田慧

摘? 要：活動(dòng)控制系統(tǒng)具有標(biāo)志明顯、成像清晰的特點(diǎn)，正好彌補(bǔ)了路塹、采石場(chǎng)等破碎巖質(zhì)邊坡、結(jié)構(gòu)面相對(duì)破碎、特征點(diǎn)不清的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)并制作了一套活動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有攜帶方便、裝配速度快、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)。它能在近景攝影測(cè)量中起到有效、快速的控制作用。在研究中，對(duì)活動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，攜帶方便，控制點(diǎn)圖像清晰。

關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量? 活動(dòng)架? 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換? 研究

中圖分類號(hào)：P234? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）11（c）-0032-03

Making and Testing of Activity Control System for Close Range Photogrammetry

TIAN? Hui

（Guangzhou Southern Surveying and Mapping Technology Co.，Ltd.， Beijing， 100000 China）

Abstract： The activity control system has the characteristics of obvious signs and clear imaging， which just makes up for the shortcomings of broken rock slopes such as cutting and quarry， relatively broken structural plane and unclear feature points. According to the need of close range photogrammetry， an activity control system is designed and made. The system is easy to carry， fast to assemble and stable in structure. It can play an effective and fast control role in close range photogrammetry. In the research， the design， manufacture and stability test of the activity control system are studied. The experimental results show that the control system has stable structure， easy to carry and clear control point image.

Key Words： Close range photogrammetry; Movable frame; Coordinate transformation;Research

為了解決在攝影測(cè)量中使用非量測(cè)相機(jī)時(shí)攝像機(jī)內(nèi)外方位元素未知的問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)一種能提供控制坐標(biāo)的活動(dòng)控制架?；顒?dòng)控制架作為一種便攜式三維坐標(biāo)控制系統(tǒng)，能夠快速、有效地在目標(biāo)周圍建立有效的控制，為近景攝影測(cè)量快速有效的控制坐標(biāo)系提供了方便快捷的控制坐標(biāo)系統(tǒng)。采用三維工業(yè)測(cè)量方法測(cè)量活動(dòng)控制架表面控制點(diǎn)的坐標(biāo)，并對(duì)測(cè)量的坐標(biāo)進(jìn)行分析處理。

近景攝影測(cè)量在應(yīng)用時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到被測(cè)目標(biāo)較小，為數(shù)眾多，且目標(biāo)處在不同位置，并且不宜使用常規(guī)測(cè)量方法在現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)控制點(diǎn)，這種情況下就可以使用活動(dòng)控制系統(tǒng)。在一種攜帶方便的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金屬構(gòu)架上均勻分布一定數(shù)量的二維或三維控制標(biāo)志，事先測(cè)得這些控制標(biāo)志的坐標(biāo)，就構(gòu)成了活動(dòng)控制系統(tǒng) [1]。當(dāng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)物體與此活動(dòng)控制系統(tǒng)拍攝后，被測(cè)物體就自然地納入到它的坐標(biāo)系內(nèi)。

1? 活動(dòng)控制-近景攝影測(cè)量

活動(dòng)控制-近景攝影測(cè)量的基本理論包括兩個(gè)方面：一是近景攝影測(cè)量的通用坐標(biāo)系;二是活動(dòng)控制系統(tǒng)的建立原則;二是兩個(gè)空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換理論。

1.1 活動(dòng)控制系統(tǒng)的建立原理

在近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中，通常在被攝物體周圍布設(shè)一些控制點(diǎn)，將近景攝影測(cè)量網(wǎng)納入到給定的物方空間坐標(biāo)系，這就可以用直接線性變換解法求取像片的內(nèi)、外方位元素[2]?；顒?dòng)控制系統(tǒng)為近景攝影測(cè)量提供了大量預(yù)置的控制點(diǎn)坐標(biāo)，減少了野外選取控制點(diǎn)的工作量。

獲取活動(dòng)控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)是用免棱鏡全站儀法測(cè)得的測(cè)站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為了測(cè)試活動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要拆卸和測(cè)量?jī)纱?。由于兩個(gè)主動(dòng)控制系統(tǒng)的位置和姿態(tài)發(fā)生變化，測(cè)量的坐標(biāo)不能直接比較，需要將它們轉(zhuǎn)換成活動(dòng)控制坐標(biāo)系。

