CN207907834U - 用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，包括相机、云台、滑台、导轨和垫片，所述导轨的两端通过所述垫片与隧道壁固定连接，所述滑台与所述导轨可滑动连接，所述云台与所述滑台固定连接，所述相机安装在所述云台上。本实用新型用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统的多相机立体摄影系统辅助进行摄影测量，得到相机的内方位元素和畸变参数，从而实现隧道表面的三维建模，对施工期隧道形变进行监测。

Description

用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统

技术领域

本实用新型涉及形变监测技术领域，尤其涉及一种用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统。

背景技术

社会的经济发展离不开交通运输的支撑。特别是在偏远山区，交通因素尤为重要但由于其本身的复杂地势使其在与外界进行物质交流上具有先天的劣势。考虑到成本，便利等因素，现如今常采用的方法是利用隧道贯通山体。隧道具有断面大，附属设施多，运营环境要求高等特点，对于隧道建设的技术水平要求很高，特别是随着新兴高速公路与高速铁路的快速发展，对隧道工程的质量和安全性要求进一步提高，因此对于隧道工程进行形变监测是十分必要的。

传统进行形变监测的手段常用的是收敛仪法和全站仪法，但在实际应用都存在各自的缺陷：

收敛仪法通过测线长度的变化来反映隧道的收敛值，无法提供关于点位变形的三维信息，且测线数量有限，特别是收敛仪法是一种接触测量方法，在大型隧道及地下空间中无法使用，现场经常发生随着断面扩挖，原有的测线不得不放弃观测的情况，导致监测数据的间断；

全站仪法可实现非接触观测，并且能够获得点位变化的三维信息。但是全站仪法对现场环境条件的要求高，实际观测时间长，往往与施工作业发生矛盾，并且所能监测的变形点数量有限。

21世纪以来我国将近景摄影测量技术引入隧道形变监测领域，该技术操作简单，可以在较短时间内获得大量数据，且可以用计算机来完全代替人工计算。但在隧道施工和运营期间，存在自然光线不足或者空间有限的制约，尤其是在隧道施工期间受粉尘等作用的影响，由作业人员手持进行拍摄难以满足曝光时间的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，包括相机、云台、滑台、导轨和垫片，所述导轨的两端通过所述垫片与隧道壁固定连接，所述滑台与所述导轨可滑动连接，所述云台与所述滑台固定连接，所述相机安装在所述云台上。

具体地，所述垫片的上侧面设置有倒T型槽，所述倒T型槽的底面设置有螺孔，所述垫片穿过所述螺孔的螺钉与所述隧道壁固定连接。

具体地，所述导轨为工型结构，所述导轨的下侧板卡合在所述垫片的倒T 型槽内，所述导轨的下侧板厚度与所述垫片的倒T型槽的横槽深度相等，所述倒T型槽的竖槽宽度与所述导轨的中段宽度相等，所述倒T型槽竖槽的深度小于所述导轨中段的厚度。

具体地，所述滑台的下侧面设置有正T型槽，所述正T型槽横槽的深度与所述导轨的上侧板厚度相等，所述正T型槽的竖槽宽度与所述导轨的中段宽度相等，所述正T型槽竖槽的深度等于所述导轨中段的厚度。

具体地，所述云台的下侧面通过四个呈矩形分布的连接杆与所述滑台的上侧面固定连接，所述相机与所述云台的上侧面固定连接。

优选地，所述滑台的上侧面设置有螺纹孔，所述连接杆的下端设置有与所述螺纹孔适配的螺纹柱，所述云台上设置有通孔，所述连接杆的上端设置有带螺纹的连接孔，所述连接杆的下端通过所述螺纹孔和所述螺纹柱与所述滑台固定连接，所述连接杆的上端通过穿过所述连接孔的螺钉与所述云台固定连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统采用多相机立体摄影系统辅助进行摄影测量，得到相机的内方位元素和畸变参数，从而实现隧道表面的三维建模，对施工期隧道形变进行监测。

