攝影測量與工程測量的結(jié)合應(yīng)用分析
——攝影全站儀+數(shù)碼攝影機(jī)

寧艷雷

(龍口市經(jīng)緯城市規(guī)劃技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

在工程相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展逐步呈現(xiàn)現(xiàn)代化趨勢的背景下，早期的獨(dú)立攝影測量技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)勢已無法體現(xiàn)，要從核心技術(shù)層面提升工程測量的精度，應(yīng)在進(jìn)行測量作業(yè)時對接兩種測量方法，并將對應(yīng)測量設(shè)備進(jìn)行融合使用，實(shí)現(xiàn)對測量成果精度與質(zhì)量的提升。

1 結(jié)合方案設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建攝影測量與工程測量共線方程

為了實(shí)現(xiàn)兩者在測量作業(yè)中的有效結(jié)合，需要在作業(yè)前，根據(jù)兩種測量設(shè)備的作業(yè)需求，構(gòu)建對應(yīng)的共線方程，以此種方式，確保測量結(jié)果指向性的統(tǒng)一化[1]。在使用全站儀進(jìn)行測量時，可將鏡頭指向的正北方向作為工程測量坐標(biāo)體系的初始化位置[2]。測量中坐標(biāo)系的對接過程如圖1所示。

圖1 攝影測量與工程測量坐標(biāo)系的對接

根據(jù)圖1中坐標(biāo)系的空間位置，進(jìn)行對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系的描述，如公式(1)所示：

(1)

其中數(shù)碼攝影機(jī)的坐標(biāo)(x，y，-f)與攝影全站儀的坐標(biāo)(X，Y，Z)有下述關(guān)系：

(2)

式中：α為全站儀測量的水平角度；β為攝像測量傾斜角度；λ為測量中全站儀水平位移量；R為測量中攝像鏡頭的正交矩陣。將公式(1)與公式(2)進(jìn)行合并處理，可以得到一個針對攝影測量與工程測量的共線方程，方程表達(dá)式如下：

(3)

(4)

式中：I1～I(xiàn)3為空間正交系數(shù)；m1～m3為線性觀測值；s1～s3為旋轉(zhuǎn)聯(lián)合系數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算公式，完成共線方程的構(gòu)建。

1.2 基于攝影全站儀的無接觸測繪

在完成共線方程的構(gòu)建后，對基于全站儀的無接觸測量方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，可將此過程中的兩者集成劃分為兩種方案，分別為直接連接方案、攝像機(jī)中CCD成像芯片與全站儀連接方案[3]。在實(shí)際測量時，根據(jù)測量任務(wù)需要，采用laval 54—5564型號攝影全站儀對其進(jìn)行無接觸測繪。此型號設(shè)備具有100萬超清像素，在使用過程中，可直接將其與集成在全站儀中的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行對接，測量中設(shè)定其同步水平角度為α，垂直角度為β。

為了確保測量中的作業(yè)需求，將成像芯片與影像傳感器直接對接，可根據(jù)其中一臺攝像機(jī)的偏置寬角構(gòu)成CCD相機(jī)，另一臺集成在望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)中[4]。其中，后者應(yīng)與望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行同軸處理。在進(jìn)行測量過程中的目標(biāo)點(diǎn)匹配操作時，還可以同步實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)點(diǎn)周圍物體的測量。

1.3 數(shù)碼攝影機(jī)偏置量確定與校驗(yàn)

由于數(shù)碼攝影機(jī)與攝影全站儀的光學(xué)系統(tǒng)不在同一個軸結(jié)構(gòu)上，在將兩種測量方法應(yīng)用到相同測量任務(wù)當(dāng)中時，需要對其偏置量進(jìn)行確定。同時，為了確保最終得出的測量結(jié)果精度符合測量需要，還需要對偏置量進(jìn)行校驗(yàn)[5]。已知在全站儀當(dāng)中包含三種坐標(biāo)系，分別為地面坐標(biāo)、全站儀坐標(biāo)和攝影機(jī)坐標(biāo)。根據(jù)數(shù)碼攝影機(jī)的測量習(xí)慣，將三個坐標(biāo)均設(shè)置為固定的右手坐標(biāo)系。在各個坐標(biāo)系都不重疊的條件下，將其相互之間存在的差異作為數(shù)碼攝影機(jī)的偏置量，如圖2所示。