1.2 活動(dòng)控制系統(tǒng)控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在野外進(jìn)行拍攝時(shí)，活動(dòng)控制架的放置不可能完全恢復(fù)在室內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量時(shí)的狀態(tài)，這就涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

任何兩個(gè)空間坐標(biāo)系都可以通過(guò)三次平移、三次旋轉(zhuǎn)和一次縮放進(jìn)行變換。除了平移、旋轉(zhuǎn)、縮放以生成新的坐標(biāo)系，工業(yè)測(cè)量中常用的還有兩種方法，即軸線對(duì)準(zhǔn)法和最小二乘變換法。本文生成坐標(biāo)系時(shí)采用的是軸線對(duì)準(zhǔn)法[3]。此坐標(biāo)變換的操作可按以下步驟進(jìn)行：

（1）在野外選取一個(gè)地面點(diǎn)做測(cè)站，并假設(shè)該點(diǎn)的坐標(biāo)值，如（0，0，0）。根據(jù)羅盤確定一個(gè)已知方向，也就是以磁北方向?yàn)閄軸。

（2）視需要，在活動(dòng)控制架上選擇三個(gè)控制標(biāo)志A、B、C，它們變換前的坐標(biāo)（室內(nèi)的已測(cè)坐標(biāo)）為，，。

（3）根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)和已知方向，用全站儀測(cè)得A、B、C變換后的坐標(biāo)、、。

（4）用3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)變換前和變換后的兩套坐標(biāo)，解求坐標(biāo)平移量和變換角。

（5）對(duì)所有的其他控制標(biāo)志，按式（2-13）解算變換后的坐標(biāo)，即解算在新坐標(biāo)系S-XYZ中的坐標(biāo)。

經(jīng)過(guò)上述變換得到的以磁北方向?yàn)閄軸的新坐標(biāo)系也就是野外工程坐標(biāo)系，這樣就可以根據(jù)工程坐標(biāo)系下的控制點(diǎn)坐標(biāo)建立邊坡的立體模型，進(jìn)而量測(cè)任意目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中使用的控制架用4根鋁合金水準(zhǔn)尺加工而成。整個(gè)活動(dòng)控制系統(tǒng)為3.2m×3.2m方形，僅重11kg。鋁合金水準(zhǔn)尺手感舒適，結(jié)構(gòu)合理，分劃印制清晰，利用這種水準(zhǔn)尺制作活動(dòng)控制系統(tǒng)攜帶方便，安裝靈活簡(jiǎn)易，再加上鋼制柱形螺栓連接和錐銷固定，整個(gè)架子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息采集的精度要求。巖體邊坡結(jié)構(gòu)面分布不規(guī)則，特征點(diǎn)不易分辨，現(xiàn)場(chǎng)人工做標(biāo)記又不太現(xiàn)實(shí)，水準(zhǔn)尺提供了大量現(xiàn)成的控制標(biāo)志，標(biāo)志黑白分明，清晰易辨，成像效果良好，解決了攝影測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)找控制點(diǎn)的難題，為近景攝影測(cè)量起到了很好的控制作用，大大減少的野外工作量。

2? 活動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 活動(dòng)控制架的設(shè)計(jì)

活動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于近景攝影測(cè)量的有效控制，它適用于被測(cè)目標(biāo)較小、為數(shù)眾多、且目標(biāo)處在不同位置，不宜使用常規(guī)測(cè)量方法在現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)控制的地方[5]。此外，需要經(jīng)常帶到現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行移動(dòng)、搬遷或拆卸。因此，活動(dòng)控制系統(tǒng)的制作應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無(wú)變形、便攜、拆裝快速、控制點(diǎn)標(biāo)記清晰的原則[4]。圍繞著上述特點(diǎn)，本文進(jìn)行了活動(dòng)控制架的設(shè)計(jì)，具體包括選材、形狀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、快速拼裝、控制點(diǎn)標(biāo)志設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

