CN1818546A - 远距离面内小位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离面内小位移测量方法，它包括以下步骤：制作合作标志板及在合作标志板的中心、上方和/或下方、左方和/或右方各绘制一个合作标志P_o、P_T和/或P_B、P_L和/或P_R；连接合作标志板与待测实体；用相机和计算机采集合作标志图象；计算初始状态时采集的图象的成象比例；测得图象上P_o的位移；计算待测位置处在垂直和水平两个方向上的实际位移量。本发明能方便、精确地非接触测量出远距离待测实体在竖直和水平方向的位移量。本发明的方法能广泛用于一般水平位移，山体滑坡，楼房沉降、倾斜等多种领域的实际测量中。

Description

远距离面内小位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种小位移测量方法，特别是涉及一种远距离面内小位移测量方法。

背景技术

现有的测量建筑物沉降等的位移的方法可分为接触测量和非接触测量两类。

接触测量的做法是在待测位置粘贴应变片，直接测量应变，再转换为位移。在野外作业中，这种方法实施起来比较麻烦，要得到高精度的结果，对贴片技术的要求很高。

非接触测量是用光测的方法。其中一种是使用全站仪。全站仪能同时读出目标的方位和距离，因而能得到待测目标的三维位移量。但要达到远距离测量的高精度，需要使用激光全站仪等高档设备，不仅价格高昂，而且需要进口。另一种是使用多台相机进行多目交会。这需要事先高精度标定相机，对于野外实施比较困难。本发明的方法采用单相机，以事先量得的标志间距为基准，按比例计算位移量，不需标定相机。

发明内容

本发明的目的在于为方便、精确地非接触测量待测实体在竖直和水平方向的位移量，提供一种远距离面内小位移测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

本发明的远距离面内小位移测量方法，它包括以下步骤：

制作合作标志板——在合作标志板的中心、上方和/或下方、左方和/或右方各绘制一个合作标志P_o、P_T和/或P_B、P_L和/或P_R，其中各合作标志之间的距离已知，该距离单位为：毫米；

连接合作标志板与待测实体——将合作标志板与待测实体固连，使上、下两个合作标志沿着竖直方向，左、右两个合作标志沿着水平方向，待测实体的位移亦沿这两个方向；

采集合作标志图象——用架设在远处的的相机采集到各种状态下包含上述五个合作标志P_o、P_T和/或P_B、P_L和/或P_R的图象；

计算初始状态时采集的图象的成象比例——对初始状态时采集的图象，精确提取各合作标志中心位置，计算图象上竖直方向的合作标志间的距离和水平方向的合作标志间的距离，该距离单位为：像素，则两个方向上的成象比例分别为：合作标志板上竖直方向合作标志间的实际距离与图像中竖直方向合作标志间的像素距离之间的比值，合作标志板上水平方向合作标志间的实际距离与图像中水平方向合作标志间的像素距离之间的比值成象比例单位为：毫米/象素；

测得图象上P_o的位移——精确提取初始状态及后续各状态时待测位置处的合作标志P_o在图象上的精确位置；设空载时提取的P_o的图象位置为x₀，y₀，第i次加载时提取的P_o的图象位置为x_i，y_i，则可测得图象上P_o的位移，位移单位为：象素；

计算待测位置处在竖直和水平两个方向上的实际位移量——将测得的图象上P_o的位移分别向竖直方向和水平方向投影，其中对应待测实体的水平位移方向，与图象坐标系的x轴夹角为；对应待测实体的竖直位移方向，与图象坐标系的y轴夹角为ψ，计算出图像上P_o在这两个方向上的位移，而待测位置处在这两个方向上的实际位移量分别为：竖直方向上的成像比例与P_o在竖直方向上位移的乘积；水平方向上的成像比例与P_o在水平方向上位移的乘积。

所述的制作合作标志板的方法是：加工一个可与待测实体固连的平板，每个平板上绘制有P_o、P_T、P_B、P_L、P_R五个为一组的合作标志。P_o、P_T、P_B、P_L、P_R共面，P_o既是P_T、P_B所确定直线与P_L、P_R所确定直线的交点，又同时是线段P_TP_B和线段P_LP_R的中点。P_T、P_o、P_B确定的方向对应一待测位移方向(一般为竖直方向)，P_L、P_o、P_B确定的方向对应另一待测位移方向(一般为水平方向)。实测时，标志板与待测位置(点)固连并在加载过程中同步运动。如果待测实体上需同时测量的位置有T个，则共需T个合作标志板、T组合作标志。

