隧道及地下空间结构变形的数字化近景 摄影测量

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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

2、隧道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

3、基础的非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

4、用于森林调查和交通事故现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

5、型和超大型地下工程结构变形的非接触测量。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

6、向是指确定立体像对中两张照片的相对位置关系,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

7、,本文采用了基于P-H算法的相对定向法,其具体细节可参阅文献[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。

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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

2、隧道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

3、基础的非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

4、用于森林调查和交通事故现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

5、型和超大型地下工程结构变形的非接触测量。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

6、向是指确定立体像对中两张照片的相对位置关系,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

7、,本文采用了基于P-H算法的相对定向法,其具体细节可参阅文献[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。

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