工作的優(yōu)勢(shì)，所使用的基準(zhǔn)尺由特定材料制成。通常情況下，采用因瓦合金制作成基準(zhǔn)尺，因瓦鋼基準(zhǔn)尺在溫度和濕度不穩(wěn)定情況下，可保持基準(zhǔn)尺精度變化極小，熱膨脹率一般為 2×10-6/℃，可以在為標(biāo)定測(cè)量時(shí)提供穩(wěn)定且高精度的長(zhǎng)度基準(zhǔn)?？紤]到隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，放置的基準(zhǔn)尺可能會(huì)產(chǎn)生偏移，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差的出現(xiàn)；所以本次測(cè)量采用激光跟蹤儀對(duì)攝影測(cè)測(cè)量靶球進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量所得2 個(gè)靶球點(diǎn)之間的距離代替基準(zhǔn)尺。測(cè)量區(qū)域內(nèi)每4～5 m 有2 個(gè)一體化立體測(cè)量標(biāo)志，所以控制測(cè)量點(diǎn)較多，這樣既可以為攝影測(cè)量控制網(wǎng)提供穩(wěn)定的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，也便于不同攝站坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

（2）優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，促進(jìn)財(cái)務(wù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的深度融合。優(yōu)化財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)流程，將財(cái)務(wù)信息處理嵌入到高校其他業(yè)務(wù)處理過(guò)程中。在科研立項(xiàng)、資產(chǎn)購(gòu)置等業(yè)務(wù)活動(dòng)發(fā)生過(guò)程中，通過(guò)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的嵌入和提取，使財(cái)務(wù)系統(tǒng)能夠按照一定的信息處理規(guī)則生成并集成信息，同步完成后續(xù)的審核、入賬等財(cái)務(wù)相關(guān)業(yè)務(wù)。通過(guò)業(yè)務(wù)流程、財(cái)務(wù)處理流程、管理流程的緊密合作，促進(jìn)高校信息系統(tǒng)的資源共享，優(yōu)化業(yè)務(wù)處理流程，減少審批手續(xù)環(huán)節(jié)，減輕財(cái)務(wù)工作量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)會(huì)計(jì)的事中控制，提高預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的能力。

1.3 高精度工業(yè)測(cè)量相機(jī)

高精度工業(yè)測(cè)量相機(jī)主要由工業(yè)相機(jī)和主動(dòng)照明光源（閃光燈）組成，工作人員手持相機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境編碼點(diǎn)布設(shè)情況，獲取被測(cè)物不同方向和位置的影像，經(jīng)由攝影測(cè)量處理軟件對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)處理后，獲取被測(cè)物相關(guān)信息。本文所使用的高精度相機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 高精度相機(jī)參數(shù)

1.4 攝影測(cè)量處理軟件

攝影測(cè)量處理軟件采用自主研發(fā)的IDPMS 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，通過(guò)對(duì)測(cè)量中獲取的照片進(jìn)行掃描、標(biāo)志識(shí)別和定位、像點(diǎn)匹配、圖像拼接、三角交會(huì)和光束平差后等步驟，可以得到攝影測(cè)量坐標(biāo)系下編碼標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2 隧道攝影測(cè)量控制網(wǎng)加密

考慮到本項(xiàng)目中控制點(diǎn)數(shù)目較少，為適應(yīng)全向輪移動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)航需要，結(jié)合隧道內(nèi)的實(shí)際情況，必須對(duì)攝影測(cè)量控制網(wǎng)進(jìn)行加密以提高攝影測(cè)量精度。加密控制網(wǎng)的精度也是檢驗(yàn)控制網(wǎng)的重要指標(biāo)。

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)和測(cè)量

控制網(wǎng)布設(shè)（如圖3(a)所示），控制網(wǎng)布設(shè)完成之后即可進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量步驟為：①采用激光跟蹤儀對(duì)一體化立體測(cè)量目標(biāo)上攝影測(cè)量靶球進(jìn)行測(cè)量，獲取靶球點(diǎn)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的3 維坐標(biāo)；②采用攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)一體化立體測(cè)量標(biāo)志進(jìn)行測(cè)量，獲取隧道布設(shè)的控制網(wǎng)點(diǎn)的 3 維坐標(biāo)。攝影測(cè)量靶球經(jīng)過(guò)激光跟蹤儀和單相機(jī)拍攝后，可將靶球作為公共點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將隧道中布設(shè)的所有控制網(wǎng)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到激光跟蹤儀坐標(biāo)系下，完成隧道內(nèi)攝影測(cè)量控制網(wǎng)的加密（如圖 3(b)所示）。

圖3 控制網(wǎng)布設(shè)及測(cè)量

2.2 控制網(wǎng)測(cè)量精度

對(duì)攝影測(cè)量靶球進(jìn)行測(cè)量后，應(yīng)用光束法平差模型[8]獲得像點(diǎn)殘差。將攝影測(cè)量獲得的靶球點(diǎn)位3 維坐標(biāo)與激光跟蹤儀測(cè)得的靶球點(diǎn)位3 維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以反映本次測(cè)量的整體質(zhì)量，結(jié)果如表2所示。其中dX、dY、dZ為點(diǎn)坐標(biāo)差值，用均方根（root mean square，RMS）來(lái)評(píng)定控制網(wǎng)精度。