同理，每个平板上绘制的合作标志也可P₀、P₁、P₁三个为一组，P₀、P₁、P₂共面，P₀是线段P₀P₁和线段P₀P₂的交点，P₀、P₁确定的方向对应一待侧位移方向(一般为竖直方向)，P₀、P₂确定的方向对应另一待测位移方向(一般为水平方向)。实测时，标志板与待测位置(点)固连并在加载过程中同步运动。

相机的选择——如果待测实体上需同时测量的位置有T个，则使用T架高质量数字相机(成像畸变和成像噪声小)，并配备长焦镜头。相机焦距可调或定焦。按物距及成像比例和相机的成像面积确定各相机实测时所用焦距。

相机支架的选择——需T套稳固的相机支架。因本实验对相机及支架的稳定性要求十分严格，按着稳固性第一、方便灵活性第二的原则设计和选用相机支架。

图像采集卡的选择——需一对一或一对多图像采集卡若干。

计算机的选择——可使用采集卡的计算机若干。

本发明方法的精度分析——合作标志采用十字丝，图像上其中心位置的提取精度设为δ像素，由于该问题中有意义的只是同幅图像中不同标志点及不同图像中同一标志点间的相对位置，而各合作标志的形态基本一致，所以用模板相关法进行精确定位时，标志间相对位置的测量精度比标志中心位置的提取精度更优。

设l_TB和l_LR为m像素，L_TB和L_LR为M毫米，合作标志实际间距的偏差为Δ毫米，则测量结果的误差估计值为：

由于m＞＞δ，M＞＞Δ，故如果相机足够稳定且环境条件良好(采图质量好、电源稳定、气流扰动小等)，则测量精度主要由放大倍数 和标志点提取精度δ决定。设使用典型的分辨率为768×576dpi的数字相机，取m＝400，M＝300，Δ＝1，δ＝0.05，则按式(13)计算得到的测量结果的误差估计值为0.038毫米。

气流扰动及各种干扰可当作噪声，主要影响成像的像素精度，为精度分析方便，将其归结为图像点提取精度。为提高精度，采用多次平均方法。对于纯随机噪声，n次平均的精度是单次精度的

可见，要保证和提高测量精度，需从以下几方面着手：

1.在测量过程中保持相机的稳定。由于在测量过程中不取静止参照物，即本质上测量的是待测位置(点)相对于相机的变化。由于物距远大于象距，即放大倍数很大，如果相机参数在测量过程中发生了不可知的改变，其引起的象平面上的微小变化将对应实物很大的变化。如果相机不够稳定，会给测量结果带来相当大的影响，甚至使测量结果失去实际意义。

2.采用高光学分辨率的相机，减小拍摄视场并尽量使合作标志P_o、P_T、P_B、P_L、P_R充满视场。该措施的目的是减小式(13)中的M、增大m，即减小式中的 项。虽然减小M会相应地增大 项，但一般的，由于M＞＞Δ， 项对测量结果精度的影响远比 项的影响显著。

3.采用镜头畸变，尤其是非辐射对称畸变小的相机。原因在于象机不做标定，对于镜头畸变、尤其是非辐射对称的镜头畸变无法消除影响。

4.提高标志点提取精度并且同一状态多次采集取平均。

5.提高合作标志实际间距的精度。

6.采用高质量图像采集卡。高质量图像采集卡引起的图像失真小。

7.创造和利用良好的作业环境。作业现场应有稳定的电源供应、稳定的大气环境及合适的照明条件。最好的作业时间是初春、深秋或冬季的子夜，最好的气候条件是阴冷、干燥、无风(包括此前的日间)，在这样的作业时间和气候条件下气流的扰动极小，并且控制人流和车流，便于作业的实施。

本发明对软件的要求是：软件性能可靠，人机交互型好。软件系统具备以下功能：

1.图像管理与处理；

2.标志点自动和手动精确提取；

3.首帧图像人工引导，后续图像自动和跟踪提取标志点；

4.对数据进行所要求的处理；

5.测量结果输出和显示。

对环境的要求是：作业现场应有稳定的电源供应、稳定的大气环境及合适的照明条件。现场实验时附近应没有显著的震动源。

本发明与现有技术相比具有以下优点：采用上述方法进行测量，使计算待测目标的实际位移量不需对相机进行标定，用单个相机就能高精度监测远距离目标的面内位移量；实现对合作标志进行全场自动识别、跟踪和亚像素高精度定位；通过程序采用高频采图求取均值的方法消除低频大气扰动影响，使测量精度更高。本发明适用于一般水平位移，山体滑坡，楼房沉降、倾斜等领域的实际测量。

