[发明专利]地铁隧道相对变形的摄影测量方法

摘要

一种地铁隧道相对变形的摄影测量方法，包括步骤：1)制作和标定活动控制系统，选取不在同一平面上的至少六个控制点；2)在地铁隧道管片的被测区域内选取至少三个待测点；3)活动控制架置于被测区域中，使用同一数码相机拍摄至少两个不同角度的包括所有控制点和待测点的照片；4)在下一被测区域重复步骤2)和3)，上一被测区域与下一被测区域应包括不少于3个公共的待测点；5)获取控制点和待测点的像平面坐标；6)数据处理，求解各待测点在同一物空间坐标系中的物空间坐标，并算得各待测点对于所选基准点的相对坐标；7)获得地铁隧道相应区域的相对变形量。本发明具有设备简单、操作方便、测量精度高和结果稳定的优点，适用各类隧道相对变形的测量。

主权项

一种地铁隧道相对变形的摄影测量方法，其特征在于：包括以下步骤：1)制作和标定活动控制系统：制作活动控制架，该活动控制架包括支架和若干人工标志，在所述支架上选取控制点并在该控制点处贴上人工标志，所述控制点的数量至少为六个且必须不在同一平面上，在所述活动控制架所在物方空间中任意选定坐标系，通过常规测量手段测得所有控制点在该坐标系的物空间坐标；2)选取待测点：在地铁隧道管片的被测区域内选取至少三个待测点，并且在该待测点处贴上人工标志；3)像片获取：将活动控制架置于所述被测区域中，建立该被测区域的物空间坐标系，使用同一数码相机从至少两个不同的角度分别对所述控制点和待测点各拍摄一张照片，构成该被测区域的照片组，每一照片必须同时拍摄到所有控制点和待测点，拍摄不同照片时所述数码相机的焦距必须一致；4)连续测量：将所述活动控制架移动至下一被测区域，重复上述步骤2)和3)，上一被测区域的待测点与下一被测区域的待测点应同时包括有不少于3个公共点，不同被测区域的拍摄应使用同一数码相机且焦距一致；根据需要，将所述活动控制架逐一移动至后续被测区域，在各后续被测区域内重复步骤2)和3)；5)获取控制点和待测点的像平面坐标：通过计算机使用现有图像处理技术的软件对各被测区域的照片组进行处理，获得所有控制点的像点和待测点的像点在照片上的像平面坐标；6)数据处理：根据直接线性变换算法，求解各被测区域内待测点在同一物空间坐标系中的物空间坐标，并算得各待测点对于所选基准点的相对坐标，内容包括：a、根据由步骤1)所得的所述被测区域所有控制点的物空间坐标以及由步骤5)所得的控制点的像点的像平面坐标，通过下列关系式解算出该被测区域物空间坐标系的特性系数：$\left.\begin{array}{c}{X}_k{l}_1+Y_k{l}_2+Z_k{l}_3+l_4+x_k{X}_k{l}_9+x_k{Y}_k{l}_{10}+x_k{Z}_k{l}_{11}+\mathrm{xk}=0\\ X_k{l}_5+Y_k{l}_6+Z_k{l}_7+l_8+y_k{X}_k{l}_9+y_k{Y}_k{l}_{10}+y_k{Z}_k{l}_{11}+y_k=0\end{array}\right\}---\left(1\right)$式中，X_k，Y_k，Z_k为控制点的物空间坐标，x_k，y_k为控制点的像点的像平面坐标，k＝1,2,…K，其中，k为控制点的序号，K为控制点的数量，K≥6，l₁，l₂，l₃，l₄，l₅，l₆，l₇，l₈，l₉，l₁₀，l₁₁为被测区域物空间坐标系的特性系数；b、根据由步骤6)a所得的被测区域物空间坐标系的特性系数以及由步骤5)所得的待测点的像点的像平面坐标，通过下列关系式解算出所述被测区域内所有待测点的物空间坐标：$\left.\begin{array}{c}(l_1+x_j{l}_9)X_j+(l_2+x_j{l}_{10})Y_j+(l_3+x_j{l}_{11})Z_j+(l_4+x_j)=0\\ (l_5+y_j{l}_9)X_j+(l_6+y_j{l}_{10})Y_j+(l_7+y_j{l}_{11})Z_j+(l_8+y_j)=0\end{array}\right\}---\left(2\right)$式中，X_j，Y_j，Z_j为待测点的物空间坐标，x_j，y_j为待测点的像点的像平面坐标，j＝1,2,…J，其中，j为待测点的序号，J为待测点的数量，J≥3，l₁，l₂，l₃，l₄，l₅，l₆，l₇，l₈，l₉，l₁₀，l₁₁为被测区域物空间坐标系的特性系数；c、重复上述步骤6)a和6)b，解算出所述下一被测区域内所有待测点的物空间坐标；d、根据由步骤6)a和6)b所得的上一被测区域中含公共点在内的所有待测点在该上一被测区域的物空间坐标以及由步骤6)c所得的下一被测区域中含公共点在内的所有待测点在下一被测区域的物空间坐标，通过下列关系式解算出下一被测区域中所有待测点在上一被测区域的物空间坐标，具体包括：分别解算该上一被测区域和下一被测区域内公共点的重心坐标：$\left.