一種網(wǎng)架單元拼裝精度快速自動(dòng)化攝影測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自動(dòng)化攝影測(cè)量方法，尤其涉及一種網(wǎng)架單元拼裝精度快速自動(dòng) 化攝影測(cè)量方法，屬于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因其受力合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型新 穎，已成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的一種代表性屋面結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，由于部分網(wǎng)架空間造型復(fù) 雜，對(duì)網(wǎng)架的拼裝及安裝精度提出了較高要求，相應(yīng)對(duì)測(cè)量方案也提出較高要求。當(dāng)前，基 于經(jīng)煒儀、全站儀、激光跟蹤儀GPS等構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)由于自身局限性與網(wǎng)架單元測(cè)量的 特殊要求，無(wú)法滿足高精度快速測(cè)量的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種采用以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為技術(shù) 支撐的測(cè)量方案，對(duì)網(wǎng)架單元進(jìn)行測(cè)量，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法除具有測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)，自動(dòng) 化程度高；采用多測(cè)站，有較多的多余觀測(cè)量，成果的可靠性高；可在惡劣環(huán)境中工作的一 種網(wǎng)架單元拼裝精度快速自動(dòng)化攝影測(cè)量方法。
[0004] 本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：
[0005] -種網(wǎng)架單元拼裝精度快速自動(dòng)化攝影測(cè)量方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0006] (一）、自動(dòng)化攝影測(cè)量系統(tǒng)硬件操作方法：
[0007] 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的硬件模塊包括攝影測(cè)量單元系統(tǒng)、運(yùn)載單元系統(tǒng)及人工標(biāo)志；
[0008] (1)、攝影測(cè)量單元系統(tǒng)包括相機(jī)、光源、無(wú)線傳輸設(shè)備、基準(zhǔn)尺、濾光片、控制器， 主要用來(lái)圖像采集；
[0009] 1)、根據(jù)網(wǎng)架單元測(cè)量精度要求、測(cè)量效率要求與野外測(cè)量的實(shí)際情況，測(cè)量相機(jī) 選用Imperx工業(yè)測(cè)量相機(jī)，具有較好的通信接口、實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)相機(jī)的實(shí)時(shí)控制、較高的采 樣頻率，適用野外現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量環(huán)境；
[0010] 測(cè)量相機(jī)使用環(huán)形閃光LED燈作為測(cè)量光源，光效達(dá)50~200流明/瓦，可以實(shí) 現(xiàn)長(zhǎng)亮和頻閃兩種功能；為保證相機(jī)的安全長(zhǎng)時(shí)間使用，采用密閉小艙對(duì)相機(jī)進(jìn)行密封；
[0011] 2)、在基準(zhǔn)尺上添加編碼點(diǎn)用于識(shí)別基準(zhǔn)尺，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別，保證測(cè)量數(shù)據(jù)基準(zhǔn) 與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)，本方案以一根基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度作為基準(zhǔn)，計(jì)算另一個(gè)基準(zhǔn)尺上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的 距離，和基準(zhǔn)長(zhǎng)度做比較，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的絕對(duì)測(cè)量精度，其計(jì)算公式如下：
[0012]
[0013] (2)、運(yùn)載單元系統(tǒng)是相機(jī)的搭載工具，通過(guò)PLC來(lái)控制相機(jī)按照指定軌跡穩(wěn)定移 動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量；
[0014] (3)、人工標(biāo)志主要作為圖像拼接點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)存在，攝影測(cè)量編碼標(biāo)志盡量均勻放 置在網(wǎng)架的邊緣球節(jié)點(diǎn)周?chē)恢?，編碼標(biāo)志間距為800mm，保證每張圖像能夠盡可能多的 匹配到其余影像，攝影標(biāo)志采用測(cè)量工裝，放置在所測(cè)網(wǎng)架單元的上弦球節(jié)點(diǎn)法向中心孔 上；
[0015] (二）、自動(dòng)化攝影測(cè)量系統(tǒng)軟件的操作方法：
[0016] 自動(dòng)化攝影測(cè)量系統(tǒng)的軟件模塊包括：攝影標(biāo)志識(shí)別與高精度定位、編碼標(biāo)志識(shí) 另IJ、圖像可靠性拼接匹配、自檢校光束法平差三維數(shù)據(jù)解算；
[0017] (1)、采用canny算子確定圖像中攝影標(biāo)志點(diǎn)的邊緣；根據(jù)邊緣信息，對(duì)圖像中攝 影標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行判斷識(shí)別；識(shí)別后，采用橢圓擬合法進(jìn)行攝影標(biāo)志的高精度定位，平面橢圓 的解析表達(dá)式為：
[0018] Ax2+2Bxy+Cyz+2Dx+2Ey+l = 0
[0019] 當(dāng)邊緣點(diǎn)數(shù)很多時(shí)可利用最小二乘橢圓擬合求得橢圓方程的系數(shù)A、B、C、D和E， 根據(jù)橢圓方程系數(shù)可計(jì)算出橢圓的5個(gè)參數(shù)，計(jì)算公式如下：
[0020]
[0021]