附图说明

图1是本发明中的合作标志板及其上的合作标志的示意图；

图2是待测点在图像上的位移向指定方向投影图；

图3是本发明的作业现场示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1～图3所示，本发明的远距离面内小位移测量方法包括以下步骤：

制作合作标志板，如图1——在合作标志板的中心、上方、下方、左方及右方各绘制合作标志P_o、P_T、P_B、P_L、P_R，其中上、下合作标志P_T、P_B之间的距离L_TB(单位：毫米)和左、右合作标志P_L、P_R之间的距离L_LR(单位：毫米)已知。合作标志板的制作方法是：加工一个可与待测实体固连的平板，每个平板上绘制有P_o、P_T、P_B、P_L、P_R五个为一组的合作标志。P_o、P_T、P_B、P_L、P_R共面，P_o既是P_T、P_B所确定直线与P_L、P_R所确定直线的交点，又同时是线段P_TP_B和线段P_LP_R的中点。P_T、P_o、P_B确定的方向对应一待测位移方向(一般为竖直方向)，P_L、P_o、P_R确定的方向对应另一待测位移方向(一般为水平方向)。实测时，标志板与待测位置(点)固连并在加载过程中同步运动。如果待测实体上需同时测量的位置有T个，则共需T个合作标志板、T组合作标志。

连接合作标志板与待测实体——将合作标志板与待测实体固连，使上、下两个合作标志沿着竖直方向，左、右两个合作标志沿着水平方向，待测实体的位移亦沿这两个方向。

采集合作标志图像——用架设在远处的的相机采集到各种状态下包含上述五个合作标志P_o、P_T、P_B、P_L、P_R的图像，且：a.尽量使视野较小(即拉长焦距)，以增大图像的实际分辨率；b.尽量使待测位置(点)处的合作标志位于图像中心，以减小成像畸变的影响(因成像畸变主要是对称的)。在同一组实验的整个采图过程中，保持相机的各种参数(位置、方向、焦距等)不变。为了抑制大气扰动以及其它白噪声的影响，在各个状态下都采集多帧图像解算并取平均。

计算初始状态时采集的图像的成像比例——对初始状态时采集的图像，精确提取各合作标志中心位置，计算图像上P_T、P_B间的距离l_TB和P_L、P_R间的距离l_LR(单位：像素)，则两个方向上的成像比例(单位：毫米/像素)分别为：

k_TB＝L_TB/l_TB          (1)

k_LR＝L_LR/l_LR          (2)

其中，l_TB和l_LR分别为：

$l_{\mathrm{TB}}=\sqrt{{(x_B-x_T)}^2+{(y_B-y_T)}^2}---\left(3\right)$

$l_{\mathrm{LR}}=\sqrt{{(x_R-x_L)}^2+{(y_R-y_L)}^2}---\left(4\right)$

测得图像上P_o的位移——精确提取初始状态及后续各状态时待测位置(点)处的合作标志P_o在图像上的精确位置；设空载时提取的P_o的图像位置为(x₀，y₀)，第i次加载时提取的P_o的图像位置为(x_i，y_i)，则可测得图像上P_o的位移(单位：像素)。

计算待测位置(点)处在垂直和水平两个方向上的实际位移量D_TB和D_LR——将测得的图像上P_o的位移分别向P_T、P_B确定的方向(对应待测实体的水平位移方向，与图像坐标系的x轴夹角为)和P_L、P_R确定的方向(对应待测实体的竖直位移方向，与图像坐标系的y轴夹角为ψ)投影，如图2，则图像上P_o在这两个方向上的位移d_TB和d_LR(单位：像素)分别为：

$d_{\mathrm{LR}}=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}\·\cos [\arctan \left(\frac{y_i-y_0}{x_i-x_0}\right)-\mathrm{\ψ}]---\left(6\right)$

其中，和ψ分别为：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{y_R-y_L}{x_R-x_L}\right)---\left(8\right)$

其中，x_T、y_T、x_B、y_B、x_L、y_L、x_R、y_R分别为在空载时采集的图像上测得的P_T、P_B、P_L、P_R的图像坐标。

而待测位置(点)处在这两个方向上的实际位移量D_TB和D_LR(单位：毫米)分别为：

D_TB＝k_TB·d_TB      (9)

D_LR＝k_LR·d_LR      (10)

