近景摄影测量在建筑物变形监测中的应用研究

方宁  ,张一航 ,常开文

摘要：建筑物在建成后使用过程中，建筑物只要发生了变形，那建筑物使用寿命将大大缩短。近几年来，近景摄影测量技术不断发展、进步，在变形监测中运用越来越广泛。本文将探讨普通相机和手机在建筑物变形监测中是否符合检测精度要求和两种工具精度问题，通过实验来说明普通相机能否满足检测要求，为我们在选择工具时提供有力选择依据，同时普通相机也为我们节约了资金，更加方便我们携带，大大提高了工作效率。

关键词：建筑物变形监测近景摄影测量普通相机

1 绪论

由于近景摄影测量技术和测绘工程建设发展与进步，建筑物变形监测已然逐渐成为测绘工程的重要技术研究课题。由于房屋建筑结构变形受到自然风力、雨水以及地震等许多不确定因素的直接影响，水准仪、全站仪以及建筑物位移仪和变形传感器等近景摄影测量方式虽然已经可以实时确定房屋建筑物变形，但是往往缺乏实时变形监测功能。本次研究主要采用近景摄影测量方式，探究其在建筑物变形监测系统中重要性和应用，并且进一步结合实例，探究近景摄影测量技术在房屋等建筑物结构变形监测系统中应用可行性。

2 建筑物变形和变形监测方法

2.1 建筑物变形以及变形监测

建筑物变形是指建筑物在各种重力载荷相互作用下，大小、形状及其位置在一定时间和三维空间上发生变化。而建筑物变形监测一般又称为建筑物变形周期性观测，建筑物的变形周期性测量指的是对已经在建筑物设置的点位永久性的一个观测点或高程进行周期性地反复观测，获得关于该观测点在各周期内的观测点位或高程的数据并同首次对建筑物测量的数据进行比较所得的周期性变化数据。

2.2变形监测的方法

建筑物变形监测常用方法主要有常规地面变形测量法、近景摄影测量法等方法。

（1）常规地面测量方法主要有测量仪器，如经纬仪、测距仪、水准仪，测量基于建筑物的整体边长、角度和高程的建筑物大地变化数据可以用来直接帮助我们确定和分析监测建筑物的整体局部变形。

（2）摄影测量系统作为一种不同于传统常规摄影地面测量的一种测量和影像的处理方式，近20年来在对隧道、大坝、桥梁、滑坡、结构物等的工程和对建筑物变形的情况进行监测等诸多方面都发挥了重要的作用，据大量的文献记载可知，现在的变形监测精度甚至可以达到一个毫米数量级。

通过对被摄的物体进行数字影像的直接处理和数字影像获取，利用先进的数字影像处理技术和计算机匹配影像处理技术获得同名像点的位置和坐标，进而准确的计算出被摄物方监测点的具体位置和被摄物方的坐标，这种数字影像变形处理方式同样可以事后的数字化处理，也甚至可以实时处理（其中包括实时对于地面的变形摄影图像进行测量）。这也被认为是对于近景变形摄影测量的一种发展趋势。

3近景摄影测量在建筑物变形监测中的运用实例

3.1实验概况

经过一系列筛选之后，我选择了校区一栋教学楼作为研究对象，该楼位于西南林业大学老校区，楼后有宽广的空地，非常有利于实验的进行，并且，过往车辆稀少，很大程度上保护了人与设备的安全。

3.2进行摄影测量

3.2.1进行相机标定

（1）本研究采用 PhotoModeler Scanner 软件提供的标定程序对进行相机标定。首先利用软件Print Calibra-tion sheet( s) 功能制作校准板，研究观测处于野外，且目标较大，故选择Multi-sheet Calibration模块，利用自带计算功能计算出Inner target diameter，然后进行打印。此次研究Inner target diameter采用50 mm，用高级相纸印制15张校准板，每张为 1个目标点，形成 3 × 5 的阵列，共计15个目标点 。将校准板规则地摆放在地上，然后，使用相机与照片成60度角与校准板保持一定距离、保持一定高度围绕校准板进行拍照，共计获取 9张图片导入 CameraCalibration Project 程序中，自动处理得到所需的各相机(具体数据在附录中 )拍照，共计获取 9张图片导入CameraCalibration Project 程序中，自动处理得到相机所有参数。

