（大地测量学与测量工程专业论文）近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用.pdf

摘要 近景摄影测量是通过摄影和随后的图像处理以获取被摄目标形状大小和运动 状态的一门技术。凡是可以摄取其影像的目标，均可作为近景摄影测量的对象，以 获得目标物上点群的三维空间坐标，以及基于这些空间坐标的长度、面积、体积 等。近景摄影测量的优点在于它兼有非接触性量测手段，不伤及被测物体，信息 容量高且易存储，精度高，速度快，信息可重复使用。这些优点使得该技术特别 适用于测量包含有大量测量点位的目标物，躲避危险环境而远离摄影对象等情况。 作为近景摄影测量的一种摄影设备数码相机以其低廉的价格、成熟的技 术已经得到了越来越广泛的应用。利用数码相机实现非接触的摄影测量也引起了 多领域的专业学者越来越多的关注和研究。本论文即研究利用未检校的数码相机 实现三维量测的基本理论与方法，并将其应用于桥梁结构的变形监测当中。 本文从近景摄影测量的基本理论入手，分析数码相机的成像几何模型并选取 合适的解析方法对相机进行内方位元素和镜头光学畸变差的检校。基于数码相机 的摄影测量在获取目标物的影像时不可避免的要布设人工标志来识别物体的特征 点或待测点。本文在研究了人工标志的选取和布设后，结合本次实验的实际拍摄 环境选取了较为合适的人工标志。在遵循外业采集影像的原则对实际目标物进行 了影像的获取后，利用专业的建模和测量软件p h o t o m o d e l e rp r o5 对所摄影像进 行处理，通过标定特征点、线，进行同名像点的匹配，将实地所用坐标系引入软 件系统，进而量测特征点的三维坐标，还可进一步建立桥梁的三维立体模型并将 其纹理赋予表面。论文结尾针对完成的工作进行了总结并概括了结论，同时对进 一步的研究工作提出了展望。 关键词：近景摄影测量；桥梁变形监测；非量测数码相机的检校；数码影像获取； 数据解析处理；三维建模 a b s t r a c t d i g i t a lc l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r yi ss u c hat e c h n o l o g yt h a tt og e tt h es i z ea n d m o t i o n so ft h eo b j e c t sb yu s i n gp h o t o g r a p h ya n di m a g ep r o c e s s i n g a l lc a nb e p h o t o g r a p h i e d a r et h eo b j e c t so f d i g i t a lc l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r y , i no r d e r t og e t3 d c o o r d i n a t e so fp o i n tc l u s t e ro nt h eo b j e c t sa n dl e n g t h , a r e aa n db u l ko ft h eo b j e c ti nt h e 3 df r a m eo fa x e s d i g i t a lc l o s e - r a n g ep h o t o g r a m m e t r yi sn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t m e t h o d ，i tw i l ln o td a m a g et h et a r g e ta n dh a v eah i g hi n f o r m a t i o nc a p a c i t y , t h em e s s a g e c a nb ee a s i l ys t o r e da n db er e u s e d ，i th a sah i g ha c c u r a c y ，h i 曲s p e e d t h i st e c h n i q u ei s e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rm e a s u r i n gt h eo b j e c t sc o n t a i n i n gl a r g ep o i n t so rt h o s el o c a t e da t d a n g e r o u sp o s i t i o n d i g i t a lc a m e r a , a sap h o t o g r a p h i cd e v i c eo fd i g i t f lc l o s e - r a n g ep h o t o g r a m m e t r y , 砸t l li t sl o wp r i c e s ，m a t u r et e c h n o l o g y ，h a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e u s i n gd i g i t a l