数字近景摄影测量野外特殊研究区域活动控制系统设计与实现

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作 者 信 息

刘子侠1，陈剑平2，韩东亮1

（1. 吉林大学　应用技术学院，吉林　长春　130012；2. 吉林大学　建设工程学院，吉林　长春　130026）

“ 

【摘要】为了满足特殊区域（硐室、隧道）岩体结构面三维信息快速采集的需要，利用S304不锈钢方钢管设计并制作了一套可拆卸的、其上带有28个控制点的活动控制系统，应用免棱镜激光全站仪对28个控制点进行观测获得其空间三维坐标值，精度评定点位误差为±2 mm；同时对该活动控制架进行了室内外稳定性检验：室内通过检验两个邻近控制点的间距，结果显示其误差在±1 mm之内；室外通过实际观测与坐标转换值进行对比其控制点误差在±3.2  mm之内，该误差可以满足数字近景摄影测量技术中对中等精度要求方面的工程应用。经野外验证该活动控制系统自身坚固、结构稳定、拆卸后体积小、重量轻、野外应用携带方便，加之高清晰度的成像为野外特殊区域的控制测量提供了保障。该系统的建立满足了数字近景摄影测量技术在特殊岩体结构面信息快速获取中的需要。

【关键词】数字近景摄影测量；活动控制系统；岩体结构面；控制点

【中图分类号】P234.1 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2018）05-0099-04

”

引文格式：刘子侠，陈剑平，韩东亮. 数字近景摄影测量野外特殊研究区域活动控制系统设计与实现[J].地理信息世界,2018,25(5):99-102.

正文

0　引　言

当前的研究显示，在使用数字近景摄影测量技术对岩体结构面测量的时候通常需要在其待测物体四周设置相应数量的控制点，然后选用测量仪器来获取这些点的坐标信息，这样便于内业影像解译工作的进行。但在有些特殊区域不适宜在研究物体上布设控制点（如硐室、隧道及有些正在施工的掌子面等）或该研究区域地形复杂不方便架设仪器进行观测，导致无法获取研究区域的控制数据信息，为了能及时准确地解决这一问题，研究设计了一种不用外业控制测量就可以在内业解译出所需要岩体结构面特征点的三维坐标即活动控制系统。具体操作过程：首先进行活动控制架选材—设计—安装—测量活动控制架上控制点坐标—稳定性检验等工作，然后将活动控制架放置研究区域（岩体边坡）前，选择好适宜位置及摄影距离，进行研究区域和控制系统的共同拍摄，这样即可依据活动控制架所建立的坐标系在室内数字摄影测量工作站VirtuoZo上解译出岩体结构面上相关控制点的坐标，从而快速地解决了研究区域的数据采集问题。

目前国内的许多学者在自己的研究领域设计了活动控制系统并进行了相应的应用。本文在对长春市净月北山二采石场边坡数据信息快速获取时设计了一种坚固实用、轻型便捷、方便使用、控制点分布均匀且不在同一平面的活动控制系统，经验证该系统满足数字近景摄影测量野外快速获取岩体结构面信息的需要。

1　活动控制系统设计与制作总体方案

活动控制系统的设计与制作一般是力求自身携带方便、坚固、不易变形，而且应该适用于一些难以进行控制点布置和难以使用仪器进行测量的小范围区域。为了满足上述要求，研究中采用轻型金属管材制成了适合研究区域（岩体）的活动控制架，并将活动控制架连同边坡岩体结构面一起拍摄，此时在活动控制架的坐标系里面会有边坡岩体结构面的信息，因此可以获得岩体结构面相关的坐标信息。

1.1 活动控制系统的选材

研究中考虑到S304不锈钢方钢管具有重量轻、抗腐蚀、使用寿命长、强度好等特点，因此选用其作为选材。主体框架所用型号为22 mm×22 mm方钢管，连接件选用25 mm×25 mm方钢管，携带方便，满足野外实际工程的需要。

1.2 活动控制系统的制作

研究中根据净月北山采石场岩体的实际情况，制作了尺寸为2 440 mm×4 885 mm的矩形格网框架。主框架是由45根80 cm长的方钢管（22 mm×22 mm）构成，管壁厚1.5 mm，而且在其两端有7 cm的钢管（25 mm×25 mm）通过焊接的方式相连，由此形成了一个三通（通常在其边缘）或者是四通（在中间部分）的形状。在这些形状的每一节点上选用钨极氩弧来将其连接起来，并选用螺栓（M4×30 mm）将节点和骨架方管相互连接起来。

1.3 活动控制架控制点的设计与连接

控制点是活动控制架的重要组成部分，本次研究共设置了28个控制点，考虑到其应用于岩体结构面中，所以要保证所设计的控制点不能遮挡岩体的结构面。

1）控制点标志的设计

经过多次实验显示，当控制点标记和近景摄影距离分别为50 mm×50 mm和3 m的时候，此时在VirtuoZo工作站里面能够很好地成像，解译清晰；然而考虑到后期活动控制架的实用性，我们将其由50 mm×50 mm转变成为70 mm×70 mm，图形选用黑白的正方形隔开排列。

2）控制点的连接

研究中控制点的设计是将22 mm×22 mm方钢管截成10 mm～35 mm等长短不同的小柱，然后在小柱的一端焊接上一块70 mm×70 mm的铁片，必须保证铁片与小柱牢固地粘在一起后，将小柱的另一端（注意标好序号，便于拆卸与安装）直接插入活动控制架的连接处，即三通或四通的底部，如图1所示。