（1）選材。

實(shí)際應(yīng)用中，活動(dòng)控制架需要長(zhǎng)途運(yùn)輸、反復(fù)拆裝，因此材料的選擇應(yīng)本著重量輕、堅(jiān)固不變形的原則。在本次研究中，我們?cè)O(shè)計(jì)的控制架用4根3m鋁合金水準(zhǔn)尺加工而成。

（2）形狀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

活動(dòng)控制架的尺寸和形狀基于便于攜帶和有效控制目標(biāo)的原則，其形狀可以改變。為了保證有效控制區(qū)域的面積，選擇矩形作為移動(dòng)控制框架的基本形狀。直尺兩端采用聚丙烯塑料（該材料輕、硬、不易變形）連接。將塑料連接塊伸入直尺一端，用鋼墊將直尺用螺釘固定，最后將直尺與鋼柱螺栓配對(duì)，采用錐銷強(qiáng)制固定，以保證整個(gè)控制架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）快速拼裝設(shè)計(jì)。

活動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分是快速拼裝設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，活動(dòng)控制架需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸和反復(fù)拆卸，因此快速裝配具有重要意義。

在測(cè)量過(guò)程中，活動(dòng)控制架在自然狀態(tài)下輕支承在物體上，除了自身重力外，不施加外力和壓力。另外，活動(dòng)控制架的左右標(biāo)尺位于上下兩個(gè)標(biāo)尺的下方，巧妙地解決了控制點(diǎn)不在同一平面上的問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)拆裝靈活。在運(yùn)輸過(guò)程中，可將活動(dòng)控制架對(duì)角上的螺栓和四角的錐銷拆開(kāi)，使四把尺子成為兩組尺子。當(dāng)尺子旋轉(zhuǎn)時(shí)，每組的兩把尺子重疊在一起，便于攜帶，一人既能輕松搬動(dòng)。

2.2 控制點(diǎn)的測(cè)量

免棱鏡全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量活動(dòng)控制架控制點(diǎn)坐標(biāo)的步驟如下：

（1）在測(cè)站點(diǎn)B上架設(shè)全站儀，點(diǎn)A上架設(shè)棱鏡;

（2）設(shè)置測(cè)站參數(shù)，假設(shè)測(cè)站B點(diǎn)坐標(biāo)為（100m，100m，100m）;

（3）在棱鏡模式下瞄準(zhǔn)棱鏡定向;

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，在無(wú)合作（免棱鏡）模式下，瞄準(zhǔn)活動(dòng)控制架上控制點(diǎn)，直接測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，并記錄。

2.3 活動(dòng)控制架穩(wěn)定性檢驗(yàn)

采用無(wú)棱鏡全站儀的極坐標(biāo)法測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)活動(dòng)控制架的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了兩次拆裝。但由于主動(dòng)控制架經(jīng)過(guò)兩次拆裝后，其位置和姿態(tài)發(fā)生變化，無(wú)法直接進(jìn)行點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。因此，兩次測(cè)量的站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制框架坐標(biāo)系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法得到的活動(dòng)控制架下控制點(diǎn)坐標(biāo)。

2.4 MATLAB 數(shù)據(jù)處理

為求得出活動(dòng)控制架自身測(cè)量坐標(biāo)系下的各控制點(diǎn)坐標(biāo)。本文采用MATLAB軟件編寫程序并算得轉(zhuǎn)換后的結(jié)果?，F(xiàn)將MATLAB軟件的應(yīng)用數(shù)據(jù)介紹如下：（1）將免棱鏡全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量的活動(dòng)控制架上控制點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入MATBLE，命名為xyz1。（2）在M文件編輯器下編寫程序（%后為解釋說(shuō)明部分，不執(zhí)行運(yùn)算）。（3）在命令窗口輸入xyz1，回車，即可得所求轉(zhuǎn)換坐標(biāo)數(shù)據(jù)，整理后的兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果可以進(jìn)行對(duì)比參照。

