system: [SYSTEM]

user: 2. MetroIn_DPM系统用于远距离测量的可行性论证 MetroIn_DPM系统主要用于近距离摄影测量。由于加油站罩棚边缘距离支柱有5~6 m远，且加油站罩棚有8 m高。为了可以同时拍到支柱及罩棚点，必须进行远距离拍摄。在远距离拍摄条件下该系统能否满足监测的精度要求，为此首先在实验室内进行了方案的可行性实验。实验内容包括：1) MetroIn_DPM摄影测量系统在不同拍摄距离下的曝光度调节测试；2) 同时采用Leica的TM5100A经纬仪测量系统及MetroIn_DPM摄影测量系统进行测量，对MetroIn_DPM系统的测量精度进行对比分析。 2.1. 实验场地测量点的布设 将圆形测量点标志和点状编码标志粘贴在实验室内凹凸面墙上，在实验墙上分5列共粘贴30个编码标志，50个圆形测量点标志(见图1所示)。30个编码标志的空间分布位置见图2。 由于编码标志作为不同像片之间的公共点，以实现不同像片的拼接，两张照片至少有6个公共编码标志，所以拍摄时各编码标志粘贴的距离不能太大。回光反射标志都是非常规则的圆形，在实验中，可将反光标志同时作为Axyz/MTM工业测量系统的测量点使用，另外编码标志是多个点的点集，摄影测量中识别解算的点是标志中心圆点的坐标，所以经纬仪测量系统应瞄准编码标志中间圆点的中心进行测量。 2.2. 闪光灯照度、相机光圈及快门速度与拍摄距离关系的测试 获得满足要求的高质量像片的关键是掌握好曝光强度，因此在对测量对象进行拍摄时，必须根据 图1. 粘贴反光标志的实验墙 图2. 30个编码标志的空间分布图 距离的远近、周围环境的亮度进行闪光灯照度、相机光圈及快门速度的调节，获得最佳曝光强度，从而获取高质量的像片。本次实验分别在距离实验墙4~5 m、10~12 m处进行拍摄，测试在不同位置的最佳闪光灯照度、相机光圈及快门速度。 实验中在不同拍摄距离时，分别将闪光灯照度设置为1/1、1/2、1/4、1/8四个等级，快门速度分1/200、1/320、1/400三个等级，并选取不同的光圈进行拍摄。依据像片的曝光强度选取最佳的组合方案。由于MetroIn_DPM系统是通过拍摄编码标志、回光反射标志及定向靶的反光影像，经图像识别出各反光点的中心，然后解算出各点三维坐标。其对各反光点的识别精度取决于反光点影像的灰度值。而影像中反光点的灰度值的大小主要取决于闪光灯照度、相机光圈及快门速度。通过实验发现，在近距离拍摄时，外部光线亮度对拍摄质量影响不大。但在白天进行远距离拍摄时，外部光亮对拍摄影像的质量影响较大。由于天气的阴晴，室内亮度变化较大，拍摄时反光点的反射强度难以控制。为减小外部光线的影响，拍摄时间改在晚上进行，取得了很好的效果。 另外通过对像片的处理发现，过低的曝光强度使得像片内像点灰度值较低，导致软件无法识别反光标志和定向靶。而曝光强度过高会导致编码标志中的反光点相连或间距太小，以及定向靶圆环以实心圆形显示，而无法准确识别编码标志和定向靶，致使像片无法定向。 当近距离拍摄时，可使用焦距较短的定焦镜头，相机的光圈数值设置在2左右，可通过调节快门速度和闪光灯照度控制曝光强度。随着拍摄距离的增大，数码相机应更换焦距略大些的定焦镜头，如MetroIn_DPM数字近景工业摄影测量系统原配定焦镜头焦距为30 mm，在拍摄距离增大为20 m时，应更换为焦距为50 mm以上的定焦镜头。当拍摄对象在纵深方向变化较大时，光圈数值应适当加大(如5.6以上)，并增加闪光灯照度，减小快门速度，使拍摄的景深加大，确保在纵深方向的各目标点成像清晰。表1给出了实验中各拍摄位置最佳曝光强度时的闪光灯照度及快门速度。 2.3. 摄影测量结果的对比及精度分析 拍摄时在平行于墙体的水平方向设置3个拍摄位置，在每个水平位置借助升降梯在竖直方向设置3个拍摄位置进行拍摄。为确保像片的重合度，在每个拍摄位置均按上、下、左、右、中五个方向进行拍摄。采用MetroIn_DPM软件对拍摄的像片进行处理解算，获得各目标点在各自坐标系下的三维坐标及精度。表2给出了不同拍摄距离部分目标点解算结果及精度，在拍摄距离为4~5 m时，目标点的平均点位误差为0.061 mm，最大点位误差为0.077 mm。在拍摄距离为10~12 m时，目标点的平均点位误差为0.081 mm，最大点位误差为0.119 mm。 利用公共点将拍摄距离为10~12 m时解算的测量点坐标转换到拍摄距离为4~5 m时解算的测量坐标系下，在同一坐标系下两次测得坐标对比结果见表3。由表3可知，在同一个坐标系下两次解算坐标的最大差值为0.2819 mm，RMS最大值为0.2030 mm。说明MetroIn_DPM摄影测量系统在不同位置拍摄解算结果是比较稳定的。 2.4. MetroIn_DPM系统及Axyz/MTM系统测量结果的对比 由于首次将MetroIn_DPM工业摄影测量系统应用于拍摄距离较远的测量对象，因此需要在实验室内进行多项实验来验证其应用于该工程项目的可行性。Axyz/MTM工业测量系统点位测量精度可达1‰∙mm，并且其测量的稳定性较好，已广泛应用于多种工程项目 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 。因此使用Axyz/MTM经纬仪工业测量系统分两次对各目标点进行了测量，并通过坐标转换与MetroIn_DPM系统测量结果进行了对比。 