一種水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法
2023-10-05 03:32:09 1
一種水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法
【專利摘要】本發明涉及水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法，有效解決施工現場條件要求高，安裝檢測麻煩，工作效率低，精度低的問題，在水利工程閘門的門葉、底檻下遊邊緣、側止水板邊緣與面及支鉸軸端面及其圓周的特徵部位上設置測量點，並統一編號；布設基準尺；在不同位置對閘門已布設標誌的部位拍攝，獲取具有一定重疊的影像，對影像進行測量處理，得到閘門安裝檢測指導點的三維坐標；進行初步的幾何分析和形狀誤差檢測，利用閘門測量數據擬合生成標準形狀，並對直線、平面、圓的形狀誤差進行檢測，處理後，與理論設計參數進行比較分析，指導閘門的現場安裝檢測，本發明可靠、高效實用、靈活便攜、非接觸、精度高特點，應用面廣。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及攝影測量領域，特別是方便的用於水利工程閘門高精度快速(快捷）安 裝檢測的一種水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法。 一種水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測 量方法
【背景技術】
[0002] 目前，隨著國民經濟的快速發展，我國眾多大型水利工程陸續展開施工建設、竣工 驗收等，而期間針對水利工程的一個關鍵部件--閘門，如何對其進行快速高精度安裝檢 測仍是一個難點。在以往的閘門安裝檢測中主要使用經緯儀三坐標測量系統和建立高精度 控制網，但這些方法操作繁瑣、費時費工、很不方便。而目前實際工程中一般採用高精度全 站儀大尺寸三坐標測量系統對水利工程閘門進行安裝檢測，但其在實施測量過程中同樣首 先需要在適當的位置處安置儀器，然後針對閘門部件部分特徵點逐點進行採集數據，最後 利用專業軟體對數據進行處理分析。即便如此，但整個測量實施過程中仍需要一些先決條 件才能保證測量工作的順利進行：如需要較為寬敞的適當的穩定的儀器安置場地，需要人 工輔助照準標誌且為接觸式單點照準測量(測量時需人員爬站在特徵點處觸扶照準標誌一 反射片)，要求測點與儀器間不能有障礙物等。這些因素導致了對現場條件要求高、並且測 量工作效率低。而實際情況下一般一次性很難觀測所有的特徵點，就需要移站測量，這樣 測量效率就會更低。實踐中，在現場實際情況良好的情況下(無障礙物，也不移站的情況 下)，選用點位精度可以達到± (0.3?0.5)mm (短距離10m左右範圍內）的高精度全站儀 TCA2003測量某一大型弧形鋼閘門的約60個特徵點，並左右盤雙面觀測以達到規範規定的 測量點位精度為±0. 5mm以上的要求，加之數據處理分析等，則實施完成整個測量過程至 少約1. 5小時，可見其效率低下，滿足不了現代化水利快速施工的需要。因此，其改進和創 新勢在必行。
【發明內容】
[0003] 針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種水利工程閘 門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法，可有效解決施工現場條件要求高，安裝 檢測麻煩，工作效率低，精度低的問題。
[0004] 本發明解決的技術方案是，包括以下步驟： (1) 規劃布局、粘貼標誌：在水利工程閘門的門葉、底檻下遊邊緣、側止水板邊緣與面以 及支鉸軸端面及其圓周的特徵部位上設置特徵點，在特徵點上布設定向反光標誌，作為測 量點，並統一編號，以形成閘門安裝檢測的指導點； (2) 布設長度基準：在閘門所在測區範圍內上、中、下、左、右位置布設有標稱長度的若 幹根基準尺，以提供長度基準； (3) 拍攝像片：用工業像機(如INCA3工業像機，現有技術)在不同位置交向對閘門已布 設標誌的特徵部位進行拍攝，以獲取閘門特徵部位和基準尺在內的不同角度的具有一定重 疊的數張影像； (4) 影像數據處理：用數字攝影測量軟體對所獲取的影像進行測量處理，經過自動化的 像點識別、影像匹配、平差計算等數據處理，得到閘門安裝檢測指導點的三維坐標； (5) 結果分析、指導安裝檢測：對閘門的測量數據結果進行初步的幾何分析和形狀誤差 檢測，包括點、線、面之間的距離，線面、線線之間的角度以及各種幾何平行、垂直關係的計 算；利用閘門測量數據擬合生成標準形狀，並對直線、平面、圓的形狀誤差進行檢測；經坐 標轉換等處理後，與理論設計參數進行比較分析，然後根據水利水電工程鋼閘門製造安裝 及驗收規範所規定的工作閘門檢測的指標，來指導閘門的現場安裝檢測。
