范光鵬，馮仲科，閆飛凡

(1.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

城市管井是城市地下管線的重要組成部分，基于PDA的地下管線采集處理系統(tǒng)已開始投入應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)地下管線屬性信息現(xiàn)場(chǎng)記錄[1-2]，由于城市地下空間的不確定性，尤其地下管井測(cè)量的危險(xiǎn)性和高強(qiáng)度作業(yè)，使得測(cè)量人員無(wú)法到達(dá)或者無(wú)法人工測(cè)量[3-5]，為了克服外界因素的影響，非接觸式的測(cè)量方式受到重視[6-7]。

隨著信息智能化時(shí)代來(lái)臨，利用更加集成化、智能化、精準(zhǔn)化的觀測(cè)裝備成為了測(cè)量調(diào)查的主流[8-11]。馮仲科等研發(fā)了遠(yuǎn)程攝影超站儀，CCD超站儀，多功能便攜式微型超站儀，多功能電子槍等，可以對(duì)立木進(jìn)行測(cè)量[8-11]；劉國(guó)安等研制了平板電腦的地下管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用；侯鑫新等提出了一種基于單電荷藕合器件圖像傳感器CCD相機(jī)與經(jīng)緯儀相結(jié)合的測(cè)量方法，在外業(yè)中使用平板電腦記錄管線屬性數(shù)據(jù)，是外業(yè)數(shù)據(jù)采集的非智能化；杜良法等嵌入式系統(tǒng) PDA 技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)采集內(nèi)業(yè)外業(yè)一體化；陳紅旗等提出城市地下管線高精度電磁法探測(cè)技術(shù)[12-17]，但外業(yè)采集中管徑以及井室長(zhǎng)寬數(shù)據(jù)還是采用測(cè)量人員下井測(cè)量傳統(tǒng)工作方式。北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用攝影測(cè)量學(xué)原理[18-22]、圖像處理技術(shù)、安卓開發(fā)技術(shù)自主研發(fā)了用于城市地下管線測(cè)量工作攝影測(cè)量?jī)x，針對(duì)管井進(jìn)行非接觸式智能化測(cè)量。

1 攝影測(cè)量?jī)x構(gòu)成

1.1 硬件構(gòu)成

攝影測(cè)量?jī)x的硬件組成包括精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)制造的掌上PDA和云臺(tái)、CCD鏡頭、激光掃平器、光源筆、絕緣伸縮探測(cè)桿，如圖1所示。CCD 鏡頭選用伸縮式定焦光學(xué)鏡頭，背照式CMOS傳感器， 6組7片(4片非球面鏡片/其中含AA鏡片)的鏡頭結(jié)構(gòu)，F(xiàn)1.8—F4.9最大光圈，LED補(bǔ)光燈，MNP記憶卡，NP-BN/NP-BN1鋰電池，200張續(xù)航能力，用于測(cè)量作業(yè)時(shí)攝影和攝像。激光器采用優(yōu)質(zhì)亞力克鏡片組成的光學(xué)透鏡，5 mW(毫瓦)功率管芯，優(yōu)質(zhì)亞克力鏡片可以投射一束可視激光束，儀器發(fā)射的激光線和攝影中心保持平行。掌上PDA(Personal digital assistant)是將RAM(Random access memory)、GPU(Graphics processing unit)、 CPU(Central processing unit)、ROM(Read only memory image)、wifi 芯片、重力傳感器、角度傳感器、彩色觸控顯示屏、電源等高度集成并設(shè)計(jì)鋁合金外殼，用于跟CCD鏡頭進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，控制鏡頭成像，進(jìn)行影像采集，圖片數(shù)據(jù)處理。充分利用人體工程學(xué)原理，將CCD鏡頭、光源筆和激光器高度集成串聯(lián)于云臺(tái)，并分別可拆卸、充電、更換，方便操作，耦合性低。