本文中，采用免棱鏡全站儀極坐標(biāo)法對(duì)活動(dòng)控制架上的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)兩次拆裝測(cè)量對(duì)活動(dòng)控制架的穩(wěn)定性進(jìn)了檢驗(yàn)。算出平面中誤差為±2mm，高程中誤差為±1.9mm，點(diǎn)位中誤差為±3mm。由此可見(jiàn)，活動(dòng)控制架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形很小，滿足近景攝影測(cè)量方法獲取結(jié)構(gòu)面幾何信息的精度要求。選擇兩次轉(zhuǎn)換后控制點(diǎn)坐標(biāo)的平均值作為活動(dòng)控制架自身坐標(biāo)系下各控制點(diǎn)的坐標(biāo)成果。

3? 活動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的室外檢驗(yàn)

按照室內(nèi)的測(cè)量操作步驟，選取了某采石場(chǎng)在室外進(jìn)行了一次穩(wěn)定性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，以便檢驗(yàn)拼裝的活動(dòng)控制架的穩(wěn)定性。

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地簡(jiǎn)介

本文研究區(qū)為某廢棄采石場(chǎng)，屬丘陵地區(qū)，采石場(chǎng)邊坡上覆蓋第四紀(jì)土壤，巖性為砂巖和凝灰?guī)r，屬于楊家溝二疊系。該區(qū)域年均降雨為622mm，其中60%的雨量集中在6～8月，這期間多暴雨，由于采石，邊坡巖石大量出露，巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石被節(jié)理切割成塊狀，地表水沿裂隙下滲。存在著潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患，容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)問(wèn)題。該采石場(chǎng)共有上、下兩個(gè)臺(tái)地，本次研究的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇下面臺(tái)地的低矮邊坡，邊坡走向?yàn)?37°，高約4m。

3.2 野外工程坐標(biāo)系下活動(dòng)控制架上控制點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

選擇控制點(diǎn)目標(biāo)，首先要明顯易辨，其次尺寸大小應(yīng)利于攝影測(cè)量中瞄準(zhǔn)。為了便于攜帶，活動(dòng)控制架通常設(shè)計(jì)成可以隨時(shí)拆裝的結(jié)構(gòu)。本文所采用的活動(dòng)控制系統(tǒng)是用4根鋁合金水準(zhǔn)尺加工而成的，攜帶輕便，安裝簡(jiǎn)易。野外安裝過(guò)程中要確保4根尺子的相對(duì)位置與設(shè)計(jì)圖紙相一致，柱形螺栓和錐銷一定要擰緊，否則活動(dòng)控制架會(huì)發(fā)生形變，控制點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生變化，解譯結(jié)果也就不準(zhǔn)確。之后，就可以將活動(dòng)控制系統(tǒng)在自由狀態(tài)下停靠在被測(cè)邊坡前，注意巖體結(jié)構(gòu)面盡可能多的包含在活動(dòng)控制架所包圍范圍內(nèi)。

控制點(diǎn)的數(shù)量由5位數(shù)組成，萬(wàn)位上數(shù)字代表標(biāo)尺編號(hào)。例如，21500控制點(diǎn)是2號(hào)尺上“E”讀數(shù)1500的角點(diǎn)。在野外，儀器架設(shè)在土質(zhì)堅(jiān)硬、視野開(kāi)闊的地方，用羅盤向任一方向定向。這樣就形成了現(xiàn)場(chǎng)野外工程坐標(biāo)系，可以測(cè)量活動(dòng)控制架上任意3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。利用這3個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)和活動(dòng)控制架本身的坐標(biāo)，得到這兩個(gè)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了檢驗(yàn)移動(dòng)控制架在野外測(cè)量中的穩(wěn)定性，本研究在野外測(cè)量了更多的控制點(diǎn)，并與坐標(biāo)變換得到的坐標(biāo)進(jìn)行了比較。根據(jù)比較的結(jié)果可以算出野外環(huán)境下，活動(dòng)控制架的變形也很小，點(diǎn)位中誤差為±3.3mm。由此可以計(jì)算出該模型的坐標(biāo)精度以及點(diǎn)位精度：mx=±0.009m，my=±0.007m，mz=±0.002m，m點(diǎn)=±0.012m。表明該活動(dòng)控制架可以用于近景攝影測(cè)量的控制。

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