数字近景影像技术在工程中的应用

张雅楠

(西北电力设计院，陕西 西安 710075)

数字近景影像技术在工程中的应用

张雅楠

(西北电力设计院，陕西 西安 710075)

基于非量测相机的数字近景影像技术具有作业简便，影像获取快速，安全可靠等优势。本文采用非量测相机，对数字近景影像技术在电力工程地形测绘中的应用进行研究。实验结果表明，通过对非量测相机的检校，可较好地改正非量测影像的构像畸变差，提高作业精度。该方法较为适宜测绘坡度较大区域的地形，作业精度可达分米级。由于其为非接触式的量测方式，在常规测量无法进行开展的危险地区，该技术更具有实际应用的优势。

近景影像技术；非量测相机；地形测量；相机检校；精度。

1 应用现状

数字近景影像技术作为一种地面遥感技术，相较于传统航空摄影测量，解决了现场快速获取影像的问题，并可使用少量控制点，快速完成像对定向及地形测量，减小野外工作量，提高工作效率。相较于传统“点”测量方式而言，该技术可快速获取地形三维点云，并由于其采用非接触式的测量方式，在一些传统测量方式难以采集数据的陡峭危险区域，采用该技术进行测量工作，安全可靠。诸多优点使之成为各类工程中重要的遥感监测技术和手段，在工程建设中具有广泛的应用价值和发展前景。

非量测数码相机的出现，降低了数字近景影像技术对作业设备及技能的要求，并使摄影测量过程成为全数字流程。近十年来，基于非量测相机的近景数字影像技术已成为研究发展的重点。

1997年，李冬田于在小浪底开展了应用数码相机进行隧洞摄影工程地质编录的试验；2001年王秀美等研究了利用数字近景技术开展滑坡监测的问题，同年，刘志铭等采用普通数码相机，成功实施了带长度相对控制的区域网光束法平差计算，结果表明基于普通数码相机的光束法，在2m摄影距离上可达到毫m级测量精度，这是一次基于普通数码相机的高精度应用尝试。2004年，陈清平等利用数字化的光学近景影像，在数字摄影测量系统上进行地形测绘，辅助铁路桥隧设计。实验研究了传统的近景影像技术在数字摄影测量系统上的实现问题。

目前，近景影像技术在电力工程中的应用尚未达到应有的水平，其应用主要集中在高陡边坡的监测方面。本文主要采用非量测数码相机，对数字近景影像技术在电力勘测地形测绘中的应用进行研究，并对相应作业方式进行探讨。

2 非量测相机的量测化技术及数据处理方法

2.1 非量测相机量测化技术

基于非量测相机的数字近景影像技术具有作业简便，设备要求低，影像获取快速等优势。但非量测影像构像畸变大，内方位元素不稳定，无水准和定向装置，这些均影响了成果的精度。为提高非量测影像的应用精度，需要对非量测相机进行量测化，即测试重复构像的内方位元素稳定性、确定构像的几何畸变模型、检测畸变模型参数、测定检校后的畸变残差、检测内方位元素、量测化精度综合测试与评价等，其中最主要的工作是检测畸变模型参数和检测内方位元素。

本文的实验采用PTR(perspective transform and resection)方法对非量测相机进行检校。采用考虑径向和切向畸变的畸变改正模型，如式(1)：

其中：Δx，Δy为像点坐标的构像畸变改正值；x，y为像点量测坐标；x0，y0为相机的内方位元素；r为像点的径向半径；k1，k2，k3，P1，P2为畸变系数。

PTR方法联合应用透视变换和空间后方交会算法，将非量测数码相机的畸变参数和内方位元素分别在二维、三维控制场中运用透视变换和空间后方交会进行检校，以此来减弱各个元素之间相关性的影响。

畸变参数检校时采用精密二维控制场，依据透视变换公式：

在同一数学模型中序贯解算透视变换参数及畸变参数。解算相机畸变参数后，采用室内精密三维控制场，依据共线方程解算相机内方位元素。

2.2 非量测近景影像数据处理方法

非量测近景影像数据处理方法通常有两种。方法一可直接对非量测影像进行处理，处理前不进行影像畸变预校正，此时采用直接线性变换(DLT)及光线束法解算。方法二可采用相机量测化后的参数，对非量测影像进行畸变校正及重采样，并固定内方位元素，从而将非量测影像作为量测影像进行后续的算法处理。

为比较两种数据处理方法的精度，本文采用CANON 5D MARKⅡ相机进行了实验。实验采用GPS对作业区域进行像片控制点测量，并均匀布设若干检查点，用以进行成果精度检查。

实验1直接应用采集的非量测影像，并进行相应定向处理。实验2预先对相机采用PRT方法进行量测化，并采用量测化的参数对非量测影像进行畸变预校正。选择均匀分布于像幅的若干实验点进行精度分析，表1和表2统计了两组实验的检查点精度。

表1 实验1检查点精度比较 (单位：m)

表2 实验2检查点精度比较 (单位：m)

通过对两组实验结果比较可得，直接应用非量测影像的作业方式检查点精度较差。而采用相机量测化参数，对非量测影像进行畸变预校正的实验2检查点精度远高于实验1。由此可知，非量测相机的量测化可大幅提高近景摄影测量作业精度。