附图说明

图1是本实用新型所述立体摄影系统的结构示意图；

图2是本实用新型所述垫片的结构示意图；

图3是本实用新型所述导轨的结构示意图；

图4是本实用新型所述滑台和所述云台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

本实用新型本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

如图1、图2、图3和图4所示，立体摄影系统包括相机6、云台4、滑台3、导轨2和垫片1，导轨2的两端通过垫片1与隧道壁固定连接，滑台3与导轨2 可滑动连接，云台4与滑台3固定连接，相机6安装在云台4上。

垫片1的上侧面设置有倒T型槽11，倒T型槽11的底面设置有螺孔，垫片 1穿过螺孔的螺钉与隧道壁固定连接。

导轨2为工型结构，导轨的下侧板卡合在垫片1的倒T型槽11内，导轨2 的下侧板23厚度与垫片1的倒T型槽11的横槽深度相等，倒T型槽11的竖槽宽度与导轨2的中段宽度相等，倒T型槽11竖槽的深度小于导轨2的中段22 的厚度。

滑台3的下侧面设置有正T型槽31，正T型槽31横槽的深度与导轨2的上侧板21厚度相等，正T型槽31的竖槽宽度与导轨2的中段宽度相等，正T型槽31竖槽的深度等于导轨2的中段22的厚度。

云台4的下侧面通过四个呈矩形分布的连接杆5与滑台3的上侧面固定连接，相机6与云台4的上侧面固定连接。

滑台3的上侧面设置有螺纹孔，连接杆5的下端设置有与螺纹孔适配的螺纹柱，云台4上设置有通孔，连接杆5的上端设置有带螺纹的连接孔，连接杆5 的下端通过螺纹孔和螺纹柱与滑台3固定连接，连接杆5的上端通过穿过连接孔的螺钉与云台4固定连接。

通过螺钉将垫片1固定在隧道内侧，然后将导轨2卡合到垫片1的倒T型槽11内，在将滑块的正T型槽31卡合到导轨2上，并可以沿导轨滑动，从而控制相机6在导轨2上的位置。

保证相机6在滑动过程中的稳定状态，而导轨2通过滑台3的底座经过抛光打磨处理，保证姿态稳定滑动的同时，也保证了在滑动过程中的速度稳定。

基于该立体摄影系统，采用下述方式进行形变测量，一种近景摄影进行隧道快速形变测量的检测方法，包括相机检校、影像采集、空三匹配、点云生成和形变检测；

S1、相机检校，通过建立已知物点和像点的对应关系，计算成像系统的内方位元素；

具体包括以下步骤：

A1、固定相机拍摄标定板，获取标定板的影像，根据相机共线方程成像模型，获取等式：

其最小特征值所对应的特征向量为式(1)的最小二乘解；

式中：s为与齐次世界坐标有关的比例缩放因子

u为以像素为单位，以图像左上角为原点的图像坐标系的横坐标

v为以像素为单位，以图像左上角为原点的图像坐标系的纵坐标

A为相机内参数矩阵

R为物方坐标系与影像坐标系旋转变换的旋转矩阵

t为两坐标系原点的平移向量

X Y Z为物方坐标系坐标

A2、根据式(1)的最小特征值建立评价函数，利用Levenberg-Marquarat 算法求解内方位元素，建立相机内方位元素求解的两个约束条件：

令

解得内方位元素：

式中：h为单应性矩阵，即上述A矩阵与[R,t]相乘得到的矩阵

B为A^-TA^-1其中为相机内参数矩阵

α为一个像素在X方向的物理尺寸

β为一个像素在Y方向的物理尺寸

γ为倾斜因子，表示像素坐标系中两个轴之间的角度

f为主距即摄影中心到影像平面的距离

λ为任意标量使得H＝λA[r₁,r₂,t]

A3、转动标定板，从不同的角度拍摄n幅图像，求解下式的最小值得到最大似然估计，

式中：m为图像中相同的标定点数量；

m_ij是三维场景中第j个物点在第i幅图像上的像坐标矢量；

R_i是第i幅图像的旋转矩阵；

t_i是第i幅图像的平移量；

M_j是三维场景中第j个物点的空间坐标；

是通过已知初始值得到的像点估计坐标；

A4、镜头畸变校正，设定径向畸变的畸变模型：

式中：(x,y)为校正前的图像坐标；

为校正后的图像坐标；

k₁为一阶径向畸变系数；

k₂为二阶径向畸变系数；

将式(5)转换为像素坐标：

式中：(u,v)为校正前的图像像素坐标；

为校正后的图像像素坐标；

将n幅图像的像素坐标方程叠加，得到矩阵：

简化得：

Dk＝d (8)

