CN108709566A - 数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程中的数字近景摄影测量领域，旨在提供一种数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置及方法。在该装置台座的上表面设有倾向量测表、圆水准器和竖向轴座；竖向轴座位于台座的重心位置，其内部装有垂直旋转轴，垂直旋转轴的顶端固定连接至半环形外框的中点处；圆片状的人造岩体结构面活动安装在半环形外框的两个端部内侧并能绕安装点的水平旋转轴翻转，在半环形外框的一个端部外侧固定装有倾角量测表；在人造岩体结构面的一侧安装棋盘格标定板，另一侧设置图案，图案中包括已知半径的圆环及固定角度的射线。本发明可以简单快速精确地模拟实际情况中各种倾向倾角的岩体结构面，实现对设备的参数测定与测量可靠性验证。

Description

数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中的数字近景摄影测量领域，具体涉及一种用于岩体结构面产状拍摄的数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置及方法。

背景技术

数字近景摄影测量是通过摄像设备(数码相机)非接触式地拍摄目标，获得目标影像，然后通过摄影设备拍摄时的姿态，解算出所需目标点的空间坐标。数字近景摄影测量具有非接触、外业强度低、获取信息全面、可提供高精度等众多优点，在岩土工程测量领域具有广阔的应用前景。岩体结构面产状是分析岩体的力学和水力学行为重要的输入参数，摄影测量在岩体的结构面产状(包括倾向和倾角，如图1所示)测量中已有众多研究和应用。

在开展摄影测量相应操作之前，首先需要校正摄影测量设备的相关参数，如相机的畸变参数、双目相机摄影光心之间的距离B(如图2所示)等。在数据处理后期，也需要对摄影测量获得的目标结果进行精度的检验(即测量可靠性验证)。鉴于岩体结构面产状摄影测量领域尚缺乏一个使用便捷的参数测定与可靠性验证的装置，本发明旨在设计一种可调节的集摄影测量相机畸变参数校正、摄影光心距离B测定及测量结果精度检验于一体的多功能装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置及方法。该装置是一种可调节的集摄影测量相机畸变参数校正、摄影光心距离B测定及测量结果精度检验于一体的多功能装置。

为解决其技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置，包括能够调节水平度的台座；在台座的上表面设有倾向量测表、圆水准器和竖向轴座；竖向轴座位于台座的重心位置，其内部装有垂直旋转轴，垂直旋转轴的顶端固定连接至半环形外框的中点处；圆片状的人造岩体结构面活动安装在半环形外框的两个端部内侧并能绕安装点的水平旋转轴翻转，在半环形外框的一个端部外侧固定装有倾角量测表；在人造岩体结构面的一侧安装棋盘格标定板，另一侧设置图案，图案中包括已知半径的圆环及固定角度的射线。

本发明中，所述台座具有上下两层结构，在两层结构之间设置三个水平调节旋钮，用于调节上层结构的水平度。

本发明中，所述竖向轴座上设置用于固定垂直旋转轴的固定旋钮。

本发明中，人造岩体结构面在水平方向上的直径与两个水平旋转轴的连线是重合的；人造岩体结构面与半环形外框之间通过下述任意一种方式实现活动连接：

(1)在半环形外框的两个端部内侧分别设置横向轴座，在人造岩体结构面两侧分别设置水平旋转轴，两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中；

(2)在半环形外框的两个端部内侧分别设置水平旋转轴，在人造岩体结构面两侧分别设置横向轴座，两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中；

(3)在半环形外框的一个端部内侧设置横向轴座，另一个端部内侧设置水平旋转轴；在人造岩体结构面一侧设置水平旋转轴，另一侧设置横向轴座；两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中。

本发明中，所述倾角量测表的中心位于水平旋转轴的延长线上。

本发明中，所述横向轴座上设置用于固定水平旋转轴的固定旋钮。

本发明中，所述棋盘格标定板通过固定螺栓安装在人造岩体结构面上。

本发明中，所述倾向量测表中设有指北针和倾向量测表读数指针，倾向量测表读数指针通过传动机构与垂直旋转轴连接；所述倾角量测表中设有倾角量测表读数指针，倾角量测表读数指针通过传动机构与水平旋转轴连接。

本发明中，所述台座是钢制台座，所述半环形外框是钢制半环形外框，所述人造岩体结构面是铝合金材质的人造岩体结构面。

本发明进一步提供了利用前述装置对数字近景摄影测量参数进行测定与可靠性检验的方法，包括基于张正友相机标定法对相机畸变系数进行的校正、对双目相机摄影光心间距B的校正，以及对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验；其中，