c a m e r a sa st h ee q u i p m e n tf o rp h o t o g r a p h ya l s oa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ec o n c e ma n d r e s e a r c ho fs c h o l a r si nm a n yf i e l d s t h i sp a p e rs t u d i e so nt h eb a s i st h e o r ya n dm e t h o d o fr e a l i z i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tb a s e do nu n c a l i b r a t ed i g i t a lc a m e r a , a n d a p p l i e st h er e s u l t st ot h ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to fb r i d g es t r u c t u r e t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r eg i v e na sf o l l o w s ：f i r s tt h i sp a p e rg i v e st h eb a s i c t h e o r yo fd i g i t a lc l o s e r a n g ep h o t o g r a m r n e t r y t h e nd i g i t a li m a g i n gg e o m e t r i cm o d e l o fc a m e r aa r ea n a l y s i s e da n dt h es u i t a b l em e t h o df o rt h ec a m e r ac a l i b r a t i o na r ec h o o s e n i no r d e rt og e tt h ei n t e r i o rp o s i t i o ne l e m e n t sa n dt h eo p t i c a ll e n sd i s t o r t i o nc o e f f i c i e n to f t h ec a m e r a i ti si n e v i t a b l et ol a yo u tt h ea r t i f i c i a lm a r k i n gs i g n st oi d e n t i f yt h eo b j e c t w h e np h o t o g r a p h i n gi m a g e su s i n gd i g i t a lc a m e r a b a s e do nt h es t u d yo fs h a r pa n d l a y o u to fa r t i f i c i a lm a r k s ，c o m b i n i n ga c t u a le n v i r o n m e n to ft h ee x p e r i m e n t , s u i t a b l e a r t i f i c i a lm a r k sa r es e l e c t e d a f t e rc o l l e c t i n gt h ei m a g eo fa c t u a lo b j e c tb a s e do nt h e p r i n c i p l eo fi m a g ec o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n gc a l lb ed o n e u s i n gp r o f e s s i o n a lm o d e l i n g a n dm e a s u r i n gs o f t w a r ep h o t o m o d e l e rp r o5a st h et o o lo fi m a g ep r o c e s s i n g ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sd o t sa n dl i n e sa r ei d e n t i f i e d ，t h e nh o m o l o g o u sp o i n t ss h o u l db e m a t c h e d ，n e x t a c t u a lt h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e sm u s tb ei n t r o d u c e di n t ot h e s o f t w a r e ，t h i si sv e r yi m p o r t a n ts t a g e f i n a l l y , c o o r d i n a t