[0022] 式中：(x。，y。）為擬合橢圓中心坐標(biāo)，Θ為長(zhǎng)半軸與圖像坐標(biāo)系X軸夾角；根據(jù)上 式得到的參數(shù)可以求出橢圓的長(zhǎng)、短半軸PJP P 2，分別為：
[0023]
[0024] 為了抑制圖像噪聲的影響，提高定位精度，可對(duì)邊界進(jìn)行多次擬合，即第一次擬合 后，將每個(gè)邊界點(diǎn)代入上式，計(jì)算殘差，然后將殘差較大的一部分點(diǎn)剔除，再對(duì)剩余的點(diǎn)進(jìn) 行二次橢圓擬合，該過(guò)程可以重復(fù)若干次，直到均方差小于某一閾值為止，這樣就自動(dòng)化完 成了測(cè)量點(diǎn)在圖像中識(shí)別與定位；；
[0025] (2)、使用交比不變性特性，對(duì)基準(zhǔn)尺上的編碼點(diǎn)及用于圖像匹配的編碼點(diǎn)進(jìn)行自 動(dòng)化識(shí)別，模板點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)分別為：A (26, 26)、B (11，0)、C (0,0)、D (0,11)、E (11. 5,11. 5); A、E、C三點(diǎn)共線，將該直線與直線BD的交點(diǎn)F作為第4點(diǎn)，可以求得，在識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)后就可 用仿射變換，求取編碼點(diǎn)；首先，由交比不變量找到5個(gè)模板點(diǎn)，利用這5個(gè)點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo) 和設(shè)計(jì)坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法可以求得仿射變換的6個(gè)參數(shù)；再反算其它3個(gè)編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì) 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，將它們與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較，就可以恢復(fù)編碼點(diǎn)的位置信息而得到點(diǎn)的數(shù)字 標(biāo)識(shí)，從而進(jìn)行解碼，完成了編碼標(biāo)志的識(shí)別的自動(dòng)化；
[0026] (3)、編碼標(biāo)識(shí)識(shí)別完成后，使用基于多條核線約束的匹配方法，利用多張像片上 的核線約束來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)圖像可靠性拼接匹配；
[0027] (4)、匹配完成后，采用自檢校光束法平差，通過(guò)LM分解算法解算各個(gè)特征點(diǎn)的三 維坐標(biāo)，具體計(jì)算流程如下：
[0028] 1)輸入：參數(shù)向量被分解為m個(gè)相機(jī)參數(shù)和η個(gè)三維點(diǎn)參數(shù)b i，預(yù)計(jì)第i個(gè)點(diǎn) 投影到第j個(gè)圖像的的函數(shù)Q，其中a jP b i為函數(shù)參數(shù)，測(cè)量的影像坐標(biāo)X %，用于LM算 法的阻尼系數(shù)μ ;
[0029] 2)輸出：基于LM算法的光束法平差法方程解δ ;
[0030] 3)算法實(shí)現(xiàn)：
[0031] 計(jì)算派生矩陣，
[0032] 誤差向量，其中，
[0033] 計(jì)算輔助參數(shù)：
通過(guò)增加 μ 到％和V i得到U /和V Λ計(jì)算
，從中計(jì)算δ a，其中S是由mXm塊組成，塊

其中S ]k是克羅內(nèi)爾符號(hào)， 9
[0034] 通過(guò)
可以求解Sbl;
[0035] (三）、自動(dòng)化攝影測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的操作方法：
[0036] 檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算完成后，使用網(wǎng)架單元設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)集，測(cè)量數(shù)據(jù)為 目標(biāo)點(diǎn)集，通過(guò)ICP算法，剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中的多余點(diǎn)，直接得到需要進(jìn)行計(jì)算的調(diào)整點(diǎn)，進(jìn) 行下一步調(diào)整量計(jì)算；
[0037] ICP方法的配準(zhǔn)步驟如下，對(duì)給定兩個(gè)三維點(diǎn)集Xl和X2 :
[0038] 第一步，計(jì)算X2中的每一個(gè)點(diǎn)在Xl點(diǎn)集中的對(duì)應(yīng)最近點(diǎn)；
[0039] 第二步，求得使上述對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)平均距離最小的剛體變換，求得平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn) 數(shù)；
[0040] 第三步，對(duì)X2使用上一步求得的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，得到新的變換點(diǎn)集；
[0041 ] 第四步，如果新的變換點(diǎn)集與參考點(diǎn)集滿足目標(biāo)函數(shù)
[0042]
[0043] 的要求，即兩點(diǎn)集的平均距離小于某一給定閾值，則停止迭代計(jì)算，否則新的變換 點(diǎn)集作為新的X2繼續(xù)迭代，直到達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的要求；
[0044] 調(diào)整計(jì)算以球面擬合為例：網(wǎng)架單元測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算即網(wǎng)架單元球節(jié)點(diǎn)中心的球面 擬合，噪點(diǎn)剔除后，網(wǎng)架單元球節(jié)點(diǎn)中心測(cè)量值按最小二乘球面擬合，擬合方法為：設(shè)空間 一球面的球心坐標(biāo)為（X ci, Zj，球半徑R已知，則球面可表示為：
[0045] (x-x0)2+ (y-y〇)2+ (Z-Z0)2 = R 2
[0046] 上式展開(kāi)可以得到 CN 105157564 A ^ 4/8 貝
[0047]
[0048] 由上式得到誤差方程：
[0049]
[0050] 其法方程為：
[0051]
[0052] 上式中，η為觀測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，
[0053]
根據(jù)法方程，求出e、f、g、h后，即可得到球心坐標(biāo)為