【非量测数码相机近景摄影测量技术在工程中的应用】第四篇 南京廖华

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非量测数码相机近景摄影测量技术在工程中的应用

[摘要]廉价而实用的普通数码相机、电子相片和测量软件系统等使近景摄影测量在工程应用中更加方便、可行。为了增强公众对这种非接触、无损测量技术在工程监测领域中应用情况的了解，文章简要回顾了近景摄影测量的研究应用历史和现状，描述了它在工程变形测量，几何测量，结构试验检测中的应用。

关键词：近景摄影测量；线性神经网络；BP 神经网络；桥梁裂缝监测；

一、近景摄影测量原理

（一）近景摄影的定义

近景摄影测量已经广泛应用于科学技术的各个领域，原则上来讲，凡是可获取影像的各类目标，都可以使用近景摄影测量的相关技术，在某种精度上来测定它的形状、大小和运动参数。如汽车外壳形状的测定，大型机械部件加工质量和装配质量的检查，水利工程模型的量测，爆破量的计算，爆破过程的演示，各类建筑物的变形观测等；生物医学摄影测量则包括动物躯体的外形测量，生物发育全过程的记录，以及对医学内科、外科、牙科、眼科、骨伤科、矫形科的临床诊断提供量测技术，配合 X 光立体摄影量测体内异物或病灶的位置等；建筑摄影测量包括亭台楼阁等古老建筑或石窟雕琢的等值线图、立面图、平面图的制作，可用于古迹遗址的发掘和历史文物的复制等。据世界各国摄影测量技术应用情况的不完全统计，现在几乎找不到未使用近景摄影测量的行业。

（二）近景摄影的用途

摄影测量学的主要研究课题是如何根据平面像点坐标求解相应的空间立体坐标（平面坐标和高程），这个过程就需要知道摄影中心与像片平面的相对位置和摄影瞬间摄影机的空间位置，这样就可以建立像素坐标点和被摄物体相应坐标点之间相应的数学关系，进行坐标求解。摄影测量的过程实际上就是摄影过程的逆过程，它将二维平面图像像点坐标重新映射到三维立体世界坐标里，还原被摄物体的立体形状。为了实现重构三维立体影像这个过程，根据双像立体视觉原理，一般情况下至少需要两幅不同角度拍摄的相片才可以完成。

二、摄影测量在隧道内空收敛监测中的应用

通过对控制点坐标的网络训练，网络训练过程中考虑相机镜头畸变进行畸变校正，大大提高了测量精度，并将这种方法在隧道内空收敛之中进行试验，与全站仪测量结果对比，得到了较好的测量效果。

（一）试验隧道工程概况

重庆市轨道交通一号线为重庆市轨道交通网中的一条骨干线路，该线路起于朝天门站，终点为沙坪坝站，全长 16.5 km。本次试验区段为马家岩停车场出入线隧道工程，线路整体呈八字形布置，分别连接于两地下站，即高庙村站（左线）和马家岩（右线）。受场地和正线线路控制，两条出入场线在并行以后有一段半径为 154.8m 的大曲线，该曲线从车场南面大川建材市场 C 栋、D 栋高层建筑之间（桩板式挡土墙）地下穿过。全线均为马蹄形断面，按新奥法原理设计，采用复合式衬砌暗挖结构，钻爆法施工。

隧道埋深 7～107m,除进洞加强段及下穿既有天马路段为浅埋隧道外，其余均为深埋隧道。穿越岩层主要为砂质泥岩及夹薄层砂岩，除进洞口段为Ⅵ级围岩外，其余段均为Ⅳ级围岩。线路行经地段地质条件和环境条件复杂，地面建筑较多为老旧楼房，特别是在洞顶埋深较小地段，隧道施工对其有一定影响。

（二）测量的目的及意义

在隧道新奥法施工中，监控量测是必不可少的重要工作，施工时按照《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999)的有关规定必须进行隧道周边位移和拱顶下沉以及其它一些必要项目的量测工作。它可以弥补施工前地质信息不足所带来的缺陷，达到设计与施工同时并举，从而正确地确定开挖方法、喷锚支护参数以及永久支护的施工时机，实现预期的建设目标。

据此，在以新奥法施工监控量测技术为主要研究内容的基础上，加强新技术、新方法、新工艺的综合应用；通过隧道开挖目测围岩地质状况和实测的有关变位信息以及承载体系的受力状态，为判断隧道空间的稳定性提供可靠的依据；根据变位速度判断隧道围岩稳定程度，并为二次衬砌提供合理的支护时机，从而确保工程质量与施工安全。因此，对马家岩停车场出入段线段隧道进行监控量测是非常必要的，通过该项工作能及时地为调整、修改设计和施工方法等提供科学参考依据，有效地避免塌方等工程事故。隧道周边水平收敛和拱顶下沉量测目的:

