CN105157564B - 一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化摄影测量方法，尤其涉及一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，属于钢结构领域。按以下步骤进行：自动化摄影测量系统硬件操作方法→自动化摄影测量系统软件的操作方法→自动化摄影测量系统数据分析的操作方法。一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，操作方法科学合理，精确度较高，同时适用范围较广。

Description

一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法

技术领域

本发明涉及一种自动化摄影测量方法，尤其涉及一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，属于钢结构领域。

背景技术

随着空间结构的不断应用和发展，钢网架结构因其受力合理、结构稳定、造型新颖，已成为当今社会不可或缺的一种代表性屋面结构形式。同时，由于部分网架空间造型复杂，对网架的拼装及安装精度提出了较高要求，相应对测量方案也提出较高要求。当前，基于经纬仪、全站仪、激光跟踪仪GPS等构建的测量系统由于自身局限性与网架单元测量的特殊要求，无法满足高精度快速测量的需求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种采用以数字摄影测量为技术支撑的测量方案，对网架单元进行测量，数字摄影测量方法除具有测量速度快、实时，自动化程度高；采用多测站，有较多的多余观测量，成果的可靠性高；可在恶劣环境中工作的一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，按以下步骤进行：

(一)、自动化摄影测量系统硬件操作方法：

自动化测量系统的硬件模块包括摄影测量单元系统、运载单元系统及人工标志；

(1)、摄影测量单元系统包括测量相机、光源、无线传输设备、基准尺、滤光片、控制器，主要用来图像采集；

1)、根据网架单元测量精度要求、测量效率要求与野外测量的实际情况，测量相机选用Imperx工业测量相机，具有较好的通信接口、实现软件对测量相机的实时控制、较高的采样频率，适用野外现场施工测量环境；

测量相机使用环形闪光LED灯作为测量光源，光效达50～200流明/瓦，可以实现长亮和频闪两种功能；为保证测量相机的安全长时间使用，采用密闭小舱对测量相机进行密封；

2)、在基准尺上添加编码点用于识别基准尺，以达到自动识别，保证测量数据基准与现实世界对应，本方案以一根基准尺的长度作为基准，计算另一个基准尺上对应点间的距离，和基准长度做比较，来验证系统的绝对测量精度，其计算公式如下：

(2)、运载单元系统是测量相机的搭载工具，通过PLC来控制测量相机按照指定轨迹稳定移动，以便实现自动化测量；

(3)、人工标志主要作为图像拼接点和测量点存在，摄影测量的编码标志尽量均匀放置在网架的边缘球节点周围位置，编码标志间距为800mm，保证每张图像能够尽可能多的匹配到其余影像，摄影标志采用测量工装，放置在所测网架单元的上弦球节点法向中心孔上；

(二)、自动化摄影测量系统软件的操作方法：

自动化摄影测量系统的软件模块包括：摄影标志识别与高精度定位、编码标志识别、图像可靠性拼接匹配、自检校光束法平差三维数据解算；

(1)、采用canny算子确定图像中摄影标志点的边缘；根据边缘信息，对图像中摄影标志点进行判断识别；识别后，采用椭圆拟合法进行摄影标志的高精度定位，平面椭圆的解析表达式为：

Ax²+2Bxy+Cy²+2Dx+2Ey+1＝0

当边缘点数很多时可利用最小二乘椭圆拟合求得椭圆方程的系数A、B、C、D和E，根据椭圆方程系数可计算出椭圆的5个参数,计算公式如下：

式中：(x₀，y₀)为拟合椭圆中心坐标，θ为长半轴与图像坐标系x轴夹角；根据上式得到的参数可以求出椭圆的长、短半轴P₁和P₂，分别为:

为了抑制图像噪声的影响，提高定位精度，可对边界进行多次拟合，即第一次拟合后，将每个边界点代入上式，计算残差，然后将残差较大的一部分点剔除，再对剩余的点进行二次椭圆拟合，该过程可以重复若干次，直到均方差小于某一阈值为止，这样就自动化完成了测量点在图像中识别与定位；

