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1、隧道及地下空间结构变形的数字化近景摄影测量隧道及地下空间结构变形的数字化近景摄影测量田胜利和孙文涂志军葛修润上海交通大学建筑工程与力学学院水电十四局中科院武汉岩土所摘要:为解决大型隧道及地下空间结构变形测量中所面临的困难，本文提出了一种基于数字化近景摄影测量技术的非接触测量方法。该方法使用非量测数码相机，不需在现场布设像控点，完全自由设站，可获得大量监测点在同一时刻变形的整体信息。与传统的收敛观测和全站仪测量方法相比，该方法具有现场作业时间短，观测信息量大，作业安全等优点。现场试验表明，其观测精度已达到了较高的水平，是一种很有发展潜力的结构变形监测手段。关键词:摄影测量结构变形隧道1.引言隧道
2、及地下空间结构的变形监测是保证工程安全，指导设计施工和优化施工工艺所必须的。最常用的收敛变形观测方法包括收敛仪法和全站仪法，它们在实际应用中都各有缺点:收敛仪法通过测线长度的变化来反映隧道的收敛值，无法提供关于点位变形的三维信息，且测线数量有限，特别是收敛仪法是一种接触测量方法，在大型隧道中无法使用，现场经常发生随着隧道扩挖，原有的测线不得不放弃观测的情况，导致监测数据的间断;全站仪法可实现非接触观测，并且能够获得点位变化的三维信息。但是全站仪法对现场环境条件的要求高，实际观测时间长，往往与施工作业发生矛盾，并且所能监测的变形点数量有限。为了克服传统变形测量手段的缺点，以近景摄影测量为基础的非
3、接触测量方法在土木工程安全监测领域开始受到关注。但到目前为止，在隧道及地下空间结构变形监测方面，实际的研究应用并不多见。吴世棋等1采用国产DJS19/1318摄影经纬仪，以单像解析法，在50米的距离内，使物方标志点的量测精度达到了1毫米。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;马莉等2使用凤凰205型普通相机进行地铁隧道的收敛测量，在平均3m的拍摄距离上，所得摄影测量结果与实际值的偏差在1-12毫米之间;贺跃光等3研究开发了一套数字化近景摄影测量系统，但主要用于森林调查和交通事故现
4、场勘察等精度要求较低的领域，在隧道变形测量中的精度尚不能满足要求;日本MiuraSatoru等4试验了摄影测量方法在隧道收敛观测中的应用，在直径7m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。本文所提出的变形监测的数字化摄影测量方法，采用了CANONEOS-1DS高分辨率非量测全幅数码相机，使用50毫米标准镜头，可以对大型和超大型隧道及地下空间的结构变形进行全数字化近景摄影测量，不需在现场布置固定像控点，观测时完全自由设站，现场作业时间短，受施工作业干扰小，在布设足够的监测点后，能够获得监测断面变形的整体信息，具有方便灵活，作业安全的特点，适合于大型和超大型地下工程结构变形的非接
5、触测量。2.数字化近景摄影测量的基本原理和方法简介近景摄影测量是指摄影距离在100mm到100m距离内的非地形摄影测量5，它的任务是根据物体的2D影像恢复其三维信息。在本质上，近景摄影测量与工程测量中的前方交会法颇为相似，即根据在不同位置所拍摄的关于同一场景的不同照片，按照立体像对上同名像点所隐含的几何关系利用类似前方交会的方法确定物点的三维坐标。随着计算机技术和光电子技术的不断进步，近景摄影测量开始采用数码相机特别是非量测普通数码相机，借助计算机图像处理技术，实现了近景摄影测量的数字化。如果不需要知道物点的绝对坐标，则使用相对定向法是非常方便的。相对定向是指确定立体像对中两张照片的相对位置关