PDA在受控實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的跌落保護(hù)、防水防塵的防護(hù)性能測(cè)試試驗(yàn)。選用高通驍龍617處理器(MSM8952)，8核A53，1.5GHz核心頻率，用于處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)；GPU 選用 Adreno 530，64位處理位數(shù)，用于處理獲取圖像信息；RAM選用雙通道LPDDR4X，容量2 GB，最高頻率1 866 MHz；HSPA+、CDMA、LTE基帶；ROM 選用 C8051F410片內(nèi)閃存設(shè)計(jì)，16 GB，速度級(jí)別 Class 10，最高持續(xù)速度80 m/s；分辨率768*1024，9.7英寸顯示屏幕，像素密度132 PPI。陀螺儀采用集成電路芯片 GY-26，用于測(cè)量?jī)x器的傾斜角；WiFi功能雙頻(2.4 GHz+5 GHz)，支持802.11a/b/g/n無(wú)線協(xié)議傳感器LIS331DLH ，用于傳輸圖像信息及連接網(wǎng)絡(luò)以及控制CCD鏡頭進(jìn)行影像預(yù)覽以及拍攝；集成電路 TPS66021集成電源，用于向各器件供電。光源筆采用變焦廣角微型電筒，LED泡及附件種類，18650鋰電池，用于地下管井測(cè)量時(shí)黑暗情況下光源供給。手持絕緣伸縮桿3節(jié)4 m,伸縮后1.2 m,絕緣纖維材質(zhì)，外徑32 mm，與儀器頭部彈簧夾鏈接，按壓式拆卸，如圖1所示，儀器硬件總體框架如圖2所示。

圖1 攝影測(cè)量?jī)x示意圖

圖2 硬件總體框架

1.2 軟件設(shè)計(jì)

使用Java語(yǔ)言編寫，在Android Studio 2.2開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，將影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，PDA是基于Linux核心的Android 5.0.2系統(tǒng)平臺(tái)。軟件部分為兩大模塊設(shè)計(jì)，分別為管井測(cè)量模塊和單木測(cè)量模塊。圖3(a)所示，為軟件主程序流程圖。用戶根據(jù)實(shí)際的測(cè)量工作需求，選擇不同的模式進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)在屏幕量測(cè)界面實(shí)OntouchListener接口方法，達(dá)到移動(dòng)手指便可測(cè)量的目的?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中采集井下圖片數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，盡量減少OOM的可能性，采用Facebook的Fresco圖片加載框架，圖片不再占用APP的內(nèi)存，也能有效避免IllegalState。兩者的數(shù)據(jù)均通過(guò)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫操作，對(duì)相片進(jìn)行加載以及對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以及導(dǎo)出。

圖3 主程序和功能模塊流程圖

1.3 功能參數(shù)

攝影測(cè)量?jī)x的功能包括地下管井直徑、縱橫斷面、井室長(zhǎng)寬測(cè)量以及井室內(nèi)部檢測(cè)。激光器激光類型激光等級(jí)為Ⅱ級(jí)，激光類型635 nm，小于1 mW，精度±0.5 mm/5 m ，安平范圍±3°，室內(nèi)外兼用,可選擇連續(xù)激光和脈沖激光之間切換，可360°自由旋轉(zhuǎn)并可微調(diào)角度；操作系統(tǒng)為 Android 5.0.2，CPU為1.8 GHz 8核處理器，儲(chǔ)存16 G ROM，內(nèi)存4 G RAM。L2和BDS差分改正，單點(diǎn)定位為3 m，SBAS精度小于2 m，外部源差分小于 0.1 m(CEP)。PDA 尺 寸為222 mm×150 mm×8.5 mm，其電池連續(xù)工作時(shí)間為9 h。EDM尺寸為1 200 mm×50 mm×30 mm， CCD感光度ISO 160—6 400，WiFi無(wú)線傳輸性能802.11b/g/n，全自動(dòng)操作，2 020萬(wàn)有效像素，等效35 mm焦距28～100 mm，曝光補(bǔ)償 ±3EV(1/3EV步長(zhǎng))，最高圖像分辨率5 472×3 648，全高清(1 080)高清攝像，支持實(shí)時(shí)取景，用于獲取圖像信息，其電池連續(xù)工作時(shí)間為5 h ，云臺(tái)160 mm×78 mm×70 mm，儀器工作環(huán)境溫度為20～50 ℃。可變焦光源筆支持散光、強(qiáng)光，2—4檔，350流照及以上，持續(xù)照時(shí)間2 h。伸縮探測(cè)桿伸長(zhǎng)6 m，收縮后為1.2 m。傳統(tǒng)工作方式與采用該儀器后工作方式對(duì)比，如圖4。