(2)、使用交比不变性特性，对基准尺上的编码点及用于图像匹配的编码点进行自动化识别，模板点的设计坐标分别为：A(26，26)、B(11，0)、C(0，0)、D(0，11)、E(11.5，11.5)；A、E、C三点共线，将该直线与直线BD的交点F作为第4点，可以求得，在识别标志点后就可用仿射变换，求取编码点；首先，由交比不变量找到5个模板点，利用这5个点的像点坐标和设计坐标，通过最小二乘法可以求得仿射变换的6个参数；再反算其它3个编码点在设计坐标系下的坐标，将它们与设计坐标比较，就可以恢复编码点的位置信息而得到点的数字标识，从而进行解码，完成了编码标志的识别的自动化；

(3)、编码标识识别完成后，使用基于多条核线约束的匹配方法，利用多张像片上的核线约束来实现相应图像可靠性拼接匹配；

(4)、匹配完成后，采用自检校光束法平差，通过LM分解算法解算各个特征点的三维坐标，具体计算流程如下：

1)输入：参数向量被分解为m个测量相机参数a_j和n个三维点参数b_i，预计第i个点投影到第j个图像的的函数Q，其中a_j和b_i为函数参数，测量的影像坐标x_ij，用于LM算法的阻尼系数μ；

2)输出：基于LM算法的光束法平差法方程解δ；

3)算法实现：

计算派生矩阵，

误差向量，其中，

计算辅助参数： 通过增加μ到U_j和V_i得到和计算从中计算δ_a，其中S是由m×m块组成，块其中δ_jk是克罗内尔符号，通过可以求解δ_bi；

(三)、自动化摄影测量系统数据分析的操作方法：

检测点三维坐标计算完成后，使用网架单元设计节点作为参考点集，测量数据为目标点集，通过ICP算法，剔除测量数据中的多余点，直接得到需要进行计算的调整点，进行下一步调整量计算；

ICP方法的配准步骤如下，对给定两个三维点集X1和X2：

第一步，计算X2中的每一个点在X1点集中的对应最近点；

第二步，求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转数；

第三步，对X2使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集；

第四步，如果新的变换点集与参考点集满足目标函数的要求，即两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集作为新的X2继续迭代，直到达到目标函数的要求；

调整计算以球面拟合为例：网架单元测量数据计算即网架单元球节点中心的球面拟合，噪点剔除后，网架单元球节点中心测量值按最小二乘球面拟合，拟合方法为：设空间一球面的球心坐标为(x_o,y_o,z_o)，球半径R已知，则球面可表示为：

(x-x_o)²+(y-y_o)²+(z-z_o)²＝R²

上式展开可以得到

令

由上式得到误差方程：

其法方程为：

上式中，n为观测点的个数，

根据法方程，求出e、f、g、h后，即可得到球心坐标为

背架单元上弦球测量点的球心坐标确定后，可以计算其它点距球心的距离r_i：

最终测量成果为每个测量点的法向误差为：规定指向球心为正，背向球心为负，根据测量结果可对网架拼装精度进行调整。

系统通过控制软件发送命令给自动化硬件模块，然后由运载支架带动测量相机进行拍照，相片通过无线传输装置发送到系统软件模块并进行计算，通过对计算得到的测量点三维坐标进行分析，生成测量报告。

本发明的技术方案流程如下：

1、将测量工装安置在所测网架单元的上弦球节点法向中心孔上，在测量工装上，粘贴直径测量标志。

2、在球节点周围放置编码标志，编码标志间距大约800mm。

3、将基准尺放置在网架单元上，大致垂直。

4、启动自动化摄影测量系统，对背架单元进行图像采集。

5、数据自动传输至计算机，进行计算，取得测量结果。

以上为针对造型为球面的网架的计算公式，对其他不同曲面的网架，可采用相应不同的计算公式，最终测得网架的拼装精度。

本发明提供一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，操作方法科学合理，精确度较高，同时适用范围较广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的测量工装的结构示意图。