6、系，依据此关系即可通过类似前方交会的方法得到物点在一个任意坐标系中的坐标，通常也称为模型坐标或独立模型坐标，图1所示为两摄站相对定向时的几何构形。图中为三维空间中的任一点，分别为对应的两个像点。和分别为左右两照片各自的像空间坐标系。在两个坐标系中的坐标分别为:和，则通过坐标系的旋转和平移变换，可以将物点在不同坐标系统中的坐标规划到同一坐标系中，即:(1)式中的称为外定向参数，确定的过程也就是摄像机外定向的过程。如果反应的是两张照片的相对位置关系，则定向就是所谓的相对定向。为克服传统相对定向解法形式复杂、不易收敛、求解质量依赖于像控点及其空间分布的缺点，本文采用了基于P-H算法的相对定向法，其具
7、体细节可参阅文献6。图1两摄站相对定向时的几何构形通过相对定向，获得了反映立体像对像对位置关系的旋转矩阵，在引入物方距离控制后即可得到平移矢量。随后就可以按照前方交会的原理来解求物方点的坐标，这个坐标可以是相对于左片的像空间坐标系的，通常成为模型坐标。如果已知3个以上点的绝对坐标，则可通过坐标变换求出所有点的绝对坐标。关于物方距离控制，可以通过在现场放置基线尺的方法来解决。为保证精度可以选用铟钢尺或碳纤维基线尺。理论上只需一条基线尺就可确定，但为了提高精度可以在现场3个互相垂直的方向上放置3条基线尺，以加强控制，保证点位坐标的求解精度。实际计算时，对于多摄站拍摄的情况，由于误差的影响，交会光线
8、可能并不会聚于一点，那么所求点的坐标就是距各条交会光线距离最短的点。当存在2条以上的交会光线(多站摄影的情形)时，可按最小二乘方法求解。由于相机的视场有限，有时不可能只通过一次拍摄即覆盖整个被观测对象，因此实际工作中都是分区拍摄的，对每个分区按照前面所述的相对定向方法求出每个分区的独立模型坐标，然后根据相邻分区的公共点按照相似变换法进行模型连接，形成整体模型。李德仁文献7中，对利用相似变换进行模型连接的具体方法做了详细说明，但李的方法是一种非线性叠代的方法，直接以旋转角度为求解变量，解算过程比较复杂，使用并不是很方便。本文利用相对定向的P-H算法，对李的方法进行了改进，使得计算更方便，效率更高
9、,具体细节将另文讨论。为了进一步提高观测质量，消除观测的内部不符值，在得到整体模型坐标后，随即进行光束法整体平差。平差时，以整体模型坐标为近似值，由于现场不设像控点，因此误差方程的设计矩阵存在6个秩亏(尺度秩亏已通过现场安放的标尺提供的已知距离消除)，需利用自由网平差的原理求解，最后得到平差后的坐标;根据需要，还可根据平差时求得的协因数矩阵和单位权中误差对物方坐标未知数和外定向参数未知数进行精度平定。本文依据P-H算法，给出光束法平差时线性化后的共线方程为6:(2)其中(3)(4)(5)(6)式中为像点的像平面坐标值(已进行了镜头畸变矫正)，是用各待定参数的初值代入式(3)后求的的近似值，为相
10、机主距，为物点坐标，为物点坐标改正数，为通过相对定向求得的旋转矩阵，为平移矢量的改正数，为确定的中间参数。实际的变形值是通过比较监测点在不同期观测中的点位坐标得到的。如果每期光束法自由网平差时都采用相同的近似值，则意味着不同期观测的基准是一致的，因此可以将两期坐标直接进行比较来获得变形量。可见，由于使用了自由网平差方法，可以在各期观测中实现完全自由设站，这对摄影测量方法在现场的方便使用是非常重要的。3数字化摄影测量系统简介该系统由影像采集设备(高分辨率数码相机)、影像处理设备(PC机或便携机)、辅助设备(如平面标定板，照明光源、基线尺等)以及支持软件构成。该系统的支持软件DPDT(Digita
11、lPhotogrammetryfortheDeformationofTunnels)是一种基于MATLAB编程平台自行开发的独立的软件系统，可以安装在多种计算机硬件平台上，其开发、升级和功能扩展等都不受硬件的约束，是该系统的核心。目前，DPDT的运行主要以人机交互的方式进行。图2摄影测量系统构成本项研究中所采用的系统由CANONEOS-1DS高分辨率全幅数码相机作为图像采集设备，其分辨率可达1100万像素(也可选用500万像素的SONY717数码相数字图像预处理模块像点坐标量测模块相对定向模块独立模型求解模块模型连接模块整体光束法平差模块变形分析模块img,54,111file:/C:/DOC
