[科普中國(guó)]-水下攝影測(cè)量

簡(jiǎn)介

水下攝影測(cè)量技術(shù)就是利用物方空間在水中、像方空間在空氣中所拍攝的圖像，確定被攝目標(biāo)幾何特性的技術(shù)。它是近景攝影測(cè)量中一種特殊的測(cè)量技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在海底測(cè)圖、水深測(cè)量、水下考古、水生物研究、海洋工程、氣泡室和零重力環(huán)境下星載柔性天線型面精度測(cè)量等。

水下攝影測(cè)量按照其攝影方式可分為兩類：一類是采用水上拍攝，即攝影機(jī)在空中而目標(biāo)物在水中；另一類是采用水下拍攝，即攝影機(jī)和目標(biāo)物均在水中。目前水下攝影測(cè)量技術(shù)采用水上拍攝方式進(jìn)行精密測(cè)量缺乏深入的理論研究，尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用1。

已有理論模型分析由于水面折射的存在，物點(diǎn)A 經(jīng)過(guò)折射成像于像點(diǎn)a，成像光線中物點(diǎn)A、攝影中心O及像點(diǎn)a這3點(diǎn)不再共線。設(shè)α和β分別為成像光線在水面的入射角和折射角。水下攝影測(cè)量時(shí)，成像光線穿過(guò)兩種不同的介質(zhì)，在介質(zhì)分界面處產(chǎn)生折射。此時(shí)常規(guī)近景攝影測(cè)量中的共線方程理論模型不能適用，因此需要從折射改正入手來(lái)重新建立測(cè)量模型。

1 像點(diǎn)改正法模型

該方法模型考慮折射改正，分別通過(guò)像點(diǎn)的光學(xué)位移、投影器主距的改變以及投影高度的改變，這3種途徑來(lái)建立水下攝影測(cè)量歸化模型。其主要思想是：將入射線的光束轉(zhuǎn)變到物體的一個(gè)透視射線束，使得雙介質(zhì)攝影測(cè)量的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的單介質(zhì)攝影測(cè)量問(wèn)題。

歸化模型存在的問(wèn)題是：解算要求已知各攝站S 到介質(zhì)分界面的距離H 和各物點(diǎn)到介質(zhì)面的距離h。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中獲取這兩類距離值或者是有很大的困難，或者是根本無(wú)法實(shí)時(shí)獲取。因此，像點(diǎn)改正法模型在實(shí)際測(cè)量中很難得到應(yīng)用。

2 物方點(diǎn)改正法模型

該方法模型通過(guò)建立虛擬物方點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量的共線方程理論。

首先確定虛擬物方點(diǎn)與實(shí)際物方點(diǎn)的幾何函數(shù)關(guān)系；然后通過(guò)對(duì)虛擬物方點(diǎn)的3維坐標(biāo)測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際物方點(diǎn)的3維坐標(biāo)測(cè)量。

但是該模型建立的前提是，假設(shè)物方坐標(biāo)系在水面上。這需要已知各物方點(diǎn)距水面的距離Z和各攝站距離ZS，而且在具體解算時(shí)需要求出每條成像光線的入射角α。這些問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用中是不能或很難實(shí)現(xiàn)的。

3 界面法構(gòu)像方程模型

通過(guò)引入介質(zhì)分界面方程式，將折射改正和幾何約束作為模型建立的基礎(chǔ)，避開了傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量共線方程。其主要思想為：將物方坐標(biāo)系O －XYZ 建立在水下，引入介質(zhì)分界面方程，加入折射改正，建立構(gòu)像方程式；將入射光向量和折射光向量以及分界面的法向量這3個(gè)向量共面作為幾何約束條件來(lái)建立構(gòu)像方程式。

1）界面參數(shù)精確值的確定

將微小厚度的塑料平板如光盤上面貼適量的標(biāo)志點(diǎn)（一般6個(gè)即可），使其漂浮固定在水面上。通過(guò)解算出該標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而擬合出水面作為一個(gè)幾何平面在水下坐標(biāo)系下的平面方程。試驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單可靠，并且擬合出的平面精度較高，可以作為精確值。