附图标记说明：1、网架单元；2、测量相机；3、自动运载系统；4、螺栓球；5、测量工装。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1和图2所示，一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，按以下步骤进行：

(一)、自动化摄影测量系统硬件操作方法：

自动化测量系统的硬件模块包括摄影测量单元系统、运载单元系统及人工标志；

(1)、摄影测量单元系统包括测量相机、光源、无线传输设备、基准尺、滤光片、控制器，主要用来图像采集；

1)、根据网架单元测量精度要求、测量效率要求与野外测量的实际情况，测量相机选用Imperx工业测量相机，具有较好的通信接口、实现软件对测量相机的实时控制、较高的采样频率，适用野外现场施工测量环境；

测量相机使用环形闪光LED灯作为测量光源，光效达50～200流明/瓦，可以实现长亮和频闪两种功能；为保证测量相机的安全长时间使用，采用密闭小舱对测量相机进行密封；

3)、在基准尺上添加编码点用于识别基准尺，以达到自动识别，保证测量数据基准与现实世界对应，本方案以一根基准尺的长度作为基准，计算另一个基准尺上对应点间的距离，和基准长度做比较，来验证系统的绝对测量精度，其计算公式如下：

(2)、运载单元系统是测量相机的搭载工具，通过PLC来控制测量相机按照指定轨迹稳定移动，以便实现自动化测量；

(3)、人工标志主要作为图像拼接点和测量点存在，摄影测量编码标志尽量均匀放置在网架的边缘球节点周围位置，编码标志间距为800mm，保证每张图像能够尽可能多的匹配到其余影像，摄影标志采用测量工装，放置在所测网架单元的上弦球节点法向中心孔上；

(二)、自动化摄影测量系统软件的操作方法：

自动化摄影测量系统的软件模块包括：摄影标志识别与高精度定位、编码标志识别、图像可靠性拼接匹配、自检校光束法平差三维数据解算；

(2)、采用canny算子确定图像中摄影标志点的边缘；根据边缘信息，对图像中摄影标志点进行判断识别；识别后，采用椭圆拟合法进行摄影标志的高精度定位，平面椭圆的解析表达式为：

Ax²+2Bxy+Cy²+2Dx+2Ey+1＝0

当边缘点数很多时可利用最小二乘椭圆拟合求得椭圆方程的系数A、B、C、D和E，根据椭圆方程系数可计算出椭圆的5个参数,计算公式如下：

式中：(x₀，y₀)为拟合椭圆中心坐标，θ为长半轴与图像坐标系x轴夹角；根据上式得到的参数可以求出椭圆的长、短半轴P₁和P₂，分别为:

为了抑制图像噪声的影响，提高定位精度，可对边界进行多次拟合，即第一次拟合后，将每个边界点代入上式，计算残差，然后将残差较大的一部分点剔除，再对剩余的点进行二次椭圆拟合，该过程可以重复若干次，直到均方差小于某一阈值为止，这样就自动化完成了测量点在图像中识别与定位；

(2)、使用交比不变性特性，对基准尺上的编码点及用于图像匹配的编码点进行自动化识别，模板点的设计坐标分别为：A(26，26)、B(11，0)、C(0，0)、D(0，11)、E(11.5，11.5)；A、E、C三点共线，将该直线与直线BD的交点F作为第4点，可以求得，在识别标志点后就可用仿射变换，求取编码点；首先，由交比不变量找到5个模板点，利用这5个点的像点坐标和设计坐标，通过最小二乘法可以求得仿射变换的6个参数；再反算其它3个编码点在设计坐标系下的坐标，将它们与设计坐标比较，就可以恢复编码点的位置信息而得到点的数字标识，从而进行解码，完成了编码标志的识别的自动化；