et h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e s o ff e a t u r ep o i n t sc a nb em e a s u r e ，b u ta l s ot h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fb r i d g eb eb u i l t , a n di t ss u r f a c et e x t u r ea r eg i v e n t h ep a p e rf i n i s h e db ys u m m a r i z i n gt h et o t a lw o r dh a s b e e n d o n ea n dc o n c l u d i n gt h er e s u l t s f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：d i g i t a lc l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r y ；b r i d g ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ；c a l i b r a t i o no fd i g i t a lc a m e r e ；p h o t o g r a p h i ci m a g ec o l l e c t i n g ；d a t ap r o c e s s i n g ； t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储签名粱乖 日期：护f 。年q - 月r 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术 信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包 括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 学位论文作者签名：粟莽 日期：弘p 年争月t 6 日 指导教师签名： 日期：沙，哞够月，z 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名渌茚 日期：妒加年午月( 6 日 指导教师签名：纷矽 日期：矽，o 年够月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 桥梁变形监测的重要性 随着人们生活水平的提高，人们对交通建设的要求也越来越高。在各类交通工 程项目中有各式各样的桥梁，不同的桥梁有不同的结构特点、适用条件、通行要求 和承载能力。要对桥梁的运行状况进行科学评价就必须进行桥梁监测工作。随着 桥梁运营时间的延长，桥梁主体及内部构件肯定会产生疲劳和损害问题，当这种疲 劳和损害达到一定程度就会出现桥梁安全事故。事实上在最近几十年里，世界各 国大型桥梁事故频繁发生，每一次事故都造成重大的人员伤亡和财产损失。例如， 1 9 6 7 年1 2 月横跨美国俄亥俄河上的银桥突然倒塌，造成4 6 人死于非命【l i ；1 9 9 4 年1 0 月韩国圣水大桥中央断塌，造成3 2 人死亡，1 7 人重伤1 2 1 。据统计，美国现 有的约5 0 万座公路桥中，2 0 万座以上存在不同程度的损伤【3 】，我国的很多桥梁也 是如此。这些损伤一方面由于桥梁建成通车后，受到雨水冲刷、空气氧化以及在 长期的静载和动载作用下其主要受力构件逐步老化，强度和刚度随着时间降低所 致；另一方面则是由于人为的原因，如货车严重超载和各种车船撞击事故。因此， 对结构性能进行监测和诊断，及时地发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预 测，评估其安全性已经成为未来工程的必然要求1 4 1 。 桥梁是交通工程的重要组成部分，桥梁的建设与维护是国家基础设施建设的 重要组成部分。桥梁的维护管理对桥梁本身的安全、对确保车辆行车安全、对市 民出行以及生命财产的安全都具有十分重要的意义。因此对桥梁进行监测便显得 尤为重要，对桥梁进行变形监测能够达到以下的目的： 监视桥梁安全、确保桥梁安全通车。城市桥梁监测是为桥梁安全管理服务 的，城市桥梁变形监测的目的首先在于监视桥梁安全，确保桥梁安全畅通。为此， 必须随时掌握和了解桥梁通车运营的状况，特别是桥梁结构和几何形体的变化情 况。 众所周知，任何建筑物的破坏都有一个从量变到质变的过程，桥梁工程也不 例外。只要通过定期或不定期地对桥梁各部分进行监测与检测，就可以及时捕 捉桥梁变化的有关信息，在此基础上对这些信息进行分析研究，供管理部门判断 其安全运营状况。可以说，变形监测是桥梁安全运营耳目，是桥梁管理与养护中 一项必不可少的重要工作。 指导桥梁安全运营。通过变形监测可以了解桥梁各结构部分的变化情况， 根据其变化量的大小，可以分析比较其变化量是否在设计允许范围内，如果某些 2第一章绪 论 部分的变化量超过了设计允许值，则应重点加强监视，查明原因，进而采取相应 的管理措施，如减少车流量，采取维修加固措施等。