圖4 工作方式對(duì)比

2 攝影測(cè)量?jī)x測(cè)量原理

2.1 定焦CCD鏡頭檢校

CCD鏡頭并非專業(yè)的測(cè)量相機(jī)，所以使用之前需要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，在室內(nèi)均勻布設(shè)控制點(diǎn)，并使用全站儀獲取得到控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)，此時(shí)，攝影中心、像點(diǎn)、物點(diǎn)滿足共線條件方程式：

(1)

式中加入了以像主點(diǎn)(x0，y0)為原點(diǎn)的坐標(biāo)改進(jìn)，引進(jìn)了由于相機(jī)畸變?cè)斐傻南到y(tǒng)誤差的改正值(Δx，Δy)。

變換共線方程式，使用DLT直接線性模型進(jìn)行求解CCD鏡頭的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)，DLT模型如下

(2)

式中，Li為的系數(shù)，表達(dá)式分別為

L4=-(L1XS+L2YS+L3ZS);

L8=-(L5XS+L6YS+L7ZS);

在Li的系數(shù)表達(dá)式中，γ3=-(a3XS+b3YS+c3ZS)，ai,bi,ci分別是由外方位角量元素組成的旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)。

將(Δx，Δy)的誤差改正數(shù)改寫成誤差畸變方程，即：

r為向徑，K1,K2,P1,P2為物鏡畸變系數(shù)。根據(jù)室內(nèi)檢校場(chǎng)內(nèi)控制點(diǎn)與像點(diǎn)坐標(biāo)可以進(jìn)行解算，將其使用矩陣方程表達(dá)為

BU-L=V.

(3)

U=[L1L2L3L4L5L6L7L8

L9L10L11K1K2P1P2]T

N1=A(x-x0)r2

N2=A(x-x0)r4

N3=A(r2+2(x-x0)2)

N4=2A(x-x0)(y-y0)

M1=A(y-y0)r2

M2=A(y-y0)r4

M3=2A(x-x0)(y-y0)

M4=A(r2+2(y-x0)2)

A=L9X+L10Y+L11Z+1

求解Li系數(shù)與畸變系數(shù)總共15個(gè)參數(shù)，至少需要8個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)式(2)～式(11)進(jìn)行最小二乘法的變換，表達(dá)式為

U=(B)TB)-1BTV

設(shè)定最小差值為終止條件，計(jì)算過(guò)程采用不斷的迭代的方式。如果鏡頭不考慮畸變參數(shù)，則直接根據(jù)Li系數(shù)就可以求解內(nèi)方位元素，計(jì)算式如下

(4)

2.2 地下管線單像攝影測(cè)量原理

PDA通過(guò)WiFi遠(yuǎn)程控制CCD鏡頭拍照獲取單張井下像片，基于此進(jìn)行單張像片解算。將激光器與鏡頭主光軸嚴(yán)格設(shè)置為平行，此時(shí)已知激光器和鏡頭中心的基線長(zhǎng)度為h，CCD鏡頭焦距為f，依據(jù)共線條件最簡(jiǎn)方程式進(jìn)行單張像片解算。共線條件最簡(jiǎn)方程式表達(dá)為