(3)、编码标识识别完成后，使用基于多条核线约束的匹配方法，利用多张像片上的核线约束来实现相应图像可靠性拼接匹配；

(4)、匹配完成后，采用自检校光束法平差，通过LM分解算法解算各个特征点的三维坐标，具体计算流程如下：

1)输入：参数向量被分解为m个测量相机参数a_j和n个三维点参数b_i，预计第i个点投影到第j个图像的的函数Q，其中a_j和b_i为函数参数，测量的影像坐标x_ij，用于LM算法的阻尼系数μ；

2)输出：基于LM算法的光束法平差法方程解δ；

3)算法实现：

计算派生矩阵，

误差向量，其中，

计算辅助参数： 通过增加μ到U_j和V_i得到和计算从中计算δ_a，其中S是由m×m块组成，块其中δ_jk是克罗内尔符号，通过可以求解δ_bi；

(三)、自动化摄影测量系统数据分析的操作方法：

检测点三维坐标计算完成后，使用网架单元设计节点作为参考点集，测量数据为目标点集，通过ICP算法，剔除测量数据中的多余点，直接得到需要进行计算的调整点，进行下一步调整量计算；

ICP方法的配准步骤如下，对给定两个三维点集X1和X2：

第一步，计算X2中的每一个点在X1点集中的对应最近点；

第二步，求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转数；

第三步，对X2使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集；

第四步，如果新的变换点集与参考点集满足目标函数的要求，即两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集作为新的X2继续迭代，直到达到目标函数的要求；

调整计算以球面拟合为例：网架单元测量数据计算即网架单元球节点中心的球面拟合，噪点剔除后，网架单元球节点中心测量值按最小二乘球面拟合，拟合方法为：设空间一球面的球心坐标为(x_o,y_o,z_o)，球半径R已知，则球面可表示为：

(x-x_o)²+(y-y_o)²+(z-z_o)²＝R²

令

由上式得到误差方程：

其法方程为：

上式中，n为观测点的个数，

根据法方程，求出e、f、g、h后，即可得到球心坐标为

背架单元上弦球测量点的球心坐标确定后，可以计算其它点距球心的距离r_i：

最终测量成果为每个测量点的法向误差为：规定指向球心为正，背向球心为负，根据测量结果可对网架拼装精度进行调整。

Claims (1)

1.一种网架单元拼装精度快速自动化摄影测量方法，其特征在于按以下步骤进行：

(一)、自动化摄影测量系统硬件操作方法：

自动化测量系统的硬件模块包括摄影测量单元系统、运载单元系统及人工标志；

(1)、摄影测量单元系统包括测量相机、光源、无线传输设备、基准尺、滤光片、控制器，主要用来图像采集；

1)、根据网架单元测量精度要求、测量效率要求与野外测量的实际情况，测量相机选用Imperx工业测量相机，具有较好的通信接口、实现软件对测量相机的实时控制、较高的采样频率，适用野外现场施工测量环境；

测量相机使用环形闪光LED灯作为测量光源，光效达50～200流明/瓦，可以实现长亮和频闪两种功能；为保证测量相机的安全长时间使用，采用密闭小舱对测量相机进行密封；

2)、在基准尺上添加编码点用于识别基准尺，以达到自动识别，保证测量数据基准与现实世界对应，本方案以一根基准尺的长度作为基准，计算另一个基准尺上对应点间的距离，和基准长度做比较，来验证系统的绝对测量精度，其计算公式如下：

(2)、运载单元系统是测量相机的搭载工具，通过PLC来控制测量相机按照指定轨迹稳定移动，以便实现自动化测量；

(3)、人工标志主要作为图像拼接点和测量点存在，摄影测量的编码标志尽量均匀放置在网架的边缘球节点周围位置，编码标志间距为800mm，保证每张图像能够尽可能多的匹配到其余影像，摄影标志采用测量工装，放置在所测网架单元的上弦球节点法向中心孔上；

(二)、自动化摄影测量系统软件的操作方法：

自动化摄影测量系统的软件模块包括：摄影标志识别与高精度定位、编码标志识别、图像可靠性拼接匹配、自检校光束法平差三维数据解算；

(1)、采用canny算子确定图像中摄影标志点的边缘；根据边缘信息，对图像中摄影标志点进行判断识别；识别后，采用椭圆拟合法进行摄影标志的高精度定位，平面椭圆的解析表达式为：