通过这些环节指导桥 梁安全通车运营。 从科学研究和验证工程设计与施工质量等方面考虑，需要进行变形监测。 通过变形监测资料数据不仅可以判别大桥工程质量，而且通过监测工作所积累的 大量资料，也可以在以后的桥梁设计中修正有关设计参数起着十分重要的作用。 1 1 2 桥梁变形监测内容及现状 桥梁变形监测主要内容 桥梁变形按其类型可分为静态变形和动态变形。静态变形是指变形观测的结 果只表示在某一期间内的变形值，它是时间的函数。动态变形是指在外力影响下 而产生的变形，它是表示桥梁在某个时刻的瞬间变形，是以外力为函数来表示的 对于时间的变化。桥梁墩台的变形一般来说是静态变形，而桥梁结构的挠度变形 则是动态变形。一般来说，桥梁的工程监测的对象主要包括：桥梁的墩台、塔柱 ( 斜拉桥和悬索桥) 和桥面。 桥梁墩台变形观测主要包括两方面：1 ) 墩台的垂直位移观测。主要有墩台特 征位置的垂直位移和沿桥轴线方向( 或垂直于桥轴线方向) 的倾斜观测。2 ) 墩台 的水平位移观测。其中各墩台在上下游的水平位移观测称为横向位移观测：各墩 台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测。两者中，以横向位移观测更 为重要。 塔柱在外界荷载的作用下会发生变形，及时而准确的观测塔柱的变形对分析 塔柱的受力状态和评判桥梁的工作性态有十分重要的作用。塔柱的变形监测内容 主要有：塔柱顶部水平位移监测；塔柱整体倾斜观测；塔柱体挠度观测；塔柱体 伸缩量观测。 桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。桥面在外界荷载的作用下将发生 变形，使桥梁的实际线性与设计线性产生差异，从而影响桥梁的内部应力状态。 过大桥面线性变化不但影响行车的安全，而且对桥梁的使用寿命有直接的影响。 桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。桥梁水平位移主要由 基础的位移、倾斜以及外界荷载( 风、日照、车辆等) 等引起的，对于大跨径的 斜拉桥和悬索桥，风荷载可使桥面产生大幅度的摆动，这对桥梁的安全运营十分 不利。 桥梁变形监测技术现状 桥梁变形观测的传统方法主要有两大类：一是常规的测量方法即大地测量法， 二是物理学传感器方法。随着科学技术的进步和测量仪器的发展，变形观测的方 第一章绪论 3 法也一直不断的前进。一系列新兴起来的方法和手段例如g p s i 9 l g 量法、光学三维测 量法等也逐渐在各种变形监测中的到了应用。 常规的大地测量方法是最主要的变形测量方法，是指利用空间几何原理，通 过光学或电子仪器( 经纬仪、全站仪、水准仪等) 测量角度和距离等来获取三维 坐标的方位。这种方法具有测量精度高、资料可靠等优点；但同时，使用大地测 量方法也存在着一些缺点：首先，监测速度慢，无法在短时间完成多个变形点的 观测；其次受现场条件的限制，在某些空间狭小，光线不足的情况下无法完成作 业：此外，利用全站仪实施高精度测量需架设棱镜，这在许多情况下难以实现， 即使采用最先进的测量机器人的自动化变形监测，也只是以软件控制的机器自动 观测代替人工操作，提高了观测的精度和自动化程度，同样需要安装棱镜，无法 完成在瞬间完成多目标测量的任务。 物理传感器方法主要是指在监测过程中广泛应用了测力计、应变计、加速度 计、位移计、重量动态测量仪、锈蚀检测仪，以及震动、温度、风力、压力、湿 度、雨量等传感器，这种方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度 局部的相对变形信息，并且能实现长期连续的自动化观测，但这种方法只能监测 桥梁的局部形变状态和相对形变情况，对于桥梁的整体性形变监测则显得苍白无 力。而实际研究表明，桥梁局部形变较大固然可能导致桥梁的破坏( 这类破坏大多 以局部破坏为主) ，但各类局部形变都不大并不意味着桥梁安全，因为各类小变形 的混合影响可能导致桥梁的大变形产生，而这种大变形恰恰是引起桥梁毁灭性破 坏的根源所在。 g p s 测量方法近十年来兴起的一种新方法，它的应用给测量技术带来了一场 深刻的革命。g p s 变形监测利用静态相对定位原理获取高精度的基线向量，并以此 为观测量进行网平差获取观测点的三维坐标，精度可达亚m m 级。近年来，我国在 利用g p s 进行滑坡变形、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变监测等方面，做了 大量的研究工作。g p s 变形监测有很多优点，诸如观测精度高，监测不受天气条 件限制，可进行全天候监测，监测、记录、计算全自动完成，监测点之间不需通视， 选点不受地形条件限制等。不足之处在于观测点数量有限，因每个观测点都需要 布设接收机造成的测量成本较高，无法实现室内或地下作业等。 光学三维测量是一种无损的非接触的三维测量法。根据测量原理，光学三维 测量主要分为主动三维测量和被动三维测量，目前主要的光学三维测量方法晦1 有： 激光扫描法、摄影测量法、结构光法，工业c t 、光学传感器法。