(一)相机畸变系数校正包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)将人造岩体结构面旋转至合适位置，旋紧垂直旋转轴的固定旋钮和水平旋转轴的固定旋钮；

(3)将棋盘格标定板通过固定螺栓安装至人造岩体结构面上；

(4)用相机在不同位置、不同角度、不同姿态下拍摄该标定板，以10-20张为宜；

(5)得到标定图像后，在Opencv程序中基于张正友标定方法实现相机的畸变系数标定；

(二)双目相机摄影光心间距B的校正包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)将人造岩体结构面旋转至合适位置，以具有圆环和射线图案的侧面朝向相机；旋紧垂直旋转轴的固定旋钮和水平旋转轴的固定旋钮；

(3)用双目相机在多个位置对人造岩体结构面进行拍摄，获得多个左右图像对；

(4)在人造岩体结构面上选取一条已知长度的线段，利用双目相机摄影测量的原理，建立该线段测量长度与实际长度相等的方程，解算出双目相机摄影光心间距B；

(5)选择不同的已知线段，一个左右图像对能得到多个双目相机摄影光心间距B的测量值，多个左右图像对能获得多组双目相机摄影光心间距B的测量值；将测量值综合取平均，即能得到双目相机摄影光心间距B的大小；

(三)对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)转动半环形外框，调节人造岩体结构面至合适的倾向，旋紧垂直旋转轴的固定旋钮；

(3)调节人造岩体结构面至合适的倾角，旋紧水平旋转轴的固定旋钮；

(4)通过摄影测量获得的人造岩体结构面的倾向和倾角数值；

(5)从倾向量测表和倾角量测表分别读出倾向和倾角的数值，将其与通过摄影测量获得的数值进行对比，进行精度的检验。

发明原理说明：

本发明中，人造岩体结构面水平旋转轴与垂直旋转轴可以实现在任意空间方向上的旋转，从而保证其倾向覆盖0～360°(真实岩体结构面倾向的取值范围)、倾向覆盖0～90°(真实岩体结构面倾角的取值范围)。设于台座上的倾向量测表读数指针通过传动机构与垂直旋转轴固连，指针随转轴转动而转动，从而可以通过指针的变化情况直接读取人造岩体结构面的倾向数据；在水平旋转轴上设置倾角量测表，其表盘指针通过传动机构与水平旋转轴的固连，指针随转轴转动而转动)，从而可通过指针的变化情况直接读取人造岩体结构面的倾角数据。通过调节台座上的调节旋钮并观察圆水准器，实现对装置的调平。人造岩体结构面的一侧固定棋盘格标定板，用于实现校正相机畸变系数的功能；另一侧面刻有已知半径的圆环及固定角度的射线，用于实现校正摄影光心间距B的功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以简单快速精确地模拟实际情况中各种倾向倾角的岩体结构面，实现对设备的参数测定与测量可靠性验证。

附图说明

图1是岩体结构面产状示意图；

图2是双目摄影测量摄影光心间距B的示意图；

图3是本发明中装置的正面示意图；

图4是装置反面示意图；

图5是装置俯视图；

图6是装置侧视图；

图7是倾向量测表的放大图；

图8是倾角量测表的放大图。

图中附图标记：

1台座；2半环形外框；3人造岩体结构面；4、垂直旋转轴；5水平旋转轴；6固定旋钮；7固定旋钮；8倾向量测表；9倾角量测表；10水平调节旋钮；11棋盘格标定板；12固定螺栓；13圆水准器；14指北针；15倾向量测表的读数指针；16倾角量测表的读数指针。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明中的数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置如图3-8所示。该装置包括能够调节水平度的台座1；台座1具有上下两层结构，在两层结构之间设置三个水平调节旋钮10，用于调节上层结构的水平度。在台座1的上表面设有倾向量测表8、圆水准器13和竖向轴座；竖向轴座位于台座1的重心位置，其内部装有垂直旋转轴4，竖向轴座上设置用于固定垂直旋转轴4的固定旋钮6。垂直旋转轴4的顶端固定连接至半环形外框2的中点处；圆片状的人造岩体结构面3活动安装在半环形外框2的两个端部内侧并能绕安装点的水平旋转轴5翻转，在半环形外框2的一个端部外侧固定装有倾角量测表9，倾角量测表9的中心位于水平旋转轴5的延长线上。倾向量测表8中设有指北针和倾向量测表读数指针；倾角量测表9中设有倾角量测表读数指针。在人造岩体结构面3的一侧安装棋盘格标定板11，棋盘格标定板11通过固定螺栓12安装在人造岩体结构面3上。在人造岩体结构面3的另一侧设置图案，图案中包括已知半径的圆环及固定角度的射线。本发明中，台座1可选钢制台座，半环形外框2可选钢制半环形外框，人造岩体结构面3可选铝合金材质的人造岩体结构面。