Table 1 The best exposure conditions and the gray values obtained in different location 拍摄位置 闪光灯照度 相机快门速度 光圈数值 测量点最大灰度值 测量点平均灰度值 4~5 m处 1/4 1/320 2 201 138 10~12 m处 1/2 1/200 4 181 127 表1. 不同位置拍摄最佳曝光条件及获取的灰度值 Table 2 Results of partial solutions taken in different location 点号 4~5 m处拍摄解算坐标 精度 (mm) 10~12 m处拍摄解算坐标 精度 (mm) X (mm) Y (mm) Z (mm) X (mm) Y (mm) Z (mm) 1 18.9800 3104.1560 990.3580 0.0660 163.3010 2965.2640 1367.4420 0.1110 2 −22.6000 1668.2760 430.5300 0.0630 141.3280 1601.1320 649.3360 0.1070 3 2336.2480 3251.6000 1329.0500 0.0600 2470.9990 3074.5740 1781.5940 0.0830 4 2327.7020 1639.7240 773.3380 0.0600 2482.4740 1535.0950 1048.7920 0.1030 5 2295.7490 335.9600 325.0500 0.0560 2466.5460 289.9760 456.1130 0.0870 6 −2144.5640 1691.9690 1116.0420 0.0760 −1998.0440 1546.7300 1276.9230 0.1190 7 234.7820 2907.1260 906.1620 0.0610 381.8970 2778.8260 1267.6560 0.0760 8 −5.8990 2343.9490 659.9530 0.0610 149.7250 2246.7220 953.5580 0.0770 9 −11.7690 1944.5620 522.3220 0.0610 148.8560 1865.3730 771.9280 0.0770 10 133.2970 1544.8990 375.8640 0.0610 299.0660 1484.6570 585.4020 0.0780 11 −23.0480 1271.3160 294.5360 0.0610 145.8240 1221.9140 469.7950 0.0770 12 −38.0620 938.7580 181.3990 0.0610 134.8630 904.1340 319.6360 0.0780 13 186.7540 165.8480 −102.9300 0.0630 369.7420 168.1080 −43.5320 0.0810 14 2339.7790 2493.9490 1071.8980 0.0560 2483.8410 2350.4780 1441.4610 0.0700 15 2328.6470 1063.2530 581.5850 0.0540 2490.2550 983.8280 793.6480 0.0710 16 2379.7390 838.6000 497.4200 0.0540 2544.2090 770.0120 686.1100 0.0710 17 2327.7760 567.4000 413.1090 0.0570 2495.4360 510.0130 570.6220 0.0720 18 2615.7290 −34.8810 173.5850 0.0670 2791.6670 −61.3270 272.4530 0.0750 19 2337.4520 3741.1430 1489.7160 0.0770 2466.4510 3542.9920 1996.2700 0.0730 20 2575.4290 3309.3760 1337.9460 0.0610 2709.7780 3131.0020 1803.4590 0.0720 最大值 0.0770 最大值 0.1190 平均值 0.0610 平均值 0.0810 表2. 不同位置拍摄的部分解算结果 表4为Axyz/MTM经纬仪工业测量系统两次的测量结果。目标点的平均点位误差为0.0301 mm，最大点位误差为0.0471 mm。 将经纬仪测量系统两次测得的测量点坐标通过公共点转换后得到两组观测数据的差值见表5。 表4和表5表明经纬仪测量系统测量的点位误差均小于0.05 mm，两次测量的各坐标差值基本小于0.1 mm，两次测量结果的差值的RMS为0.0448 mm。说明经纬仪测量系统测量稳定性是比较高的。 用Axyz软件的坐标转换模块将摄影测量系统测得的点坐标转换到经纬仪测量系统坐标下，转换后坐标的差值见表6。表中数据表明两套测量系统转换到同一坐标系下的坐标差值的RMS平均值为0.1662 mm，RMS最大值为0.3558 mm。通过上述检验表明，MetroIn_DPM系统在较远距离拍摄的精度完全可以满足建构筑物监测工程的精度要求。