（2）本研究采用的是索尼NEX-5N相机，索尼NEX-5N单电相机采用1610万像素Exmor传感器，感光度：ISO100-25600，快门时滞：0.02s，索尼NEX-5N配置一面3英寸、92万像素触摸屏，并可录制1920×1080@60p AVCHD格式视频。5R具备相位检测自动对焦，更快的对焦速度让你欲罢不能。配置方面，依然是采用APS-C画幅1610万有效像素大尺寸ExmorAPSHD CMOS 影像传感器，全新BIONZ影像处理器，使NEX-5R在低光照环境下拍摄出清晰、低噪点的影像，最高的感光度可达ISO 25600，满足各种夜景拍摄需求。为优化自动对焦，索尼NEX-5R首次采用Hybrid AF混合式对焦系统踪快速移动的物体，并运用对比度检测对焦来提升低光照时的精准性。

（3）主要性能
发布日期：2011年08月机身特性：微单操作方式：全手动操作，传感器类型：ExmorAPSHDCMOS传感器尺寸：23.4*15.6mm有效像素：1610万最高分辨率：4912×3264图像分辨率：3:2
3.2.2进行摄影测量

首先，在教学楼的背面比较好的拍摄位置上，贴上三个反射片，作为研究的控制点，然后再在在墙面上随机的位置贴上几个黑色的圆作为一个研究点。在贴好研究点之后在，选择好合适的拍摄位置用数码相机对观测对象进行了拍摄，在拍摄的过程中我们要特别注意第一张的照片与第二张的照片之间要注意至少有60％重合的部分，以便于在数据处理时能够保证数据的质量；最后，在场地上选择一个好的拍摄位置架设一台全站仪，进行了整平后可以测量得出教学楼的控制点和研究点的具体位置坐标，这样实验外业的工作就可以顺利完成了。

4实验数据处理

4.1控制点和研究点坐标

使用全站仪测量出墙面上控制点的坐标。在使用PhotoModeler Scanner软件进行三维建模输入控制点坐标，经过图片处理得到结果后为检测结果是否正确则需要研究点坐标。

4.2.使用软件处理照片

将拍摄的照片使用软件中的Automatc项目功能对图片进行处理，然后在图片上标出控制点并关联每张图片上的同名点，并把每个点一次连接起来，接着使用External Geometry Explorer功能对控制点添加坐标，坐标添加成功后，就可以获得研究点的坐标，就可以与使用全站仪测量的研究点坐标比较，得出两种坐标差值。通过软件处理得到的照片研究点的坐标，结论用普通相机拍摄的照片用软件处理后得到的点的坐标无法满足建筑物变形检测的要求。

4.3数据处理结果

使用全站仪测量的x坐标、y坐标和高差坐标减去软件处理所得的坐标。

5结论与展望

通过实验得到最终的结论用相机拍的照片，用软件对照片进行添加坐标，得出研究点坐标后与全站仪测量的坐标进行精度比较存在着较大的误差，其主要原因会有一下几种：

（1）在使用全站仪测量点的坐标时是无法避免误差产生的，这个误差也就导致了，测量坐标与研究点坐标之间有误差。

（2）用软件手动标记点时候，由于放大了像素很难标记在控制点的中心位置，导致最终的两种数据距较大。

（3）因为我使用的是索尼NEX-5N相机，该相机配置与专业测绘相机还存在着大差距，无法达到近景摄影测量的精度要求，其结果也就必然有误差的存在。

（4）由于时间比较紧，测量选择的研究点数量不够多，使得数据误差较大，很难逼近真是数据。因此此次实验只进行了一次观测，数据只能是当作建筑物变形监测中的一次数据确定实验。

（5）由于三个控制点都取在了同一个墙面上，可能导致了控制点坐标不够准确。

一般的相机和手机在近景摄影测量还是有适用价值的，并且现在电子产品更新换代极快，价格也越来越来便宜，将来普通的相机将能精准的测量出所需要的测绘数据 。