Ax²+2Bxy+Cy²+2Dx+2Ey+1＝0，

当边缘点数很多时可利用最小二乘椭圆拟合求得椭圆方程的系数A、B、C、D和E，根据椭圆方程系数可计算出椭圆的5个参数,分别为拟合椭圆中心坐标(x₀，y₀)，长半轴与图像坐标系x轴夹角θ，椭圆的长半轴P₁，椭圆的短半轴P₂；

为了抑制图像噪声的影响，提高定位精度，可对边界进行多次拟合，即第一次拟合后，将每个边界点代入上式，计算残差，然后将残差较大的一部分点剔除，再对剩余的点进行二次椭圆拟合，该过程可以重复若干次，直到均方差小于某一阈值为止，这样就自动化完成了测量点在图像中识别与定位；

(2)、使用交比不变性特性，对基准尺上的编码点及用于图像匹配的编码点进行自动化识别，模板点的设计坐标分别为：A(26，26)、B(11，0)、C(0，0)、D(0，11)、E(11.5，11.5)；A、E、C三点共线，将该直线与直线BD的交点F作为第4点，可以求得，在识别标志点后就可用仿射变换，求取编码点；首先，由交比不变量找到5个模板点，利用这5个点的像点坐标和设计坐标，通过最小二乘法可以求得仿射变换的6个参数；再反算其它3个编码点在设计坐标系下的坐标，将它们与设计坐标比较，就可以恢复编码点的位置信息而得到点的数字标识，从而进行解码，完成了编码标志的识别的自动化；

(3)、编码标识识别完成后，使用基于多条核线约束的匹配方法，利用多张像片上的核线约束来实现相应图像可靠性拼接匹配；

(4)、匹配完成后，采用自检校光束法平差，通过LM分解算法解算各个特征点的三维坐标，具体计算流程如下：

1)输入：参数向量被分解为m个测量相机参数a_j和n个三维点参数b_i，预计第i个点投影到第j个图像的的函数Q，其中a_j和b_i为函数参数，测量的影像坐标x_ij，用于LM算法的阻尼系数μ；

2)输出：基于LM算法的光束法平差法方程解δ；

3)算法实现：

计算派生矩阵，

误差向量，其中，

计算辅助参数：

通过增加μ到U_j和V_i得到和计算从中计算δ_a，其中S是由m×m块组成，块其中δ_jk是克罗内尔符号，

通过可以求解δ_bi；

(三)、自动化摄影测量系统数据分析的操作方法：

检测点三维坐标计算完成后，使用网架单元设计节点作为参考点集，测量数据为目标点集，通过ICP算法，剔除测量数据中的多余点，直接得到需要进行计算的调整点，进行下一步调整量计算；

ICP方法的配准步骤如下，对给定两个三维点集X1和X2：

第一步，计算X2中的每一个点在X1点集中的对应最近点；

第二步，求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转数；

第三步，对X2使用上一步求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集；

第四步，如果新的变换点集与参考点集满足目标函数

的要求，即两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集作为新的X2继续迭代，直到达到目标函数的要求；

调整计算以球面拟合为例：网架单元测量数据计算即网架单元球节点中心的球面拟合，噪点剔除后，网架单元球节点中心测量值按最小二乘球面拟合，拟合方法为：设空间一球面的球心坐标为(x_o,y_o,z_o)，球半径R已知，则球面可表示为：

(x-x_o)²+(y-y_o)²+(z-z_o)²＝R²

令e＝2x_o、f＝2y_o、g＝2z_o、

由上式得到误差方程：

其法方程为：

上式中，n为观测点的个数，

根据法方程，求出e、f、g、h后，即可得到球心坐标为

背架单元上弦球测量点的球心坐标确定后，可以计算其它点距球心的距离r_i：

规定指向球心为正，背向球心为负，根据测量结果可对网架拼装精度进行调整。