人造岩体结构面3在水平方向上的直径与两个水平旋转轴5的连线是重合的；人造岩体结构面3与半环形外框2之间通过下述任意一种方式实现活动连接：(1)在半环形外框2的两个端部内侧分别设置横向轴座，在人造岩体结构面3两侧分别设置水平旋转轴5，两个水平旋转轴5分别活动安装在相应的横向轴座中；(2)在半环形外框3的两个端部内侧分别设置水平旋转轴5，在人造岩体结构面3两侧分别设置横向轴座，两个水平旋转轴5分别活动安装在相应的横向轴座中；(3)在半环形外框2的一个端部内侧设置横向轴座，另一个端部内侧设置水平旋转轴5；在人造岩体结构面3一侧设置水平旋转轴5，另一侧设置横向轴座；两个水平旋转轴5分别活动安装在相应的横向轴座中。各横向轴座上设置用于固定水平旋转轴5的固定旋钮7。

本发明中，倾向量测表8和倾角量测表9的指针均指向所述人造岩体结构面正面的法向量方向。倾向量测表8的读数方法：倾向量测表8有两个指针(如图7所示)，一根为独立的指北针，一根为与垂直旋转轴固连的倾向量测表读数指针。读数时，需记录两根指针的读数。人造岩体结构面3的倾向＝读数指针读数-指北针读数。若得到的倾向为负数，需要加上一个360°。倾角量测表9的读数方法：在调节台座1水平的情况下，倾角量测表9的0°始终在铅锤方向上，故人造岩体结构面3的倾角＝指针读数。

本发明中利用前述装置对数字近景摄影测量参数进行测定与可靠性检验的方法，包括：基于张正友相机标定法对相机畸变系数进行的校正、对双目相机摄影光心间距B的校正，以及对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验这三个主要功能的实现。

功能一：相机畸变系数校正(基于张正友相机标定法)

(1)调节台座1的水平。调节台座1上的三个水平调节旋钮10，使台座1上的圆水准器13中的气泡处于正中央。具体调节方式：先调节两个旋钮，使气泡移动至两个旋钮连线的垂线上。然后调节第三个旋钮，使气泡移动至圆心。

(2)将人造岩体结构面3旋转至合适位置，旋紧垂直旋转轴4的固定旋钮6和水平旋转轴5的固定旋钮7。

(3)将20×20的黑白相间的棋盘格标定板11通过固定螺栓12安装至人造岩体结构面3上。玻璃制的标定板每小格的边长为5mm，标定板的外框尺寸为220×220mm。由于标定板对网格的划分精度要求较高，故在不使用标定板的情况下应将其卸下单独保存，防止在使用过程中产生划痕，影响标定精度。

(4)用相机在不同位置、不同角度、不同姿态下拍摄棋盘格标定板11，以10-20张为宜。

(5)得到标定图像后，在Opencv程序(现有技术)中基于张正友标定方法实现相机的畸变系数标定。

功能二：双目相机摄影光心间距B的校正

(1)调节台座1水平(同上)。

(2)将人造岩体结构面3反面旋转至合适位置，旋紧垂直旋转轴4的固定旋钮6和水平旋转轴5的固定旋钮7。人造岩体结构面3反面刻有已知半径的圆环和射线。圆环半径分别为5cm、10cm。相邻射线间的夹角45°。

(3)用双目相机在多个位置对该人造岩体结构面3的反面进行拍摄，获得多个左右图像对。

(4)在人造岩体结构面3上选取一条已知长度的线段，利用双目相机摄影测量的原理，建立该线段测量长度与实际长度相等的方程，解算出双目相机摄影光心间距B。

(5)选择不同的已知线段，一个左右图像对可以得到多个双目相机摄影光心间距B的测量值。多个左右图像对也可以获得多组双目相机摄影光心间距B的测量值。将测量值综合取平均，即可得到双目相机摄影光心间距B的大小。

功能三：对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验

(1)调节台座1水平(同上)。

(2)转动半环形外框2，调节人造岩体结构面3到合适的倾向，旋紧垂直旋转轴4的固定旋钮6。

(3)转动人造岩体结构面3，调节至合适的倾角，旋紧水平旋转轴5的固定旋钮7。

(4)通过摄影测量获得的人造岩体结构面3的倾向和倾角数值；

(5)从倾向量测表8和倾角量测表9分别读出倾向和倾角的数值，将其与通过摄影测量获得的数值进行对比，进行精度的检验。

Claims (10)