\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{X}_{1G}\\ Y_{1G}\\ Z_{1G}\end{array}\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}{X}_{1i}\\ Y_{1i}\\ Z_{1i}\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{c}{X}_{2G}\\ Y_{2G}\\ Z_{2G}\end{array}\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}{X}_{2i}\\ Y_{2i}\\ Z_{2i}\end{array}\right)\end{array}\right\}---\left(3\right)$解算公共点重心化以后的坐标：$\left.\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{X^{\′}}_{1i}\\ {Y^{\′}}_{1i}\\ {Z^{\′}}_{1i}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{1i}\\ Y_{1i}\\ Z_{1i}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{X}_{1G}\\ Y_{1G}\\ Z_{1G}\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{c}{X^{\′}}_{2i}\\ {Y^{\′}}_{2i}\\ {Z^{\′}}_{2i}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_{2i}\\ Y_{2i}\\ Z_{2i}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{X}_{2G}\\ Y_{2G}\\ Z_{2G}\end{array}\right)\end{array}\right\}---\left(4\right)$解算上一被测区域的物空间坐标系对下一被测区域的物空间坐标系的旋转矩阵：$\left(\begin{array}{c}{X^{\′}}_{2i}\\ {Y^{\′}}_{2i}\\ {Z^{\′}}_{2i}\end{array}\right)=R_{12}\left(\begin{array}{c}{X^{\′}}_{1i}\\ {Y^{\′}}_{1i}\\ {Z^{\′}}_{1i}\end{array}\right)---\left(5\right)$解算下一被测区域中所有待测点在上一被测区域的物空间坐标：$\left(\begin{array}{c}{X}_{1^j}\\ Y_{1^j}\\ Z_{1^j}\end{array}\right)=R_{12}\left[\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{X}_{2^j}\\ Y_{2^j}\\ Z_{2^j}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{X}_{2G}\\ Y_{2G}\\ Z_{2G}\end{array}\right)\end{array}\right]+\left(\begin{array}{c}{X}_{1G}\\ Y_{1G}\\ Z_{1G}\end{array}\right)---\left(6\right)$式(3)、(4)、(5)、(6)中，X_1j，Y_1j，Z_1j为待测点在上一被测区域物空间坐标系中的坐标，X_2j，Y_2j，Z_2j为待测点在下一被测区域物空间坐标系中的坐标，j＝1,2,…J，其中，j为待测点的序号，J为待测点的数量，J≥3，X_1G，Y_1G，Z_1G为公共点在上一被测区域物空间坐标系中重心的坐标，X_2G，Y_2G，Z_2G为公共点在下一被测区域物空间坐标系中重心的坐标，X_1i，Y_1i，Z_1i为公共点在上一被测区域物空间坐标系中的坐标，X_2i，Y_2i，Z_2i为公共点在下一被测区域物空间坐标系中的坐标，X’_1i，Y’_1i，Z’_1i为公共点在上一被测区域物空间坐标系中构造重心化后的坐标，X’_2i，Y’_2i，Z’_2i为公共点在下一被测区域物空间坐标系中构造重心化后的坐标，i＝1,2,…N，其中，i为公共点的序号，N为该组公共点中公共点的数量，R₁₂为下一被测区域物空间坐标系对上一被测区域物空间坐标系的旋转矩阵；e、任选择一个待测点作为基准点，解算各待测点相对于基准点的相对坐标：X_j–X₀，Y_j–Y₀，Z_j–Z₀，其中，X₀，Y₀，Z₀为基准点在上一被测区域物空间坐标系中的坐标，j＝1,2,…J，j为待测点的序号，J为待测点的数量；7)获得地铁隧道的相对变形量：将步骤6)e所得的各待测点相对于基准点的相对坐标与理论尺寸值比较，得到地铁隧道相应区域的相对变形量。