本文關(guān)鍵詞：非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)在工程中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)在工程中的應(yīng)用

[摘要]廉價(jià)而實(shí)用的普通數(shù)碼相機(jī)、電子相片和測(cè)量軟件系統(tǒng)等使近景攝影測(cè)量在工程應(yīng)用中更加方便、可行。為了增強(qiáng)公眾對(duì)這種非接觸、無損測(cè)量技術(shù)在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用情況的了解，文章簡(jiǎn)要回顧了近景攝影測(cè)量的研究應(yīng)用歷史和現(xiàn)狀，描述了它在工程變形測(cè)量，幾何測(cè)量，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量；線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；橋梁裂縫監(jiān)測(cè)；

一、近景攝影測(cè)量原理

（一）近景攝影的定義

近景攝影測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，原則上來講，凡是可獲取影像的各類目標(biāo)，都可以使用近景攝影測(cè)量的相關(guān)技術(shù)，在某種精度上來測(cè)定它的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。如汽車外殼形狀的測(cè)定，大型機(jī)械部件加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量的檢查，水利工程模型的量測(cè)，爆破量的計(jì)算，爆破過程的演示，各類建筑物的變形觀測(cè)等；生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量則包括動(dòng)物軀體的外形測(cè)量，生物發(fā)育全過程的記錄，以及對(duì)醫(yī)學(xué)內(nèi)科、外科、牙科、眼科、骨傷科、矯形科的臨床診斷提供量測(cè)技術(shù)，配合 X 光立體攝影量測(cè)體內(nèi)異物或病灶的位置等；建筑攝影測(cè)量包括亭臺(tái)樓閣等古老建筑或石窟雕琢的等值線圖、立面圖、平面圖的制作，可用于古跡遺址的發(fā)掘和歷史文物的復(fù)制等。據(jù)世界各國(guó)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用情況的不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在幾乎找不到未使用近景攝影測(cè)量的行業(yè)。

（二）近景攝影的用途

攝影測(cè)量學(xué)的主要研究課題是如何根據(jù)平面像點(diǎn)坐標(biāo)求解相應(yīng)的空間立體坐標(biāo)（平面坐標(biāo)和高程），這個(gè)過程就需要知道攝影中心與像片平面的相對(duì)位置和攝影瞬間攝影機(jī)的空間位置，這樣就可以建立像素坐標(biāo)點(diǎn)和被攝物體相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)之間相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)行坐標(biāo)求解。攝影測(cè)量的過程實(shí)際上就是攝影過程的逆過程，它將二維平面圖像像點(diǎn)坐標(biāo)重新映射到三維立體世界坐標(biāo)里，還原被攝物體的立體形狀。為了實(shí)現(xiàn)重構(gòu)三維立體影像這個(gè)過程，根據(jù)雙像立體視覺原理，一般情況下至少需要兩幅不同角度拍攝的相片才可以完成。

二、攝影測(cè)量在隧道內(nèi)空收斂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

通過對(duì)控制點(diǎn)坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中考慮相機(jī)鏡頭畸變進(jìn)行畸變校正，大大提高了測(cè)量精度，并將這種方法在隧道內(nèi)空收斂之中進(jìn)行試驗(yàn)，與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，得到了較好的測(cè)量效果。

（一）試驗(yàn)隧道工程概況

重慶市軌道交通一號(hào)線為重慶市軌道交通網(wǎng)中的一條骨干線路，該線路起于朝天門站，終點(diǎn)為沙坪壩站，全長(zhǎng) 16.5 km。本次試驗(yàn)區(qū)段為馬家?guī)r停車場(chǎng)出入線隧道工程，線路整體呈八字形布置，分別連接于兩地下站，即高廟村站（左線）和馬家?guī)r（右線）。受場(chǎng)地和正線線路控制，兩條出入場(chǎng)線在并行以后有一段半徑為 154.8m 的大曲線，該曲線從車場(chǎng)南面大川建材市場(chǎng) C 棟、D 棟高層建筑之間（樁板式擋土墻）地下穿過。全線均為馬蹄形斷面，按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌暗挖結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工。

