数字近景摄影测量在边坡变形监测中的应用

数字近景摄影测量在边坡变形监测中的应用

李海启1乐平1张献伟2

1.江西省樟树市国土资源局江西宜春336000

2.新疆工程学院采矿工程系新疆乌鲁木齐830091

摘要：利用数字近景摄影测量技术对边坡进行变形监测，与传统的变形观测方法不同。本实验通过非量测型数码相机直接获取野外数据，内业图像处理采用VirtuoZo软件进行，对实验结果进行精度分析。

关键词：近景摄影测量；变形监测；精度分析

利用近景摄影测量方法对边坡进行变形监测，采用含有坐标值的控制点，在不接触摄影对象的前提下，对边坡进行变形监测，通过数字摄影测量工作站对像片进行内业处理和精度分析，实验结果证明近景摄影测量方法基本满足变形监测的要求。

1数字化近景摄影测量系统

1.1数字近景摄影测量

近景摄影测量是非接触量测手段，不触及被测物体，信息容量高，信息易存储和更新，并且精度高，速度快[1]。用近景摄影测量方法量测物体的变形，就是在被测物体周围选择稳定的点，在这些点上安置摄像机进行摄影，通过专业内业处理软件进行数据处理得到监测点的二维或三维坐标，通过对比坐标得到它们的位移。

1.2数字摄影测量工作站

以数字遥感影像做为基础，通过计算机进行影像匹配，自动相关运算识别同名像点得到其像点坐标，再运用解析摄影测量方法进行内定向、相对定向、绝对定向以及运用核线重采样技术，由此测定所拍摄物体的空间三维坐标，获得DEM数据，进而实现数字微分纠正，得到数字正射影像图(DOM)[2]。

本次近景摄影测量的内业处理使用数字摄影测量工作站，它的出现为数字摄影测量的发展提供了更加广阔的前景，1996年以后，全数字摄影测量工作站又在功能和服务方面做了很大的改进，以我国的系统为例，VirtuoZo依托由武汉测绘科技大学、国际数据集团和Inter公司合资的适普公司，研发出了适合我国国情的微软版软件。

2应用实例及精度分析

2.1外业测量

利用近景摄影测量的方法对护坡进行变形监测，在被测物体的周围实施控制是第一步工作，本次试验采用含有坐标值的控制点，将这些控制点布置在相对稳定的位置上，使得在野外的观测与内业测量能有较高的精度[3]。

控制点的材质选用广场砖，用红漆涂成红白相间的图案。现场布设的控制点个数为20个，控制点的布设均匀分布在整个测区，既没有在一个平面、斜面或近似平斜面上，也不要几个点在一条直线上或在一个空间曲面上，这样就可以保证改正数方程系数矩阵的最大秩就会大于参数的个数，组成的法方程就会得到唯一解[4]。

本次试验采用GPT-3002LN型TOPCON全站仪，采用相对坐标系，Z轴向上为正方向。观测一个测回，为了提高精度，2个人测量，最后取2个人测量坐标的平均值，仪器的测角精度为2秒，使用无棱镜观测模式测量，摄影距离为20m左右时，测距的误差在10mm[5]。当S=20m，=10mm,=2时，m=10.0001mm。由于是二个人观测，控制点的最终坐标取的是三个人的平均值。最终的坐标中误差=7.0722mm，满足测量的精度要求。

本次近景摄影测量采用交向摄影方式，左片和右片的拍摄位置是固定的，且无较大变形和移动，这样就能保证每次拍摄的变形监测照片都是在基本相同的外界条件下拍摄，本次试验使用未经检校的三星数码相机进行摄影，摄影深度在20米左右。保持焦距不变，所摄对象的两张相片基本对称，摄影比例尺也要基本一致，两张相片的旋角要保持很小[6]。

2.2试验结果及精度分析

近景摄影测量的内业处理使用数字摄影测量工作站，采用VirtuoZo软件进行图像处理，首先要新建测区，注意在系统弹出设置测区对画框中将影象类型选项设置为非量测型相机，无需设定相机检校参数文件。做好上述工作就可以进行影像数据的输入、新建模型、定义影像参数的操作。从拍摄的像片中选取立体观测效果较好的4组不同基高比的像片，组成4组像片对，绝对定向后对重叠范围内所有点进行统计，则不同基高比的定向精度见下表中。

在分析了不同基高比的像对坐标中误差之后，对同一基高比的两组不同像对进行了分析，希望能从不同角度得出影响精度的因素。在基高比为1：5时，自动相对定向、绝对定向以及采点的坐标中误差都是最好的，通过外业摄影测量和内业影像处理过程，决定选择基高比1：5作为变形观测的摄影方式，针对同一基高比不同摄影基线的情况，当摄影基线为4米时各项的精度相对更好，所以就选择采用摄影基线为4米、摄影深度为20米、基高比为1：5的摄影方式。在地面上钉上钉子作为标志点，每次的摄影的位置是固定的。经过一段时间的摄影测量观测，并使用VirtuoZo软件进行内业图像处理，绘出护坡在X，Y平面上、Z方向上的变形示意图，从中选取8个比较有代表型、分布均匀且变形量相对较大的控制点再次进行分析。

根据以上实验结果，可以看出：当基高比为1：8时采点的精度是最好的，X作为景深方向精度相对较低，坐标中误差在4个cm左右，Y、Z方向的坐标中误差在1cm左右，监测到的控制点在XY平面上变形量最大为50cm，z平面上为44cm，基本满足变形监测的要求[7]。

3结论

1）基于非量测型数码相机的数字近景摄影测量系统，以数字方式存储相片减少了消耗及其他误差，提高了信息获取的速度和精度。

2）近景摄影测量的内业处理采用数字摄影测量工作站进行，经过采点试验，得到了相应的精度指标数据，在实验的基础上提出了提高近景摄影测量精度的方法。

3）本次试验使用的是未经检校的非量测数码相机，存在较大的系统误差和构象畸变差，所以，相机检校对于整个近景摄影测量是相当重要的。

4）不同的基高比可以有不同的精度，所以找到两者的结合点对摄影测量的最终精度很关键。X方向作为景深方向，精度相对较低。Y和Z方向的精度就相对较好，达到两个厘米左右，用于变形观测的实验精度可以满足监测的要求。

参考文献：

[1]冯文灏.近景摄影测量[M].武汉:武汉大学出版社,2002

[2]王之卓.摄影测量原理[M].北京:测绘出版社,1979

[3]陈永奇,吴子安.变形检测分析与预报[M].北京:测绘出版社,1998

[4]杨立君.基于非量测数码影像的地形数据获取技术研究[D].江苏南京:河海大学出版社,2005

[5]冯文灏.数码相机实施摄影测量的几个问题[J].测绘信息与工程,2002,27(3):3-5

[6]李天子.基于JXDC数码相机的近景工程摄影测量研究[D].河南焦作:河南理工大学出版社,2006

[7]李海启.非量测型数码相机近景摄影测量的精度研究[D].河南焦作:河南理工大学出版社,2010

作者简介：李海启（1983-），女，河南新乡人，硕士，研究方向：数字摄影测量与遥感应用