12、UME1/ADMINI1/LOCALS1/Temp/msohtml1/01/clip_image053.gifimg,66,173file:/C:/DOCUME1/ADMINI1/LOCALS1/Temp/msohtml1/01/clip_image054.gifimg,66,124file:/C:/DOCUME1/ADMINI1/LOCALS1/Temp/msohtml1/01/clip_image055.gif图3DPDT的组成框图机或其它型号的数码相机);数据处理设备采用联想个人计算机。整个系统构成如图2所示。该系统的支持软件DPDT是基于MATLAB平台自行编制的隧道及地下空间结构变形
13、监测的数字化近景摄影测量处理程序。它由数字图像预处理模块、像点坐标量测模块、相机标定模块、相对定向模块、独立模型求解模块、多站分区光束法平差模块、独立模型连接模块、后方交会模块、整体光束法平差模块、变形分析模块等功能模块组成，能够完成从像点坐标量测到整体坐标解算及变形分析的全过程。其组成框图如图3所示。4试验结果及分析为了验证本文所提出的隧道变形监测的数字化近景摄影测量方法的正确性以及程序运行的可靠性，发现和解决实际应用中可能出现的问题，分别在模拟隧道和现场实际隧道工程中进行了变形的摄影测量观测实验。限于篇幅，这里只给出实际隧道内的试验结果。4.1现场试验情况简述本次试验在小湾电站引水发电系统
14、地下主厂房附近的空调机室内进行，硐室断面尺寸为米。初次试验布置了六个观测断面，间距一米左右，每个断面布置13个测点。测点使用专门加工制作的反光标志，使用冲击钻打钻孔以膨胀螺栓牢固安装在隧道硐室表面。测点标志如图4所示。这种测点在适当的关照条件下很容易识别，适合在隧道内使用。图4现场试验采用的特制测点反光标志4.2试验内容及结果分析本次试验使用焦距为50毫米，CCD分辨率为1100万像素，CCD尺寸为的全幅数码相机。观测前首先进行测前标定，利用自行制作的标定板结合相应的计算程序进行。标定时要关闭自动调焦功能，将对焦环调至无穷远位置，并且在整个标定和随后的拍摄过程中保持不动。拍摄采用光圈优先模式，
15、光圈系数选择10。拍摄结束后可根据实际情况再进行一次测后标定。具体的标定结果如表1所示。表11100万像素全幅数码相机内方位元素标定结果测前标定值测后标定值焦距fx/像素fy/像素fx/像素fy/像素5793.505807.365790.345800.98主点cx/像素cy/像素cx/像素cy/像素1984.841399.361984.711402.45镜头畸变系数K1K2K1K2-0.142610-0.124800分析表中数据可知，内方位元素的测前-测后标定的相对误差分别为，主距:0.51和1.21，主点:0.065和1.4，可见内方位元素比较稳定，可取两次标定的均值作为内方位元素的标定值。
16、现场拍摄时仍然采用分区拍摄的方式，把整个隧道断面分成相互之间有一定重叠度的六个区域，对每个区域都在不同位置拍摄五张照片，共需拍摄照片30张。由于使用光圈优先模式，在隧道内拍摄时可能导致暴光时间较长(从5秒到30秒不等)，因此，在拍摄过程中要注意保证相机稳定，不能发生晃动，以确保成像质量。图5为现场拍摄的照片。像点量测在个人计算机上进行，使用自行编制的计算机程序可以方便可靠地获得各像点的以像素为单位的坐标仪坐标，经过畸变系数调整可归化到以主点为原点的像平面坐标系上。图6为在计算机上量测像点的情形。图5现场拍摄的照片图6在计算机上量测像点坐标在像点坐标量测结束后，即按相对定向法进行独立模型坐标解算，然后通过模型连接获得总体模型坐标，最后对总体模型坐标进行整体光束法平差，得到最终结果。由于现场试验时，有部分测点被通风管等障碍物所遮挡，实际观测到的监测点共有65个。图7为根据实测坐标值展绘出的监测点。图7根据摄影测量结果展绘的监测点(圆形标志