对式(8)进行最小二乘方法求的畸变参数：

k＝(D^TD)^-1D^Td (9)

A5、求的k₁和k₂，通过非线性化优化过程校正内方位元素，重新计算然后重新应用最大似然估计和Levenber-Marquarat算法迭代进行最小化处理，减小径向畸变误差，求得内方位元素。

S2、影像采集，将立体摄影系统设置在隧道内，采集测区影像；

使用多相机立体摄影系统采集影像，能够保证摄影基站稳定，有效减少受外方位元素波动带来的解算残差。采集影像过程中应满足如下要求：

摄站个数至少保证3站，自被摄物区域依次摄影。

被摄物必须充满相机像幅(画面)80％以上，否则应更换镜头或者调整摄影距离，这一点是保证影像间匹配的基本要求，必须满足。

若被摄物有转角，为保证影像能够匹配，应当分为两个工程进行拍摄。并在采集影像时保证相邻测区有30％以上的重叠度，并且转角处应布置控制点作为连接点。

受隧道施工，运营光线较差的影像，所拍摄的照片往往不能满足摄影测量的需求，在影像数据处理之前需针对影像进行必要的处理，以实现影像增强效果。

S3、空三匹配，人工给定航带内立体像对的种子点和航带间相应影像的种子点，获取不同影像上的同名点，给定匹配像对两张影像间的概略偏移量；

S4、点云生成，生成隧道内部结构面的三维点云，构建三维模型；

空三完成后进行加密匹配，生成隧道内部结构面三维点云，通过针对生成点云粗差提出后构建TIN网创建三维模型。

S5、形变检测，针对隧道施工的不同阶段，获取同一区域在不同时相生成的三维点云，对所生成的三维点云采用克里金插值分别进行拟合得到拟合曲面，对不同时相的拟合曲面做差得到点云插至图，实现对隧道的形变监测。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于，包括相机、云台、滑台、导轨和垫片，所述导轨的两端通过所述垫片与隧道壁固定连接，所述滑台与所述导轨可滑动连接，所述云台与所述滑台固定连接，所述相机安装在所述云台上。

2.根据权利要求1所述的用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于：所述垫片的上侧面设置有倒T型槽，所述倒T型槽的底面设置有螺孔，所述垫片穿过所述螺孔的螺钉与所述隧道壁固定连接。

3.根据权利要求2所述的用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于：所述导轨为工型结构，所述导轨的下侧板卡合在所述垫片的倒T型槽内，所述导轨的下侧板厚度与所述垫片的倒T型槽的横槽深度相等，所述倒T型槽的竖槽宽度与所述导轨的中段宽度相等，所述倒T型槽竖槽的深度小于所述导轨中段的厚度。

4.根据权利要求3所述的用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于：所述滑台的下侧面设置有正T型槽，所述正T型槽横槽的深度与所述导轨的上侧板厚度相等，所述正T型槽的竖槽宽度与所述导轨的中段宽度相等，所述正T型槽竖槽的深度等于所述导轨中段的厚度。

5.根据权利要求2所述的用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于：所述云台的下侧面通过四个呈矩形分布的连接杆与所述滑台的上侧面固定连接，所述相机与所述云台的上侧面固定连接。

6.根据权利要求5所述的用于近景摄影进行隧道快速形变测量的立体摄影系统，其特征在于：所述滑台的上侧面设置有螺纹孔，所述连接杆的下端设置有与所述螺纹孔适配的螺纹柱，所述云台上设置有通孔，所述连接杆的上端设置有带螺纹的连接孔，所述连接杆的下端通过所述螺纹孔和所述螺纹柱与所述滑台固定连接，所述连接杆的上端通过穿过所述连接孔的螺钉与所述云台固定连接。