2）外方位元素初值和待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)初值的獲取

空氣中進(jìn)行近景攝影測(cè)量處理解算得到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，可以作為水下測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)初值。對(duì)于水下目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行水上拍攝，暫不考慮折射改正。通過(guò)解算處理，獲得不準(zhǔn)確的外方位元素作為水下攝影測(cè)量外方位元素的初值。試驗(yàn)表明，該初值實(shí)現(xiàn)了迭代收斂，解算出的外方位元素值精度較高2。

試驗(yàn)與結(jié)果1 試驗(yàn)條件

水下攝影測(cè)量試驗(yàn)是在一個(gè)直徑為1.3m，高為1m的試驗(yàn)用桶中進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)口徑為36cm的鋁合金制試驗(yàn)用天線進(jìn)行了測(cè)量。該天線近似為拋物面形，在其上面貼了5個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)和45個(gè)回光反射標(biāo)志。它們都是用高亮反光材料制成，可以產(chǎn)生“準(zhǔn)二值影像”。試驗(yàn)的攝影環(huán)境正常。桶中注水80cm，采用尼康D700相機(jī)進(jìn)行水上拍攝獲得相片數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)可以分為以下3個(gè)步驟。

第1步，在空氣中對(duì)天線進(jìn)行攝影測(cè)量，并加入基準(zhǔn)尺，通過(guò)V－STARS系統(tǒng)解算出天線上所有標(biāo)志點(diǎn)的物方3維坐標(biāo)，并將其保存。為下一步水下測(cè)量解算提供初始值。

第2步，天線置于水深80cm的試驗(yàn)用桶中，相機(jī)在空氣中進(jìn)行拍攝，獲得15張相片，相片質(zhì)量合格，與步驟1的解算相同。由于折射存在的影響，得到不準(zhǔn)確的物方點(diǎn)3維坐標(biāo)，同時(shí)也獲得了各攝站的姿態(tài)6參數(shù)的近似值。為步驟3解算提供初始值。

第3步，利用由步驟2解算所得到的初始值，根據(jù)線性化公式編寫水下攝影測(cè)量程序并進(jìn)行相應(yīng)的折射改正。首先通過(guò)空間后方交會(huì)，迭代解算出準(zhǔn)確的各攝站的外方位元素；然后再通過(guò)空間前方交會(huì)，迭代解算出準(zhǔn)確的物方點(diǎn)位3維坐標(biāo)（X，Y，Z）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

利用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)V－STARS將步驟1和步驟3的解算結(jié)果進(jìn)行換算，得到天線各點(diǎn)位在空氣中測(cè)量和水下測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)變化值。

在攝影距離2m 的范圍內(nèi)，V－STARS系統(tǒng)單相機(jī)測(cè)量的點(diǎn)位精度優(yōu)于0.02mm，并且試驗(yàn)用天線是剛體結(jié)構(gòu)的，放入水下測(cè)量時(shí)不變形。經(jīng)過(guò)公共點(diǎn)換算，二者的點(diǎn)位誤差分別是：X 軸方向?yàn)?.905mm；Y 軸方向?yàn)?.203mm；Z 軸方向?yàn)?.179mm；測(cè)量精度為0.94mm。

總結(jié)1）X 軸方向精度較低，原因是X 軸方向?yàn)閿z影距離方向，即深度方向，根據(jù)多重交向攝影的精度估算公式，像點(diǎn)的量測(cè)精度對(duì)攝影距離方向的精度影響最大。

2）采取水上拍攝方式進(jìn)行水下攝影測(cè)量的測(cè)量精度可以接近或達(dá)到空氣中的測(cè)量精度。采用后方－前方法平差解算，界面參數(shù)沒(méi)有參與平差，影響試驗(yàn)的成果精度。下一步將重點(diǎn)考慮相機(jī)的水下標(biāo)定和加入界面參數(shù)的自檢校光束法整體平差，以進(jìn)一步提高水下測(cè)量成果精度。

3）對(duì)水下近景攝影測(cè)量理論模型進(jìn)行研究分析，推導(dǎo)界面法構(gòu)像方程模型；經(jīng)過(guò)試驗(yàn)獲得點(diǎn)位精度為0．94mm 的測(cè)量精度。結(jié)果表明利用界面法構(gòu)像方程模型可以有效實(shí)現(xiàn)折射改正3。