(5)

根據(jù)h和激光點(diǎn)在像片上的投影，可得

(6)

可以解得單張像片上像點(diǎn)的物方坐標(biāo)

(7)

式中，(XA,YA,ZA)為目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，(ui,vi)為對(duì)應(yīng)物方點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，f為焦距，va為激光線所在的像片縱坐標(biāo)。

該方法是基于平面的單像測(cè)量方法，所以拍攝時(shí)要盡量保持鏡頭平面與目標(biāo)平面平行。

2.3 地下管井直徑測(cè)量

地下管井直徑測(cè)量具體操作步驟是：

1)打開CCD鏡頭開關(guān)，打開激光器開關(guān)，連接平板的應(yīng)用APP程序，連接好無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，手持絕緣伸縮探測(cè)桿放入井口下，通過(guò)多角度旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)時(shí)查看井下設(shè)施分布情況，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，保證激光點(diǎn)和待測(cè)物體處于同一平面、同一固定高度(影像中的激光點(diǎn)和鏡頭中心保持Y方向高度不變);

2)選擇好待測(cè)管井后點(diǎn)擊拍照按鈕，如圖5為管井測(cè)量界面；

圖5 管徑測(cè)量界面

3)打開手機(jī)中的單片攝影測(cè)量計(jì)算軟件，將拍攝好的圖片加載到界面中，手指將紅色十字線觸摸移動(dòng)到圖片中激光點(diǎn)，點(diǎn)擊圖片中“激光點(diǎn)”按鈕，然后將紅色十字線觸摸移動(dòng)到待測(cè)管徑的一邊，點(diǎn)擊“測(cè)點(diǎn)A”按鈕，最后再次將紅色十字線觸摸移動(dòng)到待測(cè)管徑的另一邊，點(diǎn)擊“測(cè)點(diǎn)B”按鈕，最后屏幕顯示測(cè)量值 。如圖為管井測(cè)量結(jié)果解算界面，管徑測(cè)量原理如下：根據(jù)式(5)—式(7)可以得到相片的內(nèi)方位元素坐標(biāo)，得到最簡(jiǎn)式：

(8)

(9)

因此得到平面上的物方坐標(biāo)，那么便可計(jì)算管徑的真實(shí)大小。Xi，Yi代表物方坐標(biāo)，f為相機(jī)檢驗(yàn)后的焦距，ui,vi,Zi為管井的像點(diǎn)坐標(biāo)

2.4 地下管井小室長(zhǎng)度和寬度測(cè)量

地下管井小室長(zhǎng)度和寬度測(cè)量操作步驟：

1)將測(cè)量?jī)x器和圖像采集軟件調(diào)整成工作狀態(tài)；

2)將探測(cè)桿緊貼圓形管井口內(nèi)壁，待預(yù)覽界面顯示儀器和小室一側(cè)墻壁平行時(shí)點(diǎn)擊拍照按鈕，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，點(diǎn)擊拍照按鈕，如圖6為地下管井小室長(zhǎng)度和寬度測(cè)量界面；

圖6 井室長(zhǎng)寬測(cè)量界面

3)再次旋轉(zhuǎn)90°(保證操作開始緊貼井口內(nèi)壁位置不變)，點(diǎn)擊拍照按鈕；

4)再次旋轉(zhuǎn)90°，和前3次操作步驟相同，這樣就完成了360°的圖片采集工作。如圖6為小室長(zhǎng)度和寬度測(cè)量解算界面和測(cè)量原理示意圖。

測(cè)量井室長(zhǎng)寬測(cè)量原理可以利用相機(jī)檢后的焦距得到式(10)

(10)

經(jīng)過(guò)變形后為

(11)

式中:H為攝影基線長(zhǎng)H，M為基線投影距離，L為拍攝距離，f為相機(jī)焦距，λ為固定比例系數(shù)，u0,ug,v0,vg分別為相片待測(cè)物體點(diǎn)坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地下管井直徑測(cè)量試驗(yàn)

