铁路工点地形近景摄影测量系统的误差改进研究

邓继伟　赵　文　周文明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG Jiwei　ZHAO Wen　ZHOU Wenming

铁路工点地形近景摄影测量系统的误差改进研究

邓继伟赵文周文明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

The Error Improvement of Railway Worksite Terrain Digital Photogrammetry Measurement System

DENG JiweiZHAO WenZHOU Wenming

摘要介绍铁三院自主研制的铁路工点近景摄影测量系统，该系统采用无控制点支持的近景摄影测量方法对铁路工点(隧道洞口)进行近景摄影测量，获取工点的等高线图和数字模型。针对该近景摄影测量数据获取的方式，分析原始数据获取的误差来源，并在此基础上进行平差算法和平差程序的研发，最终获取高精度的立体像对定向元素。

关键词近景摄影测量铁路工点地形测量误差

铁路工点(隧道洞口等)地形测量一直是铁路勘测过程中的难点，在传统的测量方法中，可使用全站仪进行全野外测量，也可使用非量测数码相机按近景摄影测量方法实现洞口测量[1]。目前我院使用的铁路工点地形近景摄影测量系统包括由我院自主研发、集成了经纬仪与普通非量测数码相机的硬件设备，以及包括相机检校、影像畸变校正及外业数据录入等功能的软件系统。系统采用普通数码相机(非量测相机)进行无需控制点的近景摄影测量，将先进的近景摄影测量技术应用于工点地形测量，有效解决了陡峭地形工点的测量难题。无需控制点的近景摄影测量是一种先进可行的地形测量技术，代表着局域地形测量的一个发展方向。

由于经纬仪与相机之间的固定不是绝对紧密，以及人为读数时会存在偶然误差，测区内不同测站之间以及同测站不同影像之间，角度会存在一定误差，从而造成恢复定向时存在上下视差，给立体恢复带来很大不便，影响地形图测绘精度。因此，如何最大限度消除该误差，是该近景摄影测量系统数据后处理亟需解决的问题。

1关键技术

1.1　数字近景摄影测量系统原理及组成

系统采用近景摄影测量原理，由相机检校获取普通数码相机的内方位元素和系统改正参数，实现数字影像的内定向；由经纬仪获取摄影测量像对的定向元素，在没有控制点支持的情况下，实现摄影测量的相对、绝对定向；在定向基础上，由摄影测量工作站软件直接使用定向参数进行摄影测量数据加工，获得工点等目标对象的等高线图和数字模型。

系统的硬件是由普通数码相机(非量测相机)、Leica T2经纬仪、安装支架及三脚架等四部分组成，如图1所示。系统的信息处理流程是由检校工程、图像拍摄及摄影测量处理等三部分组成，具体作业流程如图2所示。

图1　近景摄影测量系统硬件

图2　系统的信息处理流程

1.2　数字影像共线方程表达

数字近景摄影测量中，由于直接使用数字图像，其原始像点观测值为数字图像坐标，因此其共线方程与传统的共线方程有一定差异，共线方程[3][5]如式(1)所示

(Rows-v-v0+Δv)·ky=

(1)

式中：ky为像素纵横大小比即dy/dx，一般相机可以直接取1；f为像主距，如果将f/dx看做新的主距，其值表示主距的长度相当于多少个像素的大小；ai，bi，ci(i=1，2，3)为旋转矩阵元素，是外方位角元素(φ，ω，κ)的函数；(XS，YS，ZS)为摄站点空间坐标；(X，Y，Z)为目标点的物方空间坐标；(Δu，Δv)为像点坐标的系统误差改正数。

在本模型中仅考虑了相机的镜头畸变差改正系数，镜头畸变差改正模型表示为

(2)

1.3　基于空间后方交会的数码相机检校

系统检校功能包括相机检校和相对关系检校。相机检校功能用于检定普通非量测数码相机，得到相机的内方位元素(主点、主距)和成像系统改正参数(镜头畸变差改正系数)；相对关系检校用于检定相机主光轴与经纬仪视准轴之间的相对姿态关系参数。