[0005] 本發明提供一種便捷的水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量 方法，該方法首先在水利工程閘門及附屬設施表面上適當粘貼定向反光標誌作為測量特徵 標誌點，然後選用一工業像機在一定規則要求下對粘貼有標誌的被測物表面進行攝影並獲 得高質量的影像，最後採用數字近景工業攝影測量系統軟體進行影像數據處理，經過自動 像點識別、影像匹配、平差計算等，得到各測量特徵標誌點的三維坐標，最終與閘門各設計 參數進行比較分析，以期完成對閘門的安裝檢測，具有可靠、高效實用、靈活便攜、非接觸、 精度高等特點，可用於各種惡劣複雜環境條件下的閘門的快速安裝檢測，也可用於各種閘 門的形變測量，應用面廣，具有很強的實用價值，經濟和社會效益巨大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 圖1為本發明的流程圖。
[0007] 圖2為本發明中水利工程弧形閘門整體示意圖。
[0008] 圖3為本發明中的閘門底檻特徵部位標誌點布設示意圖。
[0009] 圖4為本發明中布設的基準尺示意圖。
[0010] 圖5為本發明中的閘門側止水板特徵部位標誌點布設示意圖。
[0011] 圖6為本發明中的閘門支鉸特徵部位標誌點布設示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 以下結合具體情況對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0013] 由圖1-6給出，圖中1為支鉸,2為底榲,3為側止水板,4為基準尺,5為門葉,6為 支臂，7為布設的一般標誌點或編碼標誌點，8為支鉸軸端面,9為側止水板上遊邊緣,10為 側止水板下遊邊緣，11為底榲上遊，12為底榲下遊。
[0014] 本發明在具體實施時，如圖1所示，包括規劃布局粘貼標誌、布設長度基準、拍攝 像片、影像數據處理、結果分析以及指導安裝檢測，具體實施步驟如下： 1、 規劃布局、粘貼標誌：如圖2,在閘門的支臂6上的支鉸1、底檻2、側止水板3、門葉5 等表面上均勻粘貼交叉分布的圓形定向反光標誌（RRT，retro-reflective target)與點狀 編碼標誌7,作為測量點，並要求在連接或拐角處適當增加公共用的定向反光標誌與點狀編 碼標誌的個數，並以定向反光標誌或點狀編碼標誌的中心作為閘門安裝檢測的指導點，並 布設具有標稱長度的4一8根碳纖維基準尺4,作為長度基準； 2、 拍攝像片：選用INCA3型工業像機進行攝影，首先對工業像機進行參數設置並對照 被測物進行像機測光，然後在閘門前方的上、中、下、左、右位置處對整個閘門及附件進行交 向攝影，攝影距離為3?5m，影像間的重疊度要求為相鄰部分至少3個編碼公共點以及80% 以上重疊，每張影像至少要看到12個定向反光標誌與點狀編碼標誌7,為用於自檢校要求 每拍攝4?6張影像要旋轉像機90°再拍攝一次，拍攝時使交會角為60°?120°，如此以 得到高質量的影像； 3、 影像數據處理：採用V-STARS數字攝影測量系統，進行數據採集(如INCA3像機）和 影像數據處理，V-STARS (Video-Simultaneous Triangulation and Resection System)系 統是美國GSI公司研製的數字近景工業攝影三坐標測量系統。該系統主要具有三維測量精 度高(相對精度可達1/20萬)、非接觸、測量速度快、自動化程度高和能在惡劣環境中工作等 優點，是目前國際上最成熟的商業化工業數字近景攝影測量產品； 4、 用V-STARS數字攝影測量系統的V-STARS的數據處理軟體對所攝影像進行數據處 理，經過運行軟體Project - AutoMeasure處理後，得到Bundle平差結果； 5、 增加基準尺4的信息，直接選取導入已知的基準尺信息或手動輸入其標定長度； 6、 點擊軟體Project - Bundle - Run,重新進行平差計算； 7、 對處理後的影像數據結果進行統一有規則的命名，然後再Bundle平差一次，作為最 終平差結果，以便於閘門的安裝指導和檢測； 8、 將攝影數據處理的結果進行初步的幾何分析和形狀誤差檢測，並與原有設計參數數 據進行比較分析，根據規範中閘門安裝檢測的各項指標進行閘門最終的安裝指導調整，以 期達到評估各個檢測項目是否合格以及如何指導安裝調整。