為了驗(yàn)證攝影測(cè)量?jī)x的地下管線直徑測(cè)量功能和測(cè)量精度，經(jīng)過(guò)相關(guān)部門的允許，在北京市海淀區(qū)北清路永豐基地展開試驗(yàn)。分別利用不同的大小的地下管井對(duì)儀器的地下管井直徑測(cè)量功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。包括電信井，污水井，雨水井，上水井，下水井，電力井，工業(yè)井等。用人員拿著合尺下井和用攝影測(cè)量?jī)x器分別進(jìn)行直徑測(cè)量解算實(shí)驗(yàn)，以合尺測(cè)得的數(shù)據(jù)為真實(shí)值和攝影測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，利用相對(duì)誤差公式進(jìn)行計(jì)算，如表1所示，為攝影測(cè)量?jī)x器地下管井直徑測(cè)量相對(duì)誤差。在18組測(cè)量中，相對(duì)誤差為1.10%～3.67%,符合地下管線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 攝影測(cè)量?jī)x管井直徑相對(duì)誤差

3.2 井室長(zhǎng)寬測(cè)量試驗(yàn)

驗(yàn)證攝影測(cè)量?jī)x器的地下管線長(zhǎng)寬度測(cè)量功能和測(cè)量精度，采用與驗(yàn)證攝影測(cè)量?jī)x地下管線直徑測(cè)量相同的方法。如表2所示，為攝影測(cè)量?jī)x器地下管井井室長(zhǎng)寬測(cè)量相對(duì)誤差。在18組測(cè)量中，相對(duì)誤差為1.22%～2.31%,符合地下管線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)果誤差分析

通過(guò)對(duì)3.1試驗(yàn)結(jié)果分析，在2.1中對(duì)CCD鏡頭相機(jī)進(jìn)行內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)獲取。非測(cè)量相機(jī)并不能嚴(yán)格保證焦距，相機(jī)本身帶有變焦桿，可調(diào)焦距，工作時(shí)將相機(jī)的變焦桿設(shè)置為固定焦距，應(yīng)對(duì)相機(jī)工作時(shí)的輕微變焦造成的內(nèi)方位元素浮動(dòng)。另外，儀器本身像主點(diǎn)和激光點(diǎn)平行問(wèn)題也會(huì)造成一定的誤差，對(duì)此在儀器加工時(shí)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，盡量縮小誤差。在拍攝時(shí)，儀器和物體不能保證嚴(yán)格平行，可通過(guò)觀察影像調(diào)整。在軟件解算時(shí)，坐標(biāo)點(diǎn)的選取也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。通過(guò)實(shí)際工作應(yīng)用表明，該儀器試驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)家城市地下管線普查中管井測(cè)量工作的精度要求。

表2 攝影測(cè)量?jī)x測(cè)量井室長(zhǎng)寬相對(duì)誤差

4 結(jié) 論

本文研制了一種由CCD鏡頭、激光器、光源筆、PDA、云臺(tái)和探測(cè)桿低耦合成的攝影測(cè)量?jī)x，根據(jù)攝影測(cè)量學(xué)原理，利用圖片處理技術(shù)和安卓開發(fā)技術(shù)，滿足了城市地下管井測(cè)量工作中設(shè)備的需求。本文詳細(xì)闡述了攝影測(cè)量?jī)x的功能原理和作業(yè)方式，在地上便可測(cè)量，改變了測(cè)量人員的傳統(tǒng)工作模式，并通過(guò)實(shí)際工作進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證，地下管井直徑測(cè)量精度達(dá)97.31%，井室長(zhǎng)度和寬度測(cè)量精度為97.06%、97.53%。滿足國(guó)家城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程的精度要求，該儀器可以在城市工程測(cè)量中推廣使用。

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