表2 相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定驗(yàn)證結(jié)果

3 隧道維護(hù)裝置導(dǎo)航位置和精度計(jì)算

導(dǎo)航位置測(cè)量時(shí)，相機(jī)控制網(wǎng)布設(shè)在寬度為200 mm 的狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，2 m 左右布設(shè)2 個(gè)立體攝影測(cè)量標(biāo)志。全向輪移動(dòng)車上安裝有導(dǎo)航測(cè)量雙相機(jī)，相機(jī)對(duì)控制網(wǎng)上的標(biāo)志進(jìn)行測(cè)量，采用后方交會(huì)原理，實(shí)現(xiàn)全向輪移動(dòng)車的定位。導(dǎo)航測(cè)量相機(jī)的相機(jī)分辨率為 4 112×3 008 個(gè)像素，像元大小為5.5 μm，相機(jī)焦距為8 mm。單臺(tái)相機(jī)的測(cè)量范圍為 5.5 m×5.5 μm、視場(chǎng)角約為 70°，2 臺(tái)相機(jī)夾角為60°，根據(jù)三角函數(shù)可知，2 臺(tái)相機(jī)共能觀測(cè)到8～10 個(gè)立體攝影測(cè)量標(biāo)志。通過(guò)后方交會(huì)測(cè)量，可解算出相機(jī)在隧道中的位置。

選擇 4 點(diǎn)后方交會(huì)方法進(jìn)行導(dǎo)航測(cè)量精度評(píng)定[9]，其計(jì)算公式為

式中：m0為測(cè)量中誤差（像素識(shí)別誤差）；f為相機(jī)焦距；a為目標(biāo)成像尺寸的 1/2；l為測(cè)量距離；及mκ分別為旋轉(zhuǎn)后φ、ω及κ方向上的測(cè)量中誤差；分別為X、Y及Z方向的測(cè)量中誤差。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，標(biāo)志中心提取精度可以達(dá)到1/50 個(gè)像素，工程環(huán)境下，一般按照1/20 個(gè)像素計(jì)算，則測(cè)量中誤差m0=0.000 275 mm，f=8 mm；按照 1 個(gè)相機(jī)拍攝 4 m 范圍內(nèi) 6 個(gè)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算，a=9 mm，測(cè)量距離按照測(cè)量光線的最大斜距4.5 m 計(jì)算。將以上參數(shù)帶入精度評(píng)定公式中，可得：

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

進(jìn)行本次測(cè)量項(xiàng)目之前，運(yùn)用本文的方法進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，即采用導(dǎo)航相機(jī)，對(duì)某地下隧道近60 m 的控制場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M本次項(xiàng)目所需的精度要求。在實(shí)驗(yàn)隧道中，為符合項(xiàng)目實(shí)際情況，模擬隧道內(nèi)的編碼標(biāo)志布設(shè)情況（編碼點(diǎn)分布間隔為2～2.5 m，隧道中還有部分編碼點(diǎn)布設(shè)在電源機(jī)柜上，相機(jī)可拍攝到的編碼點(diǎn)較少），采用完成標(biāo)定的2 臺(tái)工業(yè)相機(jī)呈60°夾角，對(duì)實(shí)驗(yàn)隧道中的編碼標(biāo)志進(jìn)行拍攝。將拍攝得到的影像經(jīng)過(guò)IDPMS 軟件進(jìn)行處理，并與激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)多次試驗(yàn)，證明其測(cè)量精度可達(dá)0.458 mm。

攝影測(cè)量控制網(wǎng)加密完成后，隧道內(nèi)控制點(diǎn)的坐標(biāo)均為已知。在維護(hù)裝置接受到中控指令，需要更換損壞插件時(shí)，導(dǎo)航雙相機(jī)通過(guò)對(duì)隧道兩側(cè)的控制點(diǎn)拍攝，獲取其影像坐標(biāo)。利用加密時(shí)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)和導(dǎo)航相機(jī)攝獲的編碼點(diǎn)影像坐標(biāo)，通過(guò)后方交會(huì)原理，可解算出相機(jī)在隧道內(nèi)位置信息。本文通過(guò)多次拍攝獲取重復(fù)性精度如表3 所示。由表3 可以知：X方向最大誤差為0.58 mm；Y方向最大誤差為0.66 mm；Z方向最大誤差為0.30 mm。

由于隧道中的控制點(diǎn)呈狹窄的長(zhǎng)條狀分布，網(wǎng)型較差，根據(jù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)[10-12]，狹窄的長(zhǎng)條狀網(wǎng)型將大幅降低測(cè)量精度，結(jié)合隧道中其他不可控因素的影響，3 個(gè)方向的定位精度一般會(huì)低于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的精度。若參與計(jì)算的點(diǎn)越多，后方交會(huì)的精度則越高。模擬實(shí)驗(yàn)和誤差理論分析結(jié)果表明，控制系統(tǒng)的定位精度在5 mm 以內(nèi)，可以為隧道維護(hù)裝置提供準(zhǔn)確導(dǎo)航信息。

表3 后方交會(huì)的重復(fù)性檢驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)隧道實(shí)際環(huán)境下，對(duì)單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，改進(jìn)了編碼標(biāo)志、基準(zhǔn)尺及攝影測(cè)量處理軟件，設(shè)計(jì)和改進(jìn)的攝影測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足隧道內(nèi)實(shí)際測(cè)量需要。利用近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)編碼標(biāo)志進(jìn)行拍攝和解算，應(yīng)用后方交會(huì)獲取相機(jī)在隧道內(nèi)的位置，通過(guò)理論論述和模擬實(shí)驗(yàn)表明，采用數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的導(dǎo)航方法能夠保證5 mm 以內(nèi)的定位精度。