近景摄影测量应用于建筑测绘

数字近景摄影测量在建筑物变形监测中的应用

摘要：本文介绍了数字近景摄影测量的基本概念，回顾了数字近景摄影测量技术应用于建筑物测绘的研究，并重点分析了在建筑物变形监测中的应用，表明利用数字近景摄影测量技术观测建筑物变形的方法具有效率高、质量好等显著优点。并展望了数字近景摄影测量技术的未来发展。

1.数字近景摄影测量

1.1 数字近景摄影测量的基本概念

近景摄影测量也称非地形摄影测量，是指在0-300m 近距离范围对所研究的各类目标进行摄影，通过对拍摄的图像加工处理，从而确定静态目标的点坐标、表面形状以及动态目标的活动轨迹。近景摄影测量一般包括近景摄影和图像处理两个过程。

随着数码相机的广泛应用，价格愈来愈低廉，使用数码相机的数字近景摄影测量发展越来越快。数字近景摄影测量是指以数字相机为图像采集传感器、并对所摄图像进行数字处理的近景摄影测量。数码相机的出现和不断发展，极大地推动了数字近景摄影测量的发展[1]。 近景摄影测量的摄影机一般分为两种，即量测用的和非量测用的。量测用的摄影机是指专为摄影测量设计的，在像框上设有框标，内方位元素已知或可记录，物镜畸变差很小，主距为固定的或可以调焦的。非量测用的摄影机就是一般使用的相机，特点是内外方位元素一般不知，物镜畸变差比较大，且常常不够稳定。进行数字近景摄影测量的多为以半导体技术CCD 电荷耦合器为基础的数码相机，属于非量测相机。CCD 的状态及灵敏度可长期稳定，因此是可以检校的。在进行精确摄影测量工作前，必须对普通数码相机进行严格的检校。摄影机的检校是指检查和矫正摄影机内方位元素和光学畸变系数的过程。

1.2 数字近景摄影测量的解算模型

数码相机所拍摄的影像内方位元素值未知，因此可以采用直接线性变换模型（Direct Linear Transformation 简称DLT ）。DLT 解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标之间直接的线性关系的解法[2,3]。其基本公式为：

01

111094321=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L x （1） 01

111098765=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L y （2） 式（1）和（2）中，L1至L11是11个系数，分别为相片的6个外方位元素（X s ,Y s ,Z s ,φ,ω,К），3个内方位元素（主点的坐标仪坐标x 0、y 0以及拍摄相片的x 方向主距f x ），y 方向相对x 方向的比例变化率d s （即比例尺不一性）以及x 、y 轴间的不正交性d β这11个参数的函数；X 、Y 、Z 是点的空间坐标；x 、y 是相应点的影像坐标。

由于摄影物镜光学畸变差的影响，使得像点、摄站和相应地面点之间的共线关系受到破坏，因此，必须考虑畸变的影响，而光学畸变差主要以辐射方向为主。可考虑加入改正项：

210r κ)x (x Δx ∙-= （3）

210r κ)y (y Δy ∙-= （4）

式（3）和式（4）中，К1为对称物镜畸变参数，r=(x-x 0)2+(y-y 0)2。

在DLT 的共线条件方程式中，对像点坐标x 0、y 0再分别加入改正项Δx 、Δy ，则方程式可以改写成如下形式：

01

1110943210=++++++++-Z L Y L X L L Z L Y L X L Δx )x (x （5） 01

1110987650=++++++++-Z L Y L X L L Z L Y L X L Δy )y (y （6） 此时共有12个未知数，每一个像点坐标观测值的误差方程式为：

][112011994321x k )r x A(x xZl xYl xXl l Z l Y l X l /A)(V x +-+++++++-= （7） ][112011998765y k )r y A(y yZl yYl yXl l Z l Y l X l /A)(V y +-+++++++-= （8）

式中，A=l 9X+l 10Y+l 11Z+1，初值为1，反复迭代（4）式直至A 值差小于给定的限差，通过К1及x 0、y 0求解了非线性误差的像点坐标（x+Δx ，y+Δy ）。

201)r x (x κx Δx x x -+=+= （9）

201)r y (y κy Δy y y -+=+= （10）

以上即为直接线性变换（DLT ）的数学结算模型，求式（5）和（6）计算未知点的空间三维坐标（X ，Y ，Z ）。

2.数字近景摄影测量在建筑物测绘领域的应用

随着计算机技术和数据处理技术的发展，现代近景摄影测量技术已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、城市区域规划、医学、生物、古建筑与古文物研究、考古等部门。原则上，凡是可获得其影像的各类目标，都可以使用近景摄影测量的相关技术，以某种精度测定和研究它的形状、大小以及运动参数等[4]。

目前，数字近景摄影测量已经广泛应用于建筑物测绘领域。李严等使用数字近景摄影测量技术对天津紫竹林教堂进行内外整体测绘，获得了建筑物的立面、平面图[5]。使用数码相机进行近景摄影获得的建筑物表面纹理，可以用于构建城市三维景观模型，是进行城市发展规划、城市景观建筑评估、建筑设计、文物保护的重要工具[4]。郑莉等人结合近景摄影测量方法探讨不规则镜面物体三维建模的关键技术[6]。利用近景摄影测量技术还能够观测建筑变形，具有效率高、质量好等显著优点[7]。还可以使用近景摄影测量的技术拍摄运动图像，应用于建筑物爆破过程中对碎块运动状态的分析，测量出各力学参数，包括位移、速度、加速度、动能、势能等[8]。

3.数字近景摄影测量应用于建筑物变形监测

3.1 建筑物变形监测的基本概念

变形在自然界是普遍存在的，变形体在荷载、风力等因素的影响下，会发生“形状、大小、位置”的变化[9]。高层建筑物、大型厂房柱基、重型设备基础以及震动较大的连续性生产车间等，在施工乃至运营过程中，由于自身及外力等因素的作用，建筑物本身及其基础都