s e t a n 1 将光学三 维测量的基本流程归纳为下图： 4第一章绪论 图1 1 光学三维测量的基本流程 f i g 1 - lf l o w c h a r to fo v e r a l lp r o c e d u r e 比较上面的光学测量方法，除摄影测量方法外，其他的光学测量方法都是主 动测量方法，依赖于专门的设备，而这些设备比较昂贵。而随着高分辨率相机的 普及，摄影测量方法对专业设备的依赖程度逐渐降低，所能达到的精度要求也在 逐步提高，完全可以在三维工业测量中得到广泛应用。 1 2 近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用 1 2 1 近景摄影测量的发展及应用 近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个分支，它不是以测制地形图为主 要目的，而是以摄影测量为手段，对被研究对象进行摄影，根据像片上记录的信 息，进行量测、解算、判读以确定被摄物体的形状、大小和性质的科学和技术。 其属于地面摄影测量的一种。 近景摄影测量的发展在国际上已经有五六十年的历史。国际摄影测量与遥感 协会下属的一个专门组织，称之为近景摄影测量与机器视觉委员会，在它的组织 下每两年召开一次国际性的学术讨论会。在国外，对于近景摄影测量的研究及进 展如下： 英国伦敦大学学院的s i n g hr 等人研究对纹理和特征不明显的目标通过近景 摄影测量进行三维重建采用主动光线照射目标物来形成人工纹理，取得良好的效 果。 第一章绪 论5 保加利亚d i m it a rj e c h e v 研究使用普通非量测相机进行近景摄影测量，通过 一种特殊的数学模型来对非量测相机的缺陷进行校正。 美国加州工学院的b o u g u e tj y 于1 9 9 9 年开发的三维可视化建模技术，利用 平面标志板校正相机参数，并利用他本人提出的弱结构光技术进行被摄物体的立 体建模，在考古和工程测量上很有实用价值。 日本m i u r a s a t o r u 等人在2 0 0 1 年应用摄影测量方法进行隧道的收敛测量，在 直径7 m 的地铁隧道内，观测点的三维坐标精度已经达到了全站仪的水平，这是一 个显著的进展，标志着数字化近景摄影测量已经可以用于隧道的变形监测，它的 缺点是要布设大量的辅助点，同时为了覆盖整个监测区域，需要拍摄大量照片。 德国的t h o m a sl a k e ，w o l f g a n gf o r s t n e r 对普通相机进行近景摄影测量时，内 方位元素及镜头畸变的室内矫正实验进行了深入探讨。 芬兰的h a g g r e nh 等人用旋转相机拍摄具有球面效果的照片来进行目标物的 测量与目标重建。 澳大利亚墨尔本大学的f r a s e rc s 等人对近景摄影测量的自动化及其校正进 行了深入的研究，将其用在事故现场重现、工业测量等方面，并研制出i w i t n e s s 等著名摄影测量与建模软件。 日本京都大学的o h n i s h iy ，n i s h i y a m as 等人于2 0 0 6 年采用近景摄影测量山 体边坡的变形问题，其在边坡上布置大量的标志点，但不设控制点，只把仪器处 的三维坐标测出即可。 在国内，近景摄影测量在近十余年内有较大的发展，我国所做的的相关研究 如下： 中南大学的曾卓乔教授于提出了近景摄影测量的许多新理论新方法，并于上 世纪8 0 年代率先将摄影测量的p - h 算法从德国引入国内。 武汉大学的李德仁、冯文灏对数字化摄影测量的理论研究做出了许多卓有成 效的工作。武汉大学研制的全数字化近景摄影测量设备v i r t u o z o ，达到了国际先 进水平。 吴世棋、孔建、张德强在1 9 9 4 年采用国产d j s l 9 1 3 1 8 型摄影经纬仪，以单像 解析法，在5 0 m 的距离内，使物方标志点的量测精度达到了l m m 。但该方法需要昂 贵的专门设备( 如专业量测相机和立体坐标量测仪) 和经过特殊培训的专门人员， 且现场需要布设像控点，准备工作复杂，与全站仪法相比并不占有明显优势。 于承新、徐芳、宋传增等人应用普通数码相机开展钢结构变形监测的研究， 采用透视变换纠正算法，结合数字图像处理进行目标点自动识别与定位，实现钢 结构瞬间挠度的变形监测。 寇新建等人将光学量测影像数字化应用，研究解决矿山活动塌陷区大范围的 6第一章绪论 地表监测问题，发挥了近景摄影技术在对危险现场处理的技术优势。数字影像与 计算机数据处理结合的优势使人们致力于研究开发实用的近景影像技术系统，解 决一些具体的工程应用问题。 费憬昊等将数码相机配合断面辉光照明拍摄水工隧洞断面，研究经边缘检测 后的二位图像处理解决水工隧洞断面积测算及超欠挖监测问题。 胡敏捷则于2 0 0 1 年对非量测相机用于近景摄影测量时的缺陷进行了研究。 葛修润、王川婴等人对数字全景钻孔摄像系统进行了一系列的研究。 贺跃光等人介绍了中南大学研制的计算机无接触三维数字化近景摄影测量系 统的构成、工作环境、功能、适用范围，以及系统的使用方法。并以其中电子经 纬仪虚拟照片法观测隧道周边位移为例，分析了系统的原理、使用方法及其精度。 结果表明，采用该系统精度可靠，操作简便，且适用性强。 王国辉、马莉等人研究出一种无固定测站式的近景摄影测量方法。该方法手 持相机，不设固定测站，不设控制点，但需要在欲测断面上悬挂一、二把基尺， 对像标和标尺拍照，像片输入计算机，用鼠标量测像点坐标，用改进的p h 算法转 换成物空间坐标。