[發明專利]一種大型結構體姿態及位移變形的像機網絡攝像測量方法及裝置

有效

• 申請號: 200910042846.0
• 申請日: 2009-03-11
• 公開（公告）號: CN101504272A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發明（設計）人: 于起峰;晁志超;姜廣文;伏思華;尚洋
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/16
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司
• 代理人: 馬 強

技術領域

本發明涉及數字攝像測量、計算機視覺、變形監測等領域，進一步是指利用像機網絡攝像測量的方法進行大型結構體姿態及位移變形的高精度實時全自動監測測量。

背景技術

實際應用中，實時、精確的監測大型結構體的姿態及位移變形對其進行受力分析、結構建模、安全監控等均具有重要的價值和意義。

民用領域，在地鐵、隧道施工或橋梁、大壩建設過程中，如果由于地質或施工原因而導致圍巖變形甚至坍塌事故，往往造成重大的人員傷亡和財產損失，因此需要對坑道的斷面及圍巖變形等大型結構體進行實時的測量和監控。在地鐵及橋梁建成運營期間，為了隨時掌握自身及周圍環境影響引起的變形變化，需要對這些大型結構體長期積累變形測量數據，分析變形規律，為設施的定期維修和后續改進設計提供必要的參考依據。軍事及航天領域，大型艦船(潛艇)由于波浪沖擊、負載變化、長期老化或戰斗損傷等因素產生船體變形，進而導致艦載觀測系統的性能下降。大型空間站及飛船、塔架等大型結構體安裝后隨時間積累會產生設計之外的變形，為了進一步改進設計，優化結構，需要長期精確測量變形量。傳統上通常采用經緯儀、水準儀、激光測距儀等測量技術，這些方法原理簡單，理論成熟，操作方便，解決了大量實際工程問題。但其存在以下不足：

一、要求有嚴格的通視條件，一種儀器通常只能測量一維變形，需要多種儀器多次測量才能確定三維變形；

二、在測量變形的同時不能給出絕對的位置定位；

三、勞動量大，自動化程度低，實時性差；

四、受外界環境影響較大，測量工作效率低。

隨著全球定位系統的發展，利用GPS定位技術測量大型結構體的位置和變形日益成熟。GPS技術定位精度高，測量時間短，測站間無需通視，測量工作可以全天候進行，但GPS不能應用于地下施工、隧道建設等信號封閉、遮擋地域，只能測量待測點位的位置變化，不能同時給出姿態變化。

與此同時，攝像測量方法由于具有非接觸、精度高等特點，在許多領域有著廣泛的應用。然而傳統的攝像測量技術都是測量可通視的物體間的相對位置和姿態。現實情況中的大型結構體一般比較復雜，測量基準與被測目標往往不可通視。

針對這一情況，申請人的國際專利PCT/CN2007/000476公開了一種不通視目標三維位置姿態的折線光路傳遞攝像測量方法，解決了不通視目標(相對)三維位置姿態的測量問題，但其只測量了兩點之間的三維位置姿態關系，且精度和可靠性有待進一步提高。

發明內容

本發明針對大型結構體中不通視的多點位姿測量及其形變的監測難題，在折線光路的基礎上進一步提出了一種大型結構體姿態及位移變形的像機網絡攝像測量方法及實現裝置，通過將測量基準點處的基準坐標系利用像機網絡傳遞到任意所需要的位置和場合，實時精確的測量出大型結構體多個待測點在統一基準坐標系下的姿態和位移形變數據；且該方法實現簡單，總體成本較之折線光路的方法更低，且可靠性和測量精度更高。

本發明采取的具體技術方案是，一種大型結構體姿態及位移變形的像機網絡攝像測量方法，包括如下步驟：

1)首先構建像機網絡的網絡節點，設定測量基準作為起始節點，待測目標作為像機網絡的網絡節點，該網絡節點可以選擇為中轉節點，也可以選擇為末級節點，在測量基準和待測目標之間設置由像機和標志塊或像機與像機組成的測量基站作為中轉節點；

2)測試前首先標定各級測量基站的像機參數，標定標志塊和像機間的相對位置姿態參數，與測量基準固連的標志塊或像機相對于基準坐標系的位置姿態參數；

3)通過設置在像機網絡中網絡節點處的像機拍攝相鄰網絡節點處的標志塊，使得測量基準和待測目標之間能夠通過像機網絡中的一個或多個通路連接起來；

4)實時處理各級像機拍攝的圖像，解算各級網絡節點的相對位置姿態；

5)根據上述各級網絡節點的相對位置姿態，得出所有待測目標在測量基準坐標系下的位置姿態；

本發明特征在于，當需要測量結構體不同方向表面上多個待測目標的動態變形時，像網絡中的測量基站由兩臺像機與標志塊固連而成，其中一臺像機拍攝相鄰的網絡節點以傳遞基準坐標系，另一臺像機拍攝結構體表面上的待測目標，利用圖像處理和單目、多目計算機視覺的方法對所拍攝的物體進行位置姿態測算，從而得到在統一坐標系下該結構體不同方向表面上多個待測目標的動態變形數據。為了提高測量精度，充分利用像機網絡資源，可以利用多路徑數據融合和閉合回路一致性約束等對像機位姿解算結果進行進一步優化。