一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法

摘要

本发明公开了一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法。该发明是将特定光源和标准长度尺安置在隧道待测断面正下方，在隧洞中心轴线上架设竖直放置的两个检校过的普通数码相机；在光源照亮隧洞断面轮廓时，两相机同时拍摄隧洞轮廓全貌，得到待测隧道断面的立体像对，并以隧道待测断面正下方一点为原点建立物方坐标系；通过泰勒级数展开以及对两张像片的矩阵旋转变换，可确定两相机拍摄时的9个参数；利用数学模型以及求得的9个参数，就可确定隧洞断面上任意待测点的物方坐标(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3…，n)；将实际测得的轮廓位置与设计的隧洞轮廓位置相比较，得到隧洞断面的超、欠尺寸和面积，进而可确定待测隧道的挖、填土石方量。

权利要求

1.一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法，其特征是：首先，将特定光源

和1m的标准长度尺安置在隧道待测断面正下方，在隧洞中心轴线上架设竖直放置的两个检校过的普通数码相机，其中，光源与普通数码相机均在隧洞断面中心轴线上，且数码相机与待测断面之间保持一定的距离，以便拍摄隧道断面全轮廓；其次，在光源照亮隧洞断面轮廓时，竖直放置的两相机同时拍摄隧洞全貌，包括标准长度尺，得到待测隧道断面的立体像对，并以隧道待测断面正下方一点为原点建立物方坐标系；再次，利用数学模型①和② 联立，其中，λ1、λ2为矩阵缩放系数，

Rω1、Rκ1、Rψ2、Rω2、Rκ2为像片绕轴的旋转矩阵，(ΔX，ΔY，ΔZ)为坐标增量，(u，v)和(u′，v′)为目标点像方坐标，f为相机焦距，通过泰勒级数展开以及对两张像片的矩阵旋转变换，可确定两相机拍摄时的9个参数，即λ、ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2、bx、by、bz，其中，λ为旋转矩阵的缩放系数，ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2为两个像片的旋转角，bx、by、bz为两像片的基线偏量；然后，利用数学模型③ 以及求得的9个参数，就可确定隧洞断面上任意待测点的物方坐标(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3…，n)；最后，将实际测得的轮廓位置与设计的隧洞轮廓位置相比较，得到隧洞断面的超、欠尺寸和面积，进而可确定待测隧道的挖、填土石方量。

说明书

一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法

一、技术领域

[0001] 本发明涉及一种隧道轮廓挖填土石方量测算方法，特别是一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法。二、技术背景

[0002] 在隧道设计施工过程中，隧洞断面的测量是一个基本的问题。目前在隧道测量中，广泛应用于实际操作的方法主要有激光经纬仪交会法、支距法及求积仪法等传统方法，尚在实验中的摄影测量法测量隧道也仅仅局限在单片测量阶段，难以取得实质性的进展，这就为隧道施工测量过程带来了很大的麻烦：

[0003] ①采用传统的隧道测量方法进行隧道断面测量，耗时很多，工作量较大，测量工作效率较低；

[0004] ②长时间在未经衬砌的隧道内进行施工测量工作，还要时刻面临各种危险的突发情况；

[0005] ③采用单片摄影测量法采集隧道影像后的内业处理操作复杂，过程繁琐，任务量较大，且精度较低。

[0006] 因此，现在的隧道测量是一个较为繁杂的问题，现阶段隧道测量方式，无论是传统的激光经纬仪交会法、支距法及求积仪法，还是研究中的单片摄影测量方法，都存在着很大的局限性和复杂性，这都为我们实际隧道施工测量带来了很多的麻烦和不便。三、发明内容

[0007] 在隧道施工测量中，为了克服目前采用的激光经纬仪交会法、支距法、求积仪法以及研究中的单片摄影测量法所存在的不可避免的麻烦和限制，本发明的目的是提供一种隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影测算方法。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：