图1　不同平面的控制点图

Fig.1 Control points diagram of different planes

3）控制点的测量

考虑到该活动控制架控制点的特殊性，采用免棱镜全站仪直接进行观测获得其坐标值并进行精度评定，其点位误差为±2 mm，然后利用空间前方交会法检核，证明该方法简单易行，结果正确。

综上所述，即完成了基于数字近景摄影测量野外特殊研究区域活动控制系统的制作与控制点测量工作，活动控制架的总重量为22.4 kg，整体结构如图2所示。

图2　活动控制架

Fig.2 Portable controller

平面图如图3所示：其中D 1，D 2，…，D 28为活动控制系统控制点的点号，①，②，… 为活动控制系统主框架安装序号。

图3　活动控制架平面图

Fig.3 Portable controller frame plan

2　活动控制架的稳定性检验

由于该活动控制系统可以拆卸，而控制点是后面岩体解译最关键的数据，所以在应用该活动控制系统前必须严格检验该系统的稳定性，以保证后续工作的准确。

2.1 室内检验

为了验证活动控制架是否稳定，我们在室内做了两次拆装，对控制点的所有坐标都选用极坐标法（免棱镜激光全站仪）进行了验证测量。基于在两次的拆装过程中活动控制架的姿态和位置会发生相应的改变，此时难以直接进行点位坐标的比对，因此对系统稳定性的判断采取的方法是只要相互邻近的控制点他们的距离没有发生变化就可以认为其稳定。这样将前后两次测量获得的坐标值（X 1,Y 1,Z 1；X 2,Y 2,Z 2）进行对比，可以通过公式（1）计算得出相邻两控制点之间的距离，如下式所示：

将活动控制架首次观测的控制点之间的距离与拆卸两次所计算的距离S1i，S2i填入表1中，并计算两次拆卸的较差ds1，ds2，结果见表1。公式如下所示：

表1　活动控制系统经两次安装拆卸相邻控制点距离对比

Tab.1 Comparison of the distance between adjacent control points after two times installation and disassembly

计算两次拆卸的中误差均为±1 mm；再根据误差传播定律取2倍中误差作为两次拆卸观测值的极限误差，则此时计算得出的最大误差不应该超过±2 mm。从计算结果中我们发现所计算的观测值较差最大为2 mm均符合限差要求，且数量仅仅只有两个，占比96%，这表明在控制架经过两次的拆卸过程中，相邻控制点间距离基本保持不变（最大误差为±2 mm），每个格网间的转折角由于采用焊接的三通或四通方钢管连接，所以角度不变。因此可以得出该活动控制系统是稳定的，可以在实际工程中应用。

2.2 室外检验

室外检验选取净月北山二采石场进行实验，现场安装活动控制架，然后距离活动控制架适宜的位置架设全站仪，对此建立坐标系。其中X 轴为过测站点的真北方向，Z 轴代表天顶方向，然后经现场测量能够得到控制架上任意的三点坐标的坐标值，将该值与控制架本身的坐标值依照相关的模型（布尔沙模型）进行计算得出转换参数，然后经由坐标变换公式可以计算获得野外情况下活动控制架上的坐标信息。布尔沙模型（七参数）为：

式中，Dx、Dy、Dz、α、β、γ、K为7个参数。其中，Dx 、Dy 、Dz 分别为坐标轴X ,Y ,Z轴方向的偏移量；α 、β、γ分别为X,Y,Z轴方向的旋转量；K为缩放因子。

依照该模型，至少需要3个已知点的坐标值即可求出7个参数，若已知点的个数大于3便应用最小二乘法计算7个参数的最或然值，然后将这些计算的值与野外现场观测的坐标值进行实际对比。结果见表2。

表 2　坐标变换得到的控制点坐标与野外实测的控制点坐标对照表

Tab.2 Comparison table of control points obtained by coordinate transformation and field measured

通过表中实验数据计算结果显示，该活动架变形比较小，依据点位中误差计算公式

计算可知：野外活动控制架的检验其点位误差不超过±3.2 mm，满足摄影测量规范规定的中精度误差5 mm的要求，因此，该系统可以适用于低矮边坡岩体结构面信息的获取。

3　结束语

1）本文利用S304不锈钢方钢管经总体设计、安装制作了其上带有28个控制点的活动控制系统，并应用免棱镜激光全站仪对28个控制点进行了观测获得其坐标值，经检验观测点位精度为±2 mm，观测结果正确。

2）对该系统进行了室内外稳定性检验：室内检测了两个邻近控制点的间距，结果显示其误差在±1 mm之内；野外进行现场观测，然后利用布尔沙模型进行坐标转换，再将转换坐标与实测坐标加以对比得出点位误差为±3.2 mm，能够满足数字近景摄影测量规范规定的中等精度误差控制的要求。

3）实验表明该活动控制系统自身坚固、室内解译影像清晰、结构稳定，拆卸后分别将钢管装入两个小纸盒箱即可，体积小、重量轻，野外应用携带极其轻便。因此，该系统的建立满足了数字近景摄影测量技术在特殊岩体（硐室、隧道）结构面中三维信息及时获取的需求。

来源：地理信息世界GeomaticsWorld（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 孙丰家   审核 / 孙丰家 张艺洪

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)