其研究适合在施工中隧道推广，现场试验亦达到了较高的精度。 刘大刚提出了标定摄像法，可以手持相机对隧道断面进行摄影，具有更多的 方便和灵活性，并在理论推导中，首次考虑了相机镜头畸变的影响。其现场试验 在已建成通车1 0 年的公路隧道内进行，精度达到了l m m 以下。但由于仍需布设控制 点，且试验环境较理想，故其研究成果若于施工中的隧道推广尚需克服较多实际 困难。 田胜利对使用非量测相机应用近景摄影测量技术观测结构变形进行了深入的 研究，并使用小波变换、神经网络等人工智能手段对观测结果进行了处理。其于 云南小湾电站的大型洞室内进行现场试验，量测结果达到了较高的精度，但由于 施工现场的环境影响，精度与全站仪相比尚有一定的差距。 吴纯洁在对目标通过近景摄影测量进行三维重建时，提出主动近景摄影测量 这一观点，并论证了其可行性。 周拥军对相机的自标定技术用于结构变形测量进行了研究，并对摄影测量中 的p h 算法予以了改进。 目前，近景摄影的研究方向也还朝着数字近景摄影测量与计算机视觉领域进 行延伸拓展。近景摄影测量在近十余年已经有了长足的发展，几乎所有的民用或 军用部门都使用过近景摄影测量。在研究和实践的推动下，近景摄影测量技术已 经日臻完善，目前已经广泛应用于建筑工程、航空航天技术、汽车制造、医学、 古建筑与古文化研究、考古等各个领域。近景数字摄影测量作为一种非接触性测 量手段，是基于严谨的理论和现代的硬软件设施，可达到相当高的精度，可靠性 第一章绪论 7 强，以像片作为信息载体获取被测物体大量的物理和几何信息。 1 2 2 近景摄影测量的的优势 近十年来，近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡及高层建筑变形监测等 方面得到了广泛应用，其监测精度可达n m m 级。它具有以下特性：可在瞬间精 确记录下被摄物体的信息，即可得到瞬间的点位关系，这是其它方法所不能办到 的。视作业的目的不同，作业方法有较大的灵活性；像片信息丰富，显示能力 客观，适用于测量规则或不规则的物体的外形；在具有同步装置的条件下可对 动态目标进行测量；适于对不可接触物体的测量，如电弧、燃烧、爆炸等； 对控制点的布设及精度要求较高，但与传统的大地测量相比，可大大减少外业工 作；像片可长期保存，有利于检查，分析及对比。 图1 2 数字近景摄影测量的主要流程 f i g 1 2 t h ef l o w c h a r tf o rd i g i t a lc l o s e - r a n g ep h o t o g r a m m e t r y 较之于其他三维测量手段，近景摄影测量有如下一些优点： 它是一种瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段。作为信 息载体的像片或影像容有被测目标最大的信息( 可重复使用的信息，容易存贮的 信心) ，特别适用于测量点众多的目标； 它是一种非接触性量测手段，不伤及测量目标，不干扰被测物自然状态， 可在恶劣条件下( 如水下、放射性强、有毒缺氧以及噪音) 作业； 它是一种适合于动态物体外形和运动状态测定的手段，是一种适用于微观 世界和较远目标的测量手段； 它是一种基于严谨的理论和现代的硬软件，可提供相当高的精度与可靠性 的测量手段，随处理方法以及技术手段和资金投入大小不同，测量精度有所变化， 可提供千分之一至百万分之一的相对精度； 就当前发展而言，它是一种基于数字信息和数字影像技术以及自控技术的 手段，使实时近景摄影测量正日益广泛的深入工业生产流程中，成为工业产品分 类、导向、监测、装配和自动化生产的重要组成； 8第一章绪论 可提供基于三维空间坐标的各种产品，包括各类数据、图形、图像、数字 表面模型以及三维动态序列影像等。 近景摄影测量既可为静态目标提供三维空间坐标或等值线图，也可为动态目 标提供运动轨迹及变化规律。有鉴于此，我们认为近景摄影测量的方法在桥梁变 形监测工作中能够发挥显著的成效。 1 2 3 数码相机的应用 摄影机是近景摄影测量外业作业阶段的关键设备，借助摄影机可获得被测物 体的照片或底片然后应用于摄影测量的后期处理阶段。摄影机大体上可分为两类： 量测摄影机和非量测摄影机。专为测量目的设计制造，光学畸变小且具备记录内 方为元素功能的摄影机称为量测摄影机，非量测摄影机则不是专为测量目的而设 计制造的，其内方位元素不能记录，光学畸变较大，未采取减少或改正底片变形 的措施，且不具备记载外部定向参数的功能。但相比于量测摄影机，非量测摄影 机具有以下一些特性或优点： 社会拥有量大，包括它的通用性与普及性； 使用方便灵活，包括调焦范围大，可手持摄影，可对任意方向摄影； 价格相对低廉； 适合某种专业的特殊要求。 以下为几种常见的相机： 表1 1 几种典型的摄影用相机 t a b 1 1t y p i c a lc a m e r a sc o u l db eu s e df o rp h o t o g r a m m e t r y 非量测摄影机的选择、检校与使用，以及后续摄影测量处理方法的选择是近 景摄影测量工作者的重要工作方面。数码相机就属于非量测摄像机的一种。自1 9 9 5 年起，数码相机有了飞速的发展，它的出现不但改变了人们长达1 0 0 多年实用胶卷 的摄影习惯，更是图像处理正式踏入数码化阶段的里程碑。