隧道埋深 7～107m,除進(jìn)洞加強(qiáng)段及下穿既有天馬路段為淺埋隧道外，其余均為深埋隧道。穿越巖層主要為砂質(zhì)泥巖及夾薄層砂巖，除進(jìn)洞口段為Ⅵ級(jí)圍巖外，其余段均為Ⅳ級(jí)圍巖。線路行經(jīng)地段地質(zhì)條件和環(huán)境條件復(fù)雜，地面建筑較多為老舊樓房，特別是在洞頂埋深較小地段，隧道施工對(duì)其有一定影響。

（二）測(cè)量的目的及意義

在隧道新奧法施工中，監(jiān)控量測(cè)是必不可少的重要工作，施工時(shí)按照《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50299-1999)的有關(guān)規(guī)定必須進(jìn)行隧道周邊位移和拱頂下沉以及其它一些必要項(xiàng)目的量測(cè)工作。它可以彌補(bǔ)施工前地質(zhì)信息不足所帶來的缺陷，達(dá)到設(shè)計(jì)與施工同時(shí)并舉，從而正確地確定開挖方法、噴錨支護(hù)參數(shù)以及永久支護(hù)的施工時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)。

據(jù)此，在以新奧法施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)新技術(shù)、新方法、新工藝的綜合應(yīng)用；通過隧道開挖目測(cè)圍巖地質(zhì)狀況和實(shí)測(cè)的有關(guān)變位信息以及承載體系的受力狀態(tài)，為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的依據(jù)；根據(jù)變位速度判斷隧道圍巖穩(wěn)定程度，并為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，從而確保工程質(zhì)量與施工安全。因此，對(duì)馬家?guī)r停車場(chǎng)出入段線段隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是非常必要的，通過該項(xiàng)工作能及時(shí)地為調(diào)整、修改設(shè)計(jì)和施工方法等提供科學(xué)參考依據(jù)，有效地避免塌方等工程事故。隧道周邊水平收斂和拱頂下沉量測(cè)目的:

①通過量測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)，判斷施工和設(shè)計(jì)的合理性和安全性，判斷初期支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方法是否穩(wěn)妥，并為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)；

②根據(jù)圍巖位移狀態(tài)曲線判定圍巖類別；

③為判斷隧道穩(wěn)定性提供可靠信息。

（三）常用測(cè)量方法

①傳統(tǒng)的便攜式斷面測(cè)量一般采用鋼尺收斂計(jì)進(jìn)行量測(cè)，鋼尺式收斂計(jì)是便攜式機(jī)械式位移監(jiān)測(cè)儀器，由百分表、鋼尺、恒力彈簧、調(diào)節(jié)裝置等部件組成，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊合理、操作方便、可直接讀數(shù)測(cè)值而被廣泛應(yīng)用于隧道斷面變形監(jiān)測(cè)中。具體測(cè)量方法是將鋼尺兩端的掛鉤分別掛在兩個(gè)測(cè)樁上，收緊鋼尺，將銷釘插入鋼尺上適當(dāng)?shù)男】變?nèi)，用卡鉤固定住鋼尺，然后轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母，使鋼尺收緊到觀測(cè)窗中的讀數(shù)與面板上刻度線成一直線為止，讀取鋼尺和百分表中的數(shù)值，相加就是兩測(cè)點(diǎn)間的距離，盡管收斂計(jì)本身的精度很高，但是在實(shí)施

測(cè)量的過程中，容易受到現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)備安置等各方面因素的影響，存在效率低、選點(diǎn)位置和人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大、可靠性差等缺點(diǎn)。因?yàn)橥ǔＫ淼罃嗝娴闹睆奖容^大，往往需要借助梯子、竹竿等工具來進(jìn)行測(cè)量，隧道斷面較大時(shí)，要用很長(zhǎng)的時(shí)間才可以用竹竿掛到隧道斷面上，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，基本上不可能在同一斷面上設(shè)置較多的測(cè)點(diǎn)，且容易受到施工干擾也會(huì)干擾隧道內(nèi)的其它施工。且這種方法只能測(cè)量隧道斷面上各測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)距離，無法獲得隧道周邊各點(diǎn)的三維變化情況，局限性比較強(qiáng)。

②電子測(cè)距儀測(cè)量法最初是以全站儀為主要設(shè)備來實(shí)現(xiàn)隧道斷面三維變形量測(cè)的，近年來如極坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備及后處理系統(tǒng)、三維激光掃描測(cè)量及后處理系統(tǒng)、高性能免棱鏡全站儀及后處理系統(tǒng)等大大提高了隧道斷面測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)了從交會(huì)方法到極坐標(biāo)法的轉(zhuǎn)變。