[0015] 以下再結合圖2-圖6所示的水利工程弧形閘門的實際試驗情況，再對本發明的具 體實施方法作進一步的詳細說明。
[0016] 本發明在試驗中，（1)首先選取在閘門、支鉸1、底檻2、側止水板3表面上均勻粘 貼交叉分布的直徑為9_的圓形定向反光標誌與點狀編碼標誌7,其中，在閘門支臂6上的 支鉸軸端面8的周圍上布設8個、圓心上布設1個、底檻2表面上及下遊邊緣12處共布設 15個，底檻的上遊邊緣11可以不設(如圖3)，閘門每側的側止水板3表面及下遊邊緣10左 右兩側處分別布設23個，左右兩側共46個，側止水板上遊邊緣9可以不設(如圖5所示)， 門葉5的表面上布設80個，總共粘貼定向反光標誌150個，布設密度遠大於全站儀的標誌 點布設密度，以更好的對閘門各細部位置進行更為詳細的檢測； (2) 布設基準尺：如圖2所示，在測量範圍內的門葉表面中上、中下或中間位置處，布設 已標定4個長度基準的1根碳纖維基準尺4 ; (3) 用INCA3像機進行攝影，首先對工業像機進行參數設置並對照被測物進行像機測 光，在閘門前方上、中、下、左、右位置處共拍攝40張影像，拍攝時：攝影距離為3?5m，影 像間的重疊度要求為相鄰部分至少3個編碼公共點以及80%以上重疊，每張影像至少要看 到12個定向反光標誌與點狀編碼標誌7,為用於自檢校要求每拍攝4?6張影像旋轉像機 90°再拍攝一次，拍攝時使交會角為60°?120°，以得到高質量的影像； (4) 採用V-STARS系統（5mm + 5mm/m)數據處理軟體對所攝影像數據進行處理：經過軟 件Pro ject - AutoMeasure，得到Bundle平差結果；增加基準尺的4個基準長度的信息；然 後軟體Pro ject - Bundle - Run，重新進行平差計算；對處理後的影像數據結果進行統一 有規則的命名，最後再Bundle平差一次作為最終平差結果； (5) 經過數據分析優化處理，其最終測量精度可優於0. 1mm (約為全站儀測量精度的 4?5倍)，且整個測量實施過程用時約25分鐘(不足全站儀用時的1/3,而且所測點位越多 數字近景工業攝影測量方法速度優勢越明顯且點位精度不變)，可見與【背景技術】中的全站 儀測量方法相比較，數字近景工業攝影測量方法在水利工程閘門的安裝檢測的應用中精度 更高、適應性更強、更加快速高效。
[0017] 本發明經反覆試驗和試用，均取得了相同或相近似的結果，表明方法穩定可靠， 易操作，快捷、效率高，測量精度高，有效用於各種惡劣複雜環境條件下的閘門的快速安裝 檢測，以及各種閘門的形變測量，也就是說，本發明的數字近景工業攝影測量方法具有場地 空間適應能力強(無需安置儀器)，操作靈活方便(拍照)，測量速度快效率高(點位越多越明 顯)，精度高(相對精度可達1/20萬)，能夠實現非接觸、遠近距離的測量，能很好地指導閘門 的實際安裝檢測工作，因此對於水利工程閘門的安裝檢測是一種便捷高效的方法，具有很 強的實際應用價值，經濟和社會效益巨大。
【權利要求】
1. 一種水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方法，其特徵在於，包 括以下步驟： 1) 規劃布局、粘貼標誌：在水利工程閘門的門葉、底檻下遊邊緣、側止水板邊緣與面以 及支鉸軸端面及其圓周的特徵部位上設置特徵點，在特徵點上布設定向反光標誌，作為測 量點，並統一編號，以形成閘門安裝檢測的指導點； 2) 布設長度基準：在閘門所在測區範圍內上、中、下、左、右位置布設有標稱長度的若干 根基準尺，以提供長度基準； 3) 拍攝像片：用工業像機在不同位置交向對閘門已布設標誌的特徵部位進行拍攝，以 獲取閘門特徵部位和基準尺在內的不同角度的具有一定重疊的數張影像； 4) 影像數據處理：用數字攝影測量軟體對所獲取的影像進行測量處理，經過像點識別、 影像匹配、平差計算的數據處理，得到閘門安裝檢測指導點的三維坐標； 5) 結果分析、指導安裝檢測：對閘門的測量數據結果進行初步的幾何分析和形狀誤差 檢測，包括點、線、面之間的距離，線面、線線之間的角度以及各種幾何平行、垂直關係的計 算，利用閘門測量數據擬合生成標準形狀，並對直線、平面、圓的形狀誤差進行檢測；經坐標 轉換等處理後，與理論設計參數進行比較分析，然後根據水利水電工程鋼閘門製造安裝及 驗收規範所規定的工作閘門檢測的指標，來指導現場安裝檢測。