圖2 數(shù)碼攝影機(jī)偏置量off-set示意圖

圖2中，數(shù)碼攝影機(jī)偏置量為off-set：Xso，Yso，Zso。當(dāng)將數(shù)碼攝影機(jī)安裝在全站儀上時，此時off-set數(shù)值為常數(shù)，利用該數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)對偏置量的在線檢驗(yàn)，以此確保數(shù)碼攝影機(jī)的測量位置準(zhǔn)確，為后續(xù)測量提供高精度條件。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的兩種測量任務(wù)的結(jié)合方案，將其代入到某工程建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中，分別按照本文結(jié)合方案、單一攝影全站儀測量和單一數(shù)碼攝影機(jī)測量共三種測量方案，對該工程建設(shè)項(xiàng)目中的各個測量對象的參數(shù)進(jìn)行獲取，通過比較三種測量方法與實(shí)際測量對象真實(shí)數(shù)值之間的誤差，實(shí)現(xiàn)對三種方案測量精度的對比和驗(yàn)證。已知該工程建設(shè)項(xiàng)目為辦公樓建筑，分別在該辦公樓建筑上隨機(jī)選擇五個公共點(diǎn)作為測量目標(biāo)，表1為五個公共點(diǎn)的真實(shí)空間坐標(biāo)數(shù)值對照表。

表1 辦公樓建筑五個公共點(diǎn)真實(shí)空間坐標(biāo)數(shù)值對照表

在表1中真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別完成三種方案的測量，并將其各個公共點(diǎn)測量結(jié)果與表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，按照如下公式，計(jì)算得出各個方向上的測量誤差值：

(5)

式中：ua、ub和uc分別為橫軸坐標(biāo)、縱軸坐標(biāo)和空間坐標(biāo)上的測量誤差；a、b、c分別為公共點(diǎn)的真實(shí)空間坐標(biāo)；a′、b′、c′分別為通過某一測量方案得出的測量結(jié)果空間坐標(biāo)；n表示為測量次數(shù)。

再根據(jù)公式(6)，計(jì)算得出最終測量方案的測量結(jié)果誤差值：

u=ua+ub+uc

(6)

式中：u為最終的測量誤差結(jié)果。同時，為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，實(shí)驗(yàn)中所用的攝影全站儀和數(shù)碼攝影機(jī)均選擇相同型號，其中攝影全站儀選用TrimbleSX 10型號，該型號攝影全站儀的測角精度為0.5″，測距精度為棱鏡模式 標(biāo)準(zhǔn) 1 mm，自動水準(zhǔn)補(bǔ)償器精度為0.5″ (0.15 mgon)，測程為棱鏡模式單棱鏡 1 m。數(shù)碼攝影機(jī)選用OI405EOS 70D型號，該型號數(shù)碼攝影機(jī)的傳感器類型為LiveMOS。

2.2 應(yīng)用結(jié)果記錄與分析

在完成實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作后，將上述計(jì)算結(jié)果以圖像的形式展現(xiàn)，并方便對其應(yīng)用效果進(jìn)行對比，得到如圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 三種方案測量結(jié)果誤差對比

對圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步對比可以得出，本文提出的結(jié)合方案在實(shí)際應(yīng)用中針對各個公共點(diǎn)的測量誤差均小于2.0 mm，而單一采用攝影測量和單一采用工程測量的測量方法的測量誤差最大均超過了8.0 mm。因此，通過上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，本文提出的測量方案能夠有效降低對各個測點(diǎn)的測量誤差，從而提高最終測量結(jié)果的精度，可為后續(xù)工程建設(shè)與施工提供更加可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 結(jié)束語

在完成對工程測量中結(jié)合方案的設(shè)計(jì)后，通過將此方案與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對比的方式，證明了本文提出的結(jié)合方案在實(shí)際應(yīng)用中具有準(zhǔn)確度更高的優(yōu)勢。

兩者的融合在真正意義上實(shí)現(xiàn)了測量過程的無接觸作業(yè)，也不需要于測量前在現(xiàn)場布置較多的標(biāo)志點(diǎn)?？傊?，相關(guān)此方面內(nèi)容的研究，截至目前，仍屬于一個較為新興的研究領(lǐng)域，在一定程度上為工程測繪作業(yè)的實(shí)施開辟了新的研究領(lǐng)域。但要真正地將本文設(shè)計(jì)方案在市場內(nèi)進(jìn)行推廣，還需要在后期的研究中，深入分析測量領(lǐng)域的理論知識，包括如何使用全站儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)、如何將指定控制點(diǎn)中的三角測量延伸到控制片等。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，將針對此方面展開進(jìn)一步的研究，以實(shí)現(xiàn)對本文設(shè)計(jì)方案的完善。