[0009] 首先，将特定光源和标准长度尺M(该尺左右长度为1m)安置在隧道待测断面正下方，在隧洞中心轴线上架设竖直放置的两个检校过的普通数码相机，其中，光源与普通数码相机均在隧洞断面中心轴线上，且数码相机与待测断面之间保持一定的距离，以便拍摄隧道断面全轮廓；其次，在光源照亮隧洞断面轮廓时，竖直放置的两相机同时拍摄隧洞全貌(包括标准长度尺)，得到待测隧道断面的立体像对，并以隧道待测断面正下方一点O为原点建立物方坐标系；再次，利用数学模型 和
联立，其中，λ1、λ2为矩阵缩放系数，Rω1、Rκ1、Rψ2、Rω2、Rκ2为像片绕轴的旋转矩阵，(ΔX，ΔY，ΔZ)为坐标增量，(u，v)和(u′，v′)为目标点像方坐标，f为相机焦距，通过对两张像片的矩阵旋转变换，可确定两相机拍摄时的9个参数，即λ、ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2、bx、by、bz，其中，λ为旋转矩阵的缩放系数，ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2、为两个像片的旋转角，bx、by、bz为两像片的基线偏量；
然后，利用数学模型 以及上面求得的9个参数，就可
确定隧洞断面上任意待测点的物方坐标(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3…，n)；最后，将实际测得的轮廓位置与设计的隧洞轮廓位置相比较，得到隧洞断面的超、欠尺寸和面积，进而可确定待测隧道的挖、填土石方量。

[0010] 本项发明具有以下优点：

[0011] ①采用普通数码相机任意摄影测量法进行隧道断面测量，对测量设备和测量土质要求较低，仅需要两个普通数码相机和标准长度尺即可；

[0012] ②双片任意摄影测量法进行隧道测量，测量设备少，操作过程简便，工作量少，工作效率高；

[0013] ③通过双片旋转矩阵变换和物方坐标换算，可自主建立隧道断面测量模型，实现了隧道测量内外业一体化操作。四、附图说明：

[0014] 下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

[0015] 图1为隧道轮廓挖填量普通数码相机任意摄影布局方案示意图；

[0016] 图2为隧道摄影测量断面挖、填土石方量测算的具体示意图。

[0017] 图中：S-相机拍摄位置，0-既是光源放置位置又是假定物方坐标系原点，M-标准长度尺，“-”表示隧道挖超了需要填补的面积，“+”表示隧道挖欠了待挖的面积。五、具体实施方式：

[0018] 隧道的双片摄影测量算法与之前的传统测量方式和单片摄影测量方法相比，在思路和方法上都做了较大的改进，具体是：

[0019] 1)将特定光源和标准长度尺M(该尺的左右长度为1m)安置在隧道待测断面正下方，在隧洞中心轴线上架设竖直放置的两个检校过的普通数码相机，其中，光源与数码相机均在隧洞断面中心轴线上，且数码相机与待测断面之间保持一定的距离，以便拍摄隧道断面全轮廓。

[0020] 2)用特定光源照射隧洞洞壁，在光源照亮隧洞洞壁轮廓时，竖直放置的两相机同时拍摄隧洞边缘全貌(包括标准长度尺)，得到待测隧道断面的立体像对的两张像片，并以隧道待测断面正下方一点O为坐标原点建立物方坐标系。

[0021] 3)再次，利用数学模型 和 联立，其中，λ1、λ2为矩阵缩放系数，Rω1、Rκ1、Rψ2、Rω2、Rκ2为像片绕轴的旋转矩阵，(ΔX，ΔY，ΔZ)为坐标增量，(u，v)和(u′，v′)为目标点像方坐标，f为相机焦距，通过泰勒级数展开以及对两张像片的矩阵旋转变换，可确定两相机拍摄时的9个参数，即λ、ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2、bx、by、bz，其中，λ为旋转矩阵的缩放系数，ω1、κ1、ω2、ψ2、κ2、为两个像片的任意旋转角，bx、by、bz为两像片的基线偏量。

[0022] 4)利用数学模型 以及第3)步求得的9个参数，就可确定隧洞断面上任意待测点的物方坐标(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3…，n)。

[0023] 5)将实际测得的轮廓位置与设计的隧洞轮廓位置相比较，并同时赋予实测隧洞轮廓与设计隧洞轮廓物方坐标，通过比较两者的尺寸的超、欠值，得到隧洞断面的超、欠尺寸和面积，进而可确定待测隧道的挖、填土石方量。