在交會(huì)階段，方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精度高，儀器價(jià)格也便宜，但是數(shù)據(jù)處理速度慢，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，影響隧道內(nèi)正常施工；在極坐標(biāo)階段，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，時(shí)間較短，但是儀器價(jià)格昂貴，操作維護(hù)都比較復(fù)雜，需要專門的軟件和專業(yè)人員來進(jìn)行操作，是一般施工單位無法承受的，通過激光測(cè)距光束對(duì)隧道內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)距及測(cè)角，就可以得到隧道輪廓一個(gè)點(diǎn)的三維極坐標(biāo)值。

三、實(shí)驗(yàn)流程分析

由于隧道在施工過程中內(nèi)部光線不足，粉塵嚴(yán)重，施測(cè)空間窄小，測(cè)量中所受干擾大（施工機(jī)械等施工設(shè)備的影響），所以當(dāng)采用攝影手段來獲取控制點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)的位置時(shí)要注意：1)攝影過程中，選擇測(cè)點(diǎn)位置、坐標(biāo)系位置和攝影測(cè)站位置應(yīng)注意要避開屏障，同時(shí)要注意防止攝影死角的出現(xiàn)，像片應(yīng)覆蓋整個(gè)攝影區(qū)域，以保證像點(diǎn)的完全清晰展現(xiàn)和避免特征點(diǎn)在一張像片上有，，而另外一張像片上就沒有的現(xiàn)象出現(xiàn)；2)進(jìn)行左右像片的拍攝作業(yè)時(shí)，使兩片都覆蓋目標(biāo)區(qū)域，并使拍攝距離適當(dāng)（距離太近，隧道壁變形太大，不利于匹配，降低精度；距離太遠(yuǎn)，導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域分辨率過低，也不利于結(jié)果精度）。

環(huán)境條件不同，會(huì)造成光線條件也就不同，所以在拍攝像片進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)要注意因地制宜，結(jié)合所測(cè)量地方的環(huán)境情況來選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)點(diǎn)位置、坐標(biāo)系位置和攝影測(cè)站位置來進(jìn)行拍攝，進(jìn)而得到適合進(jìn)行后期處理的像片。試驗(yàn)流程如下：

① 在將要測(cè)量的隧道斷面布置測(cè)點(diǎn)標(biāo)志；

② 在要測(cè)量的隧道斷面前方不遠(yuǎn)處用三腳架擺放坐標(biāo)系統(tǒng)（如果太遠(yuǎn)，會(huì)降低測(cè)量精度；太近又不足以拍攝下整個(gè)量測(cè)斷面)；

③ 鎖定相機(jī)焦距且在拍攝全程不得改變相機(jī)焦距(焦距改變，會(huì)改變相機(jī)內(nèi)參，進(jìn)而影響量測(cè)結(jié)果)，仔細(xì)調(diào)整相機(jī)和坐標(biāo)系的位置與朝向，以達(dá)到較好的拍攝效果，然后對(duì)目標(biāo)斷面左、右(雙目系統(tǒng)進(jìn)行解析)前方分別進(jìn)行斷面立面攝影；

④ 進(jìn)行數(shù)字圖像處理圖像，確定坐標(biāo)系控制網(wǎng)格點(diǎn)測(cè)點(diǎn)像素坐標(biāo)；

⑤ 對(duì)各控制坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)像素進(jìn)行鏡頭畸變校正；

⑥ 利用校正后的控制坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)像素坐標(biāo)和物方坐標(biāo)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；

⑦ 利用已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別量測(cè)測(cè)點(diǎn) 1~2、2~3 之間的距離。

結(jié)論

本文由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，只是在工程檢測(cè)中應(yīng)用近景攝影測(cè)量試驗(yàn)，沒有形成軟件或處理系統(tǒng)，在圖形特征點(diǎn)自動(dòng)匹配方面，還有很長(zhǎng)的路要走。由于土木工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性以及不確定性，近景攝影測(cè)量這個(gè)課題在理論、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程應(yīng)用方面都還稱不上一個(gè)已經(jīng)完全被解決了的問題，所以在本文的基礎(chǔ)上，仍有許多工作值得進(jìn)一步研究。小清新文章來源——海內(nèi)論壇:

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