①通过量测数据来指导施工和设计，判断施工和设计的合理性和安全性，判断初期支护设计与施工方法是否稳妥，并为二次衬砌提供合理的支护时机；

②根据围岩位移状态曲线判定围岩类别；

③为判断隧道稳定性提供可靠信息。

（三）常用测量方法

①传统的便携式断面测量一般采用钢尺收敛计进行量测，钢尺式收敛计是便携式机械式位移监测仪器，由百分表、钢尺、恒力弹簧、调节装置等部件组成，其特点是结构简单、紧凑合理、操作方便、可直接读数测值而被广泛应用于隧道断面变形监测中。具体测量方法是将钢尺两端的挂钩分别挂在两个测桩上，收紧钢尺，将销钉插入钢尺上适当的小孔内，用卡钩固定住钢尺，然后转动调节螺母，使钢尺收紧到观测窗中的读数与面板上刻度线成一直线为止，读取钢尺和百分表中的数值，相加就是两测点间的距离，尽管收敛计本身的精度很高，但是在实施

测量的过程中，容易受到现场施工和设备安置等各方面因素的影响，存在效率低、选点位置和人为因素对测量结果影响较大、可靠性差等缺点。因为通常隧道断面的直径比较大，往往需要借助梯子、竹竿等工具来进行测量，隧道断面较大时，要用很长的时间才可以用竹竿挂到隧道断面上，花费时间较长，基本上不可能在同一断面上设置较多的测点，且容易受到施工干扰也会干扰隧道内的其它施工。且这种方法只能测量隧道断面上各测点间的相对距离，无法获得隧道周边各点的三维变化情况，局限性比较强。

②电子测距仪测量法最初是以全站仪为主要设备来实现隧道断面三维变形量测的，近年来如极坐标测量设备及后处理系统、三维激光扫描测量及后处理系统、高性能免棱镜全站仪及后处理系统等大大提高了隧道断面测量效率，实现了从交会方法到极坐标法的转变。

在交会阶段，方法简单易行，测量精度高，仪器价格也便宜，但是数据处理速度慢，测量时间长，影响隧道内正常施工；在极坐标阶段，操作简单，测量精度高，时间较短，但是仪器价格昂贵，操作维护都比较复杂，需要专门的软件和专业人员来进行操作，是一般施工单位无法承受的，通过激光测距光束对隧道内壁进行测距及测角，就可以得到隧道轮廓一个点的三维极坐标值。

三、实验流程分析

由于隧道在施工过程中内部光线不足，粉尘严重，施测空间窄小，测量中所受干扰大（施工机械等施工设备的影响），所以当采用摄影手段来获取控制点及测点的位置时要注意：1)摄影过程中，选择测点位置、坐标系位置和摄影测站位置应注意要避开屏障，同时要注意防止摄影死角的出现，像片应覆盖整个摄影区域，以保证像点的完全清晰展现和避免特征点在一张像片上有，，而另外一张像片上就没有的现象出现；2)进行左右像片的拍摄作业时，使两片都覆盖目标区域，并使拍摄距离适当（距离太近，隧道壁变形太大，不利于匹配，降低精度；距离太远，导致目标区域分辨率过低，也不利于结果精度）。

环境条件不同，会造成光线条件也就不同，所以在拍摄像片进行摄影测量时要注意因地制宜，结合所测量地方的环境情况来选择适当的测点位置、坐标系位置和摄影测站位置来进行拍摄，进而得到适合进行后期处理的像片。试验流程如下：

① 在将要测量的隧道断面布置测点标志；

② 在要测量的隧道断面前方不远处用三脚架摆放坐标系统（如果太远，会降低测量精度；太近又不足以拍摄下整个量测断面)；

③ 锁定相机焦距且在拍摄全程不得改变相机焦距(焦距改变，会改变相机内参，进而影响量测结果)，仔细调整相机和坐标系的位置与朝向，以达到较好的拍摄效果，然后对目标断面左、右(双目系统进行解析)前方分别进行断面立面摄影；

④ 进行数字图像处理图像，确定坐标系控制网格点测点像素坐标；

⑤ 对各控制坐标网格点及测点像素进行镜头畸变校正；

⑥ 利用校正后的控制坐标网格点像素坐标和物方坐标进行神经网络训练；

⑦ 利用已训练好的神经网络分别量测测点 1~2、2~3 之间的距离。

结论

本文由于时间和实验条件的限制，只是在工程检测中应用近景摄影测量试验，没有形成软件或处理系统，在图形特征点自动匹配方面，还有很长的路要走。由于土木工程结构的复杂多样性以及不确定性，近景摄影测量这个课题在理论、现场试验和工程应用方面都还称不上一个已经完全被解决了的问题，所以在本文的基础上，仍有许多工作值得进一步研究。小清新文章来源——海内论坛:

参考文献

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