检校过程中，需分别架设两个摄影点，构成摄影基线，每次拍摄检校相片时，都应记录经纬仪测量得到的当前位置与基线之间的水平角以及当前垂直角。

检校相片拍摄完成后，使用相机检校软件处理检校相片，对相机进行检校。由于所有相片都由同一相机拍摄得到，相机的内方位元素和镜头畸变差改正系数应保持不变，所以在检校计算过程中，使用多片空间后方交会进行解算。

经检校，得到相机的内方位元素、镜头畸变差改正系数以及相机相对于经纬仪视准轴的姿态角元素。

2软件设计与实现

2.1　软件设计思路及工程建立

首先，新建工程，将外业拍摄影像、基站及检查点坐标及影像角度观测值编缉导入工程；其次，检查影像拍摄质量，对拍摄角度值进行偏差改正；最后，导出定向文件，在摄影测量软件中进行立体检核，检核无误后整理输出精确定向元素。数据后处理软件设计思路及软件工程建立界面如图3所示。

图3　数据后处理软件设计思路

2.2　观测角度偏差改正

每一摄站在开始拍照前，将经纬仪瞄准某个明显目标(控制标或者明显地物)并拍照，记录像片号、经纬仪水平角、天顶角。数据后处理时，在检校片中量取经纬仪瞄准目标的像平面坐标，并输入距目标的距离，软件自动计算影像观测平角立角的偏差改正值(如图4所示)。

图4　观察角度偏差改正

2.3　定向文件输出及数据检核

根据立体测图软件的接口需求，导出相应格式的定向文件。

使用第三方摄影测量软件(如LPS)逐基线建立工程，通过检校片检查绝对精度(立体量测坐标与实际坐标相比较，重点检查景深方向误差)；要求X、Y轴方向误差均小于2个像素(或<8 cm)，景深方向误差小于6个像素(或<20 cm)。

通过同一站相邻片重叠区域的符合情况检查外业拍照及数据记录精度。要求同站内相邻影像同名点偏差不超过1.5个像素。

3试验分析

利用检校场对系统进行精密检校，数据后处理时对试验区拍摄数据进行角度偏差改正，然后利用该影像进行前方交会实验，在立体模式下量测检查点物方坐标。将相片前方交会量测坐标与检查点全站仪量测坐标进行对比，精度统计如表1所示。

表1　地形检查点坐标精度统计

对比24个地形点，立体量测平面中误差为0.01 m左右，高程中误差0.007 m左右，达到了较高的精度，可满足1∶500比例尺工点地形测绘的关于山地平面位置中误差0.4 m、高程中误差0.5 m[6]精度要求。

4结束语

通过基于空间后方交会的数码相机检校和观测角度偏差改正后，立体定向元素达到了较高的精度，可满足工点地形测绘的精度要求。在面对陡峭的工点地形时，采用无需控制点的近景摄影测量方法，无需在待测区域架设测量标志，无需攀爬陡峭山体；在大幅提高工作效率的同时，有效降低了外业作业的安全隐患。

参考文献

[1]韩祖杰.铁路工点地形数字摄影测量的研究[J].计算机光盘软件与应用，2011(3):107-108

[2]张祖勋.数字摄影测量与计算机视觉[J].武汉大学学报：信息科学版，2004，29(12)：1035-1039

[3]张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社， 2003

[4]柯涛，张祖勋，张剑清.旋转多基线数字近景摄影测量[J].武汉大学学报：信息科学版，2009，34(1):44-47

[5]GB/T12979—2008近景摄影测量规范[S]

[6]王长进.基于数码相机的地面摄影测量在工点测绘中的应用[J].铁道勘察，2005，31(1):47-48

[7]陈大春，陈以军.多基线数字近景摄影测量技术在铁路勘测中的应用研究[J].铁道勘察，2009，35(5):43-45

[8]胡开全，王阳生，罗强，等.基于多基线数字近景摄影测量测制1∶500地形图的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2010，33(1):183-185

[9]黄淑艳，孙芳.一种简易近景无加密立体测量方式的研究[J].测绘与空间地理信息，2008，31(4):57-59

[10]陈信华，林修锬，周苏.基于数字近景摄影测量的三维建模与虚拟现实技术[J].铁道勘察，2006，32(5):25-28

中图分类号：P234.1

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0018-03

作者简介：第一邓继伟(1986—)，男，2010年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，工程师。

基金项目：铁道第三勘察设计院集团有限公司基金支撑项目(921316)

收稿日期：2015-05-04