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】
[0001] 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】
[0002] 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 于经炜仪、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】
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] -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：
[0006] (一）、自动化摄影测量系统硬件操作方法：
[0007] 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；
[0008] (1)、摄影测量单元系统包括相机、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；
[0009] 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；
[0010] 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；为保证相机的安全长时间使用，采用密闭小舱对相机进行密封；
[0011] 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：
[0012]
[0013] (2)、运载单元系统是相机的搭载工具，通过PLC来控制相机按照指定轨迹稳定移 动，以便实现自动化测量；
[0014] (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；
[0015] (二）、自动化摄影测量系统软件的操作方法：
[0016] 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 另IJ、图像可靠性拼接匹配、自检校光束法平差三维数据解算；
[0017] (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：
[0018] Ax2+2Bxy+Cyz+2Dx+2Ey+l = 0
[0019] 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：
[0020]
[0021]
[0022] 式中：(x。，y。）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PJP P 2，分别为：
[0023]
[0024] 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；；
[0025] (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；
[0026] (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；
[0027] (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：
[0028] 1)输入：参数向量被分解为m个相机参数和η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 jP b i为函数参数，测量的影像坐标X %，用于LM算 法的阻尼系数μ ;
[0029] 2)输出：基于LM算法的光束法平差法方程解δ ;
[0030] 3)算法实现：
[0031] 计算派生矩阵，
[0032] 误差向量，其中，
[0033] 计算辅助参数：
通过增加 μ 到％和V i得到U /和V Λ计算
，从中计算δ a，其中S是由mXm块组成，块
其中S ]k是克罗内尔符号， 9
[0034] 通过
可以求解Sbl;
[0035] (三）、自动化摄影测量系统数据分析的操作方法：
[0036] 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；
[0037] ICP方法的配准步骤如下，对给定两个三维点集Xl和X2 :
[0038] 第一步，计算X2中的每一个点在Xl点集中的对应最近点；
[0039] 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；
[0040] 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；
[0041 ] 第四步，如果新的变换点集与参考点集满足目标函数
[0042]
[0043] 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；
[0044] 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 ci, Zj，球半径R已知，则球面可表示为：
[0045] (x-x0)2+ (y-y〇)2+ (Z-Z0)2 = R 2
[0046] 上式展开可以得到 CN 105157564 A ^ 4/8 贝
[0047]
[0048] 由上式得到误差方程：
[0049]
[0050] 其法方程为：
[0051]
[0052] 上式中，η为观测点的个数，
[0053]
根据法方程，求出e、f、g、h后，即可得到球心坐标为