至此，即得到了需要的结果。

综合以上的式(1)～(8)，可得由图像上的测量值计算实际位移量的公式为：

$D_{\mathrm{TB}}=[L_{\mathrm{TB}}/\sqrt{{(x_B-x_T)}^2+{(y_B-y_T)}^2}]\·\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}\·\cos [\arctan \left(\frac{x_i-x_0}{y_i-y_0}\right)+\arctan \left(\frac{x_B-x_T}{y_T-y_B}\right)]---\left(11\right)$

$D_{\mathrm{LR}}=[L_{\mathrm{TB}}/\sqrt{{(x_R-x_L)}^2+{(y_R-y_L)}^2}]\·\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}\·\cos [\arctan \left(\frac{x_i-x_0}{y_i-y_0}\right)+\arctan \left(\frac{x_R-x_L}{y_R-y_L}\right)]---\left(12\right)$

本发明的测定方法并不限于以上实施例，只要是本说明书中提及的方案均是可以实施的。

Claims (10)

1、远距离面内小位移测量方法，它包括以下步骤：

制作合作标志板——在合作标志板的中心、上方和/或下方、左方和/或右方各绘制一个合作标志P_O、P_T和/或P_B、P_L和/或P_R，其中各合作标志之间的距离已知，该距离单位为：毫米；

连接合作标志板与待测实体——将合作标志板与待测实体固连，使上、下两个合作标志沿着竖直方向，左、右两个合作标志沿着水平方向，待测实体的位移亦沿这两个方向；

采集合作标志图象——用架设在远处的的相机采集到各种状态下包含上述五个合作标志P_O、P_T和/或P_B、P_L和/或P_R的图象；

计算初始状态时采集的图象的成象比例——对初始状态时采集的图象，精确提取各合作标志中心位置，计算图象上竖直方向的合作标志间的距离和水平方向的合作标志间的距离，该距离单位为：像素，则两个方向上的成象比例分别为：合作标志板上竖直方向合作标志间的实际距离与图像中竖直方向合作标志间的像素距离之间的比值，合作标志板上水平方向合作标志间的实际距离与图像中水平方向合作标志间的像素距离之间的比值成象比例单位为：毫米/象素；

测得图象上P_O的位移——精确提取初始状态及后续各状态时待测位置处的合作标志P_O在图象上的精确位置；设空载时提取的P_O的图象位置为x₀，y₀，第i次加载时提取的P_O的图象位置为x_i，y_i，则可测得图象上P_O的位移，位移单位为：象素；

计算待测位置处在竖直和水平两个方向上的实际位移量——将测得的图象上P_O的位移分别向竖直方向和水平方向投影，其中对应待测实体的水平位移方向，与图象坐标系的x轴夹角为；对应待测实体的竖直位移方向，与图象坐标系的y轴夹角为ψ，计算出图像上P_O在这两个方向上的位移，而待测位置处在这两个方向上的实际位移量分别为：竖直方向上的成像比例与P_O在竖直方向上位移的乘积；水平方向上的成像比例与P_O在水平方向上位移的乘积。

2、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的采集合作标志图象步骤中，需要拉长相机焦距，使视野较小，以增大图象的实际分辨率；

3、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的采集合作标志图象步骤中，使待测位置处的合作标志位于图象中心，以减小成象畸变的影响。

4、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的采集合作标志图象步骤中，在同一组实验的整个采图过程中，保持相机的各种参数不变。

5、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的采集合作标志图象步骤中，在各个状态下都采集多帧图象解算并取平均。

6、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所在述的合作标志板的制作方法是：选择可与待测实体固连的平板，并在平板上绘制有P_O、P_T、P_B、P_L、P_R五个为一组的合作标志；P_O、P_T、P_B、P_L、P_R共面，P_O既是P_T、P_B所确定直线与P_L、P_R所确定直线的交点，又同时是线段P_TP_B和线段P_LP_R的中点；P_T、P_O、P_B确定的方向对应一待测位移方向，P_L、P_O、P_R确定的方向对应另一待测位移方向。

7、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的相机为高质量数字相机，并配备长焦镜头，相机焦距为可调或定焦，按物距及成象比例和相机的成象面积确定各相机实测时所用焦距。

8、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：所述的相机其支架需稳固。

9、根据权利要求1所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：本方法中还采用了一对一或一对多的图象采集卡。

10、根据权利要求1或9所述的远距离面内小位移测量方法，其特征在于：本方法还需要可使用图象采集卡的计算机。

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