3 实验

针对大倾角立面地形(坡地)和平坦地形，本文进行了2次实验。实验拍摄时采用CANON EOS 5D MARKⅡ相机，24mm～105mm变焦镜头及50mm定焦镜头。相机及镜头均已检校。影像像幅大小为5616×3744，像元大小为6.41μm。拍摄时固定焦距，调焦无穷远，以保证内方位元素的稳定，手持相机进行正直等倾摄影。

据实际地形情况拍摄得到若干像对后，首先对每张影像进行构像预校正，之后对每个单像对进行处理。处理采全数字摄影测量软件virtuozo中的近景模块进行。

3.1 针对坡地地形的实验

选择了蓝田县附近某处针对坡地地形进行了实验。实验时依据实际地形情况，采用24mm～105mm变焦镜头的105mm端，拍摄1个像对。依据地形情况，选择拍摄的两摄站间基线约为8m。共布设12个均匀分布于像幅的控制点及检查点，实测控制点及检查点点位。在Virtuozo中进行近景定向处理后，匹配获取测区DEM，在模型中手工量测检查点，与检查点实测值进行比较。

图1、图2为地形三维点云及测区DEM。表3给出检查点量测坐标及与实测值的比较。

图1 实验区地形三维点云

图2 测区DEM

由表2可看出，点126量测值与实测值较差最大，特别是Y方向相差约6m。分析其原因，该点与摄站点相距约220m，纵距最远，其基线与纵距比约为1:65，故而该点精度已不可控制。检查点中，精度最高为点139，X方向与实测值相差仅0.092m。所有检查点的高程精度相较平面精度而言均较好，最大相差0.666m，最小为点139，仅相差0.039m。查点的高程精度均较好，与实测值相差最小仅0.019m，最大不过0.387m，平均仅为0.182m。

表3 实验1检查点精度分析 (单位：m)

3.2 针对平坦地形的实验

选择了西安近郊的狄寨原某处针对平坦地形进行了实验。为了使目标面细节尽量在像片上展开成像，提高作业精度，实验时依据实际地形情况，选择测区边的一个山坡布设摄站。采用50mm定焦镜头，拍摄1个像对。两摄站间基线约为7.1m。在像幅范围内均匀布设14个控制点及检查点。表4给出检查点量测坐标及与实测值的比较。

表4 实验2检查点精度分析 (单位：m)

由表4可看出，检查点中，点46位于远景处，摄影纵距最远，其量测值与实测值相差最大，X方向与Y方向的较差均为2m左右。32、31、37摄影纵距略近，X方向与Y方向的精度较好，尤其是点31，基线与纵距之比约为1:10，故其与实测值仅相差0.1m左右。所有检

4 结论

本文采用非量测相机，对数字近景影像技术在电力工程地形测绘中的应用进行研究。通过具体实验，得到以下几点结论：

(1) 采用数字近景影像技术进行发、变电工程地形测绘在地形条件较好的情况下可行。其较为适宜测绘坡度较大区域的地形，作业精度可达分m级。实际应用精度可达1:500比例尺测图到1:1000比例尺测图之间。

(2) 非量测相机的“量测化”过程对保证实际作业精度十分关键。通过对非量测相机的检校，可较好地改正非量测影像的构像畸变差。校正影像构像畸变差后，影响作业精度的最大因素为摄影方案的确定，即摄影基线与摄影纵距。

(3) 该作业方式沿摄影方向点位精度最差，高程精度通常较好。

(4) 地形影响及地物遮挡、植被覆盖等因素对该技术的应用具有一定程度上的制约。

(5) 由于近景影像采用非接触式的量测方式，在常规测量无法进行开展的危险地区，该方式更具有实际应用的优势。

鉴于近景影像的技术特点及目前的研究情况，其可作为常规测量及航测的一种补测手段进行作业。相信随着进一步研究的深入，该技术对发、变电工程中运用高新技术、提高工作的质量和效率，促进发、变电工程信息化建设，提高市场竞争力，有现实的意义和工程应用价值。

[1]李浩．水电工程近景数字影像技术的研究及应用[D]．南京:河海大学，2005．

[2]林宗坚，崔红霞，孙杰，刘丽．数码相机的畸变差检测研究[J]．武汉大学学报信息科版，2005，30(2)．

[3]Lazaros Grammatikopoulos，George Karras， Elli Petsa，An Automatic approach for camera calibration from vanishing points[J]，ISPRS Journal of Photogrammetry &Remote Sensing， 2007，62．

[4]黄醒春，寇新建，林林．用数码摄影测量法实现大型沉井可视化动态监测[J]．上海交通大学学报，1999，33(6)．

Application of Digital Close-range Photogrammetry in Engineering

ZHANG Yan-an
(Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 721000, China)

To the advantage of low cost, convenient image capture, safe and reliable, the technology of digital closerange photogrammtry based on non-metric camera has been applied widely recent years. Using non-metric camera,the research on the application of this techonology in electric power engineering survey is given in this paper. The experiments results represent that through camera calibration, the image distortion of non-metric image can be correct well, and the accuracy can be improved effectively. This method is more suitalble for the slope rigon, and the work accuracy is at decimeter level. For its Un-contact survey mode, this method have a unique applicatioan superiority in the danger area in which common survey methods can not be applied.

digital close-range photogrammetry; non-metric camera; topographic survey; camera calibration; accuracy.

P2

B

1671-9913(2013)02-0026-05

2012-07-23

张雅楠(1983- )，女，河北巨鹿县人，硕士，工程师，数字摄影测量与近景摄影测量，航空摄影测量。