普通数码相机的出现 第一章绪论9 一方面为数字摄影测量技术引入非地形领域提供了有力的条件，另方面，用普通 数码相机所获得的数字影像( 亦称普通数码影像) 不具备可控的精度和可量测性， 限制了其在测量中的应用，特别是工程监测领域，但随着数字近景摄影测量的进 一步发展，数码相机分辨率和物镜成像质量的不断提高，以及数字摄影测量技术的 不断完善发展，数码相机应用于近景摄影测量的精度已得到了很大的提高，因此数 码相机已经成为开展近景摄影测量重要的影像采集设备。与传统的近景量测摄影 机相比较，非量测普通数码相机具有如下优点： 一般非量测相机由于无框标，不能完全提供像片的内方位元素，但由于数 码相机是以数字方式存贮影像的，对于每一张像片而言，像素点的数目及排列都是 一定的，这就使得在微机上所量测的像平面坐标系参考点全都相同，精确度甚至超 越了带有框标的普通相机。这样，在像片量测之前，实际上可以将像主点( x o ，y 。) 作为己知数据输入。 一般非量测相机采用软片获取影像，因此存在软片压平误差、冲洗放大后 的相片变形误差，以及存在将光学图像转变为数字图像的扫描误差。而数码相机直 接成像为数字图像，不存在这些误差。 普通像机采用软片，需要避光、冲洗、放大、扫描等工作流程才能获取数 字影像，工作流程复杂，周期较长，效率低，信息反馈慢，实时性较差。而普通数码相 机获取的影像直接可输入计算机，在计算机上进行像片的量测、处理，整个流程较 简单，效率和自动化程度都较高，且实时性强，适用于工程监测。 普通数码相机体积小、价格便宜、适应性较强，能在环境复杂的地区进行 外业作业，灵活性高。 但是数码相机也存在着一些不足，首先，其内方位元素是未知的，其次镜头 畸变较大。后者主要是因为透镜成像时，视场的不同区域所形成的影像放大率不同 而产生变形，使影像扭曲( 如使直线变成曲线) ，属于一种影像的几何失真。这种扭 曲或失真，越靠近画面边缘就越严重，使像片的量测精度受到影响，从而导致变形 监测精度降低。因此，用数码相机进行摄影监测之前，必须对镜头畸变进行检测并 施加镜头畸变改正，方能使变形监测精度得到可靠保证。 1 3 论文的主要研究内容及结构安排 本文对利用数码相机所获取的影像进行桥梁的变形测量和桥梁三维重建所涉 及的摄影测量理论与计算机视觉技术进行深入研究。主要研究内容包括未知参数 的数码相机的检校；基于标定物的摄影测量在影像采集过程中对于人工标志的选 取和布设；利用数码相机获取的影像进行桥梁变形的测量以及桥梁的三维重建和 纹理恢复。本论文由以下章节构成： 1 0第一章绪论 第一章对桥梁变形监测的意义、主要内容及技术现状进行论述。同时对近景 摄影测量的发展历程及应用范围进行了深入的探究，研究近景摄影测量应用于变 形监测的优势在于何处。提出将数码相机引入桥梁变形监测的想法，并对数码相 机的应用进行了解。 第二章对基于数码相机的近景摄影测量原理进行深入研究及阐述。对数码相 机和摄影测量的成像几何模型进行了分别的阐述，分析比较空间后方一前方交会 法、相对定向一绝对定向法、光线束平差法以及d l t 方法这四种摄影测量中常用 的解析处理方法的理论模型、解算方法和应用范围。介绍近景摄影测量的常用坐 标系、内外方位元素及共线共面方程，是论文的理论基础。 第三章主要论述数码相机的检校。对相机检校方法进行概述并提出对内方位 元素检定的精度要求。重点研究分析平面靶标参数标定法的检校原理，给出了检 校模型并利用该方法进行相机的检校。通过实验论证该方法能够较好的达到本次 实验的精度要求。 第四章详细阐述摄影测量应用于桥梁变形监测的野外作业实施流程。在基于 数码相机进行的的近景摄影测量中，于待测点上布设人工标志是非常必要的。人 工标志点的选取及布是设影响实验的精度的一大因素，因此在野外作业实施之前， 首先对标志点的选取及布设进行深入的研究，然后结合本次实验的精度要求及目 标物的形状特点，选取了较为合适的人工标志进行布设。此外，本次实验还需利 用全站仪获取控制点坐标并对一些特征点进行测量以作为软件量测目标物的精度 对比。最后，根据影像采集必须遵守的一些原则对目标物进行了多张影像的采集。 第五章利用建模量测软件对桥梁进行了三维量测及模型重建，同时对变形量 的精度进行了分析。根据桥梁变形监测内容，同时结合本次实验所监测桥梁的特 点，对该桥进行了桥墩倾斜及桥面的位移观测实验。将外业拍摄影像导入专业建 模及量测软件，通过特征点、线的标定，影像匹配，最终获取观测点的三维坐标。 同时，利用软件进一步对桥梁的进行三维模型重建并恢复纹理。最后对影响量测 精度的因素做出分析并通过实验论证提出如何提高软件量测的精度。 第六章对本论文的研究工作进行总结并对进一步的研究方向提出展望。 第二章基于普通数码相机的近景摄影钡i 量原理 第二章基于普通数码相机的近景摄影测量原理 21 数码相机的成像几何模型 电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起来的 半导体器件。m o s ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ：金属一氧化物一半导体) 大规模集 成电路技术水平的飞速提高，是它得以发展的根本原因。