2. 根據權利要求1所述的水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量方 法，其特徵在於，包括以下步驟： 1) 、規劃布局、粘貼標誌：在閘門的支臂（6)上的支鉸（1)、底檻（2)、側止水板（3)、門 葉（5)的表面上均勻粘貼交叉分布的圓形定向反光標誌與點狀編碼標誌（7)，作為測量點， 並要求在連接或拐角處適當增加公共用的定向反光標誌與點狀編碼標誌的個數，並以定向 反光標誌或點狀編碼標誌的中心作為閘門安裝檢測的指導點，並布設具有標稱長度的4一8 根碳纖維基準尺（4)，作為長度基準； 2) 、拍攝像片：選用INCA3型工業像機進行攝影，首先對工業像機進行參數設置並對照 被測物進行像機測光，然後在閘門前方的上、中、下、左、右位置處對整個閘門及附件進行交 向攝影，攝影距離為3?5m，影像間的重疊度要求為相鄰部分至少3個編碼公共點以及80% 以上重疊，每張影像至少要看到12個定向反光標誌與點狀編碼標誌（7)，為用於自檢校要 求每拍攝4?6張影像要旋轉像機90°再拍攝一次，拍攝時使交會角為60°?120°，如此 以得到高質量的影像； 3) 、影像數據處理：採用V-STARS數字攝影測量系統，進行數據採集和影像數據處理； 4) 、用V-STARS數字攝影測量系統的V-STARS的數據處理軟體對所攝影像進行數據處 理，經過運行軟體Project - AutoMeasure處理後，得到Bundle平差結果； 5) 、增加基準尺（4)的信息，直接選取導入已知的基準尺信息或手動輸入其標定長度； 6) 、點擊軟體Project - Bundle - Run,重新進行平差計算； 7) 、對處理後的影像數據結果進行統一有規則的命名，然後再Bundle平差一次，作為 最終平差結果，以便於閘門的安裝指導和檢測； 8) 、將攝影數據處理的結果進行初步的幾何分析和形狀誤差檢測，並與原有設計參數 數據進行比較分析，根據規範中閘門安裝檢測的各項指標進行閘門最終的安裝指導調整， 以期達到評估各個檢測項目是否合格以及如何指導安裝調整。
3.根據權利要求1或2所述的水利工程閘門高精度安裝檢測的數字近景工業攝影測量 方法，其特徵在於，包括以下步驟： 1)首先選取在閘門、支鉸（1)、底檻（2)、側止水板（3)表面上均勻粘貼交叉分布的直徑 為9_的圓形定向反光標誌與點狀編碼標誌（7)，其中，在閘門支臂（6)上的支鉸軸端面（8) 的周圍上布設8個、圓心上布設1個、底檻（2)表面上及下遊邊緣（12)處共布設15個，閘門 每側的側止水板（3)表面及下遊邊緣（10)左右兩側處分別布設23個，左右兩側共46個，門 葉（5)的表面上布設80個，總共粘貼定向反光標誌150個，布設密度遠大於全站儀的標誌 點布設密度，以更好的對閘門各細部位置進行更為詳細的檢測； 2 )布設基準尺：在測量範圍內的門葉表面中上、中下或中間位置處，布設已標定4個長 度基準的1根碳纖維基準尺（4); 3) 用INCA3像機進行攝影，首先對工業像機進行參數設置並對照被測物進行像機測 光，在閘門前方上、中、下、左、右位置處共拍攝40張影像，拍攝時：攝影距離為3?5m，影 像間的重疊度要求相鄰部分至少3個編碼公共點以及80%以上重疊，每張影像至少要看到 12個定向反光標誌與點狀編碼標誌（7)，為用於自檢校要求每拍攝4?6張影像旋轉像機 90°再拍攝一次，拍攝時使交會角為60°?120°，以得到高質量的影像； 4) 採用V-STARS系統數據處理軟體對所攝影像數據進行處理：經過軟體 Project - AutoMeasure，得到Bundle平差結果；增加基準尺的4個基準長度的信息；然後 軟體Project - Bundle - Run，重新進行平差計算；對處理後的影像數據結果進行統一有 規則的命名，最後再Bundle平差一次作為最終平差結果，用於水利工程閘門的安裝檢測。
【文檔編號】G01B11/00GK104061859SQ201410311038
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】馬開鋒, 黃桂平, 胡青峰, 孟俊貞, 李明慈, 王偉峰, 軒亞兵 申請人:華北水利水電大學