1.一种数字近景摄影测量参数测定与可靠性检验的装置，包括能够调节水平度的台座；其特征在于，在台座的上表面设有倾向量测表、圆水准器和竖向轴座；竖向轴座位于台座的重心位置，其内部装有垂直旋转轴，垂直旋转轴的顶端固定连接至半环形外框的中点处；圆片状的人造岩体结构面活动安装在半环形外框的两个端部内侧并能绕安装点的水平旋转轴翻转，在半环形外框的一个端部外侧固定装有倾角量测表；在人造岩体结构面的一侧安装棋盘格标定板，另一侧设置图案，图案中包括已知半径的圆环及固定角度的射线。

2.根据权利要求所述的装置，其特征在于，所述台座具有上下两层结构，在两层结构之间设置三个水平调节旋钮，用于调节上层结构的水平度。

3.根据权利要求所述的装置，其特征在于，所述竖向轴座上设置用于固定垂直旋转轴的固定旋钮。

4.根据权利要求所述的装置，其特征在于，人造岩体结构面在水平方向上的直径与两个水平旋转轴的连线是重合的；人造岩体结构面与半环形外框之间通过下述任意一种方式实现活动连接：

(1)在半环形外框的两个端部内侧分别设置横向轴座，在人造岩体结构面两侧分别设置水平旋转轴，两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中；

(2)在半环形外框的两个端部内侧分别设置水平旋转轴，在人造岩体结构面两侧分别设置横向轴座，两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中；

(3)在半环形外框的一个端部内侧设置横向轴座，另一个端部内侧设置水平旋转轴；在人造岩体结构面一侧设置水平旋转轴，另一侧设置横向轴座；两个水平旋转轴分别活动安装在相应的横向轴座中。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾角量测表的中心位于水平旋转轴的延长线上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横向轴座上设置用于固定水平旋转轴的固定旋钮。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述棋盘格标定板通过固定螺栓安装在人造岩体结构面上。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾向量测表中设有指北针和倾向量测表读数指针，倾向量测表读数指针通过传动机构与垂直旋转轴连接；所述倾角量测表中设有倾角量测表读数指针，倾角量测表读数指针通过传动机构与水平旋转轴连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述台座是钢制台座，所述半环形外框是钢制半环形外框，所述人造岩体结构面是铝合金材质的人造岩体结构面。

10.利用权利要求1所述装置对数字近景摄影测量参数进行测定与可靠性检验的方法，其特征在于，包括基于张正友相机标定法对相机畸变系数进行的校正、对双目相机摄影光心间距B的校正，以及对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验；其中，

(一)相机畸变系数校正包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)将人造岩体结构面旋转至合适位置，旋紧垂直旋转轴的固定旋钮和水平旋转轴的固定旋钮；

(3)将棋盘格标定板通过固定螺栓安装至人造岩体结构面上；

(4)用相机在不同位置、不同角度、不同姿态下拍摄该标定板，以10-20张为宜；

(5)得到标定图像后，在Opencv程序中基于张正友标定方法实现相机的畸变系数标定；

(二)双目相机摄影光心间距B的校正包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)将人造岩体结构面旋转至合适位置，以具有圆环和射线图案的侧面朝向相机；旋紧垂直旋转轴的固定旋钮和水平旋转轴的固定旋钮；

(3)用双目相机在多个位置对人造岩体结构面进行拍摄，获得多个左右图像对；

(4)在人造岩体结构面上选取一条已知长度的线段，利用双目相机摄影测量的原理，建立该线段测量长度与实际长度相等的方程，解算出双目相机摄影光心间距B；

(5)选择不同的已知线段，一个左右图像对能得到多个双目相机摄影光心间距B的测量值，多个左右图像对能获得多组双目相机摄影光心间距B的测量值；将测量值综合取平均，即能得到双目相机摄影光心间距B的大小；

(三)对摄影测量获取的岩体结构面产状信息的精度检验包括下述步骤：

(1)调节台座水平；

(2)转动半环形外框，调节人造岩体结构面至合适的倾向，旋紧垂直旋转轴的固定旋钮；

(3)调节人造岩体结构面至合适的倾角，旋紧水平旋转轴的固定旋钮；

(4)通过摄影测量获得的人造岩体结构面的倾向和倾角数值；

(5)从倾向量测表和倾角量测表分别读出倾向和倾角的数值，将其与通过摄影测量获得的数值进行对比，进行精度的检验。