c c d 不同于以电流或电压 作为信号的其他大多数器件，而是以电荷为信号，它的工作过程就是电荷的产生、 存贮和转移。c c d 传感器将光学信号转换成能被计算机存取的数字信号，这使摄影 测量真正进入全数字摄影测量时代。与其它类型的固态摄像机传感器，如电荷注 入器件c i d ( c h a r g ei n j e c t i o nd e v i c e ) ，位置传感探测器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i r e d e t e c t o r ) 等相比，c c d 价格低廉，噪音低，动态使用范围高，可靠性好。这些特 点使它较之其它类型影像传感器占有更大的市场。固态c c d 相机的典型结构如2l 图： 一l 卜 i 勰兰 21 1 数码相机线性成像模型 相机成像模型是对相机成像物理过程的数学描述。基于人们对相机成像过程 的了解，人们提出了一种相机威像的理想模型针孔模型( p i n h o l em o d e l ) 。 该模型假设物体表面的反射光都经过一个针孔投射到像平面上( 图22 ) ，像点是 物点和光心连线与像平面的交点，在该模型中焦距等于像距。 图2 2 针孔投影模型 f i g 2 2p r o j e c t i v em o d e lf o r p i n h o l ec a m e m 青向要耋丕妻呈慧蓑蓍霉篙耄詈耋意嚣叁鬈藿辜鲁篡篡 方向并满足右手法则。从图中可以得出空间点p 的像至1 日j 坐杯匀。琢。叫望例、厶州 的关系： f 垫 z c 厂丝 z c 若采用齐次坐标( h 。m o g e n e 。u sc o o r d i n a t e s ) 表示上述投影关系， 好。 00吕07鞫xc 则有以下 式( 2 2 ) 的像平面坐标是以像主点为原点，以具有物理意义的长度为单竺( 通 常为。= ：n ) 的坐标系统，而数字影像是以像素为单位的坐标系。两者的关系如图2 3 所示： 第二章基于普通数码相机的近景摄影测量原理 1 3 0 ， 啊 f ；晚硼 l ： ， x ，f “， 4 十口 一，f 一 7 ”7 1 。 ， 。 v 1r y 1 图2 3 像平面坐标与影像坐标之间的关系 f i g 2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m a g ep l a n ec o o r d i n a t ea n di m a g ec o o r d i n a t e 其中d x c 圪z c 表示像空间坐标系，o x y 表示像平面坐标。影像坐标系是指 以影像的左上角为原点，材、1 ，分别表示影像的横轴和纵轴的坐标系，单位为像素。 若不考虑相机纵横轴之间的倾斜，像平面坐标系与影像坐标系之间的转换关系可 用式( 2 3 ) 来表示： y x = ：d 咖x ( u - u 。o ； 州i 式中，( u ，1 ，1 ) 为像点在影响坐标系下的齐次坐标；d x ，妙为每个像素在x 轴与y 轴方向的物理尺寸，单位一般为m m p i x e l ；( ”o ，v o ，1 ) 为像主点的坐标， 从而得到了像平面坐标系与影像坐标系之间的转换关系。 式( 2 2 ) 得到的是像平面坐标与像空间坐标之间的转换关系，还需将其转换 为物方坐标( o b j e c tf r a m e ) ，如图2 4 所示。 出口d 知o 0 一 一 = 粗e 式 形 标 坐次 齐成写 1 4第二章基于普通数码相机的近景摄影测量原理 x 孵 图2 4 像空间坐标系与物方坐标系之间的关系 f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m a g es p a c ec o o r d i n a t ea n do b j e c ts p a c ec o o r d i n a t e 设投影中心在物方坐标系中的坐标为( ，y o ，z 。) ，两者之间的转换关系可 表示为式( 2 5 ) - 嘲驰 将式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 带入式( 2 1 ) ，得到摄影测量中常用的共线方程。应该 注意的是，由于摄影测量中像平面坐标y 轴的方向与计算机视觉中定义的方向相 反，根据右手法则导致了z 轴的方向也相反，因此摄影测量中常用的共线方程与 式( 2 6 ) 相比右边多了一个负号， 甜一：c ，丛翌兰进鱼监】丛堕鱼，二尘 ” 4 r 3 l ( x 矽一x o ) + r 3 2 ( y 矽一y o ) + r 3 3 ( z 矽一z o ) 式( 2 6 ) ，一1，n：c。r21(xw-xo)+r22(yw-yo)+r23(zw-zo) ” 7 ，3 l ( x 矿一x o ) + r 3 2 ( 蜥一y o ) + r 3 3 ( z 矿一7 o ) 式( 2 6 ) 中，c ，= f d x ，c y = f d y ，f = ( ，y 。，z 。) r 表示投影中心在物方坐标 系中的坐标值，写成齐次坐标的形式： h 。l = 1j 碲蜥锄 第二章基于普通数码相机的近景摄影测量原理 1 5 c ，0 i 2 l o c j ， l0 0 l 弧 0 ol 1 0 j 00 f 0