数字近景摄影测量在建筑物变形监测中的应用摘要：本文介绍了数字近景摄影测量的基本概念，回顾了数字近景摄影测量技术应用于建筑物测绘的研究，并重点分析了在建筑物变形监测中的应用，表明利用数字近景摄影测量技术观测建筑物变形的方法具有效率高、质量好等显著优点。

并展望了数字近景摄影测量技术的未来发展。

1.数字近景摄影测量1.1 数字近景摄影测量的基本概念近景摄影测量也称非地形摄影测量，是指在0-300m 近距离范围对所研究的各类目标进行摄影，通过对拍摄的图像加工处理，从而确定静态目标的点坐标、表面形状以及动态目标的活动轨迹。

近景摄影测量一般包括近景摄影和图像处理两个过程。

随着数码相机的广泛应用，价格愈来愈低廉，使用数码相机的数字近景摄影测量发展越来越快。

数字近景摄影测量是指以数字相机为图像采集传感器、并对所摄图像进行数字处理的近景摄影测量。

数码相机的出现和不断发展，极大地推动了数字近景摄影测量的发展[1]。

近景摄影测量的摄影机一般分为两种，即量测用的和非量测用的。

量测用的摄影机是指专为摄影测量设计的，在像框上设有框标，内方位元素已知或可记录，物镜畸变差很小，主距为固定的或可以调焦的。

非量测用的摄影机就是一般使用的相机，特点是内外方位元素一般不知，物镜畸变差比较大，且常常不够稳定。

进行数字近景摄影测量的多为以半导体技术CCD 电荷耦合器为基础的数码相机，属于非量测相机。

CCD 的状态及灵敏度可长期稳定，因此是可以检校的。

在进行精确摄影测量工作前，必须对普通数码相机进行严格的检校。

摄影机的检校是指检查和矫正摄影机内方位元素和光学畸变系数的过程。

1.2 数字近景摄影测量的解算模型数码相机所拍摄的影像内方位元素值未知，因此可以采用直接线性变换模型（Direct Linear Transformation 简称DLT ）。

DLT 解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标之间直接的线性关系的解法[2,3]。

其基本公式为：01111094321=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L x （1） 01111098765=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L y （2） 式（1）和（2）中，L1至L11是11个系数，分别为相片的6个外方位元素（X s ,Y s ,Z s ,φ,ω,К），3个内方位元素（主点的坐标仪坐标x 0、y 0以及拍摄相片的x 方向主距f x ），y 方向相对x 方向的比例变化率d s （即比例尺不一性）以及x 、y 轴间的不正交性d β这11个参数的函数；X 、Y 、Z 是点的空间坐标；x 、y 是相应点的影像坐标。

由于摄影物镜光学畸变差的影响，使得像点、摄站和相应地面点之间的共线关系受到破坏，因此，必须考虑畸变的影响，而光学畸变差主要以辐射方向为主。

可考虑加入改正项：210r κ)x (x Δx ∙-= （3）210r κ)y (y Δy ∙-= （4）式（3）和式（4）中，К1为对称物镜畸变参数，r=(x-x 0)2+(y-y 0)2。

在DLT 的共线条件方程式中，对像点坐标x 0、y 0再分别加入改正项Δx 、Δy ，则方程式可以改写成如下形式：011110943210=++++++++-Z L Y L X L L Z L Y L X L Δx )x (x （5） 011110987650=++++++++-Z L Y L X L L Z L Y L X L Δy )y (y （6） 此时共有12个未知数，每一个像点坐标观测值的误差方程式为：][112011994321x k )r x A(x xZl xYl xXl l Z l Y l X l /A)(V x +-+++++++-= （7） ][112011998765y k )r y A(y yZl yYl yXl l Z l Y l X l /A)(V y +-+++++++-= （8）式中，A=l 9X+l 10Y+l 11Z+1，初值为1，反复迭代（4）式直至A 值差小于给定的限差，通过К1及x 0、y 0求解了非线性误差的像点坐标（x+Δx ，y+Δy ）。

201)r x (x κx Δx x x -+=+= （9）201)r y (y κy Δy y y -+=+= （10）以上即为直接线性变换（DLT ）的数学结算模型，求式（5）和（6）计算未知点的空间三维坐标（X ，Y ，Z ）。

2.数字近景摄影测量在建筑物测绘领域的应用随着计算机技术和数据处理技术的发展，现代近景摄影测量技术已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、城市区域规划、医学、生物、古建筑与古文物研究、考古等部门。

原则上，凡是可获得其影像的各类目标，都可以使用近景摄影测量的相关技术，以某种精度测定和研究它的形状、大小以及运动参数等[4]。

目前，数字近景摄影测量已经广泛应用于建筑物测绘领域。

李严等使用数字近景摄影测量技术对天津紫竹林教堂进行内外整体测绘，获得了建筑物的立面、平面图[5]。

使用数码相机进行近景摄影获得的建筑物表面纹理，可以用于构建城市三维景观模型，是进行城市发展规划、城市景观建筑评估、建筑设计、文物保护的重要工具[4]。

郑莉等人结合近景摄影测量方法探讨不规则镜面物体三维建模的关键技术[6]。

利用近景摄影测量技术还能够观测建筑变形，具有效率高、质量好等显著优点[7]。

还可以使用近景摄影测量的技术拍摄运动图像，应用于建筑物爆破过程中对碎块运动状态的分析，测量出各力学参数，包括位移、速度、加速度、动能、势能等[8]。

3.数字近景摄影测量应用于建筑物变形监测3.1 建筑物变形监测的基本概念变形在自然界是普遍存在的，变形体在荷载、风力等因素的影响下，会发生“形状、大小、位置”的变化[9]。

高层建筑物、大型厂房柱基、重型设备基础以及震动较大的连续性生产车间等，在施工乃至运营过程中，由于自身及外力等因素的作用，建筑物本身及其基础都会随时间产生变形，使建筑物产生均匀或不均匀沉降、倾斜、位移、甚至使建筑物产生裂缝。

上述变形（除了均匀沉降之外）如果超出了某一限度,就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全[7]。

此外，地质资料的不准确、建筑物体形复杂或基础土质差异导致荷载差异大、基础施工达不到设计和规范要求也都有可能导致建筑物的变形。

建筑物变形监测就是指“监测建筑物在建造过程中或建成后有无沉降、水平位移、倾斜和裂缝等变形，以及相应的变形程度，并争取对变形的原因作出科学解释。

”[10]变形监测的意义在于对建筑物的长期的精密变形观测，以确定其变形状态，对其安全运营，维护及设计至关重要。

3.2 建筑物变形监测的方法与其他测量工作相比，变形监测要求精度比较高，并且要求一定的频率的重复观测。

在建筑物上布置变形监测点，在变形区域之外的稳定地域安置观测站，用高精度仪器定期测量变形监测点的三维（X，Y，Z）位移变化是获取变形体变形的一种常见的外部监测方法。

建筑物变形监测的主要方法包括：地面监测技术、近景摄影测量方法和GPS监测方法[10]。

地面常规监测技术是指综合运用全站仪、水准仪、测距仪和经纬仪等常规仪器，通过测边、量角和高程的变化来测定建筑物的变形。

这种监测技术的特点是“精度高、限制少、效率低、实时性差”。

使用GPS技术进行变形点的监测，测站间无需通视、可以提供监测点的三维位移信息并且实现全天候监测。

具有“精度高、速度快、操作简便”等优点。

但是GPS 技术测量点数是有限的、而且在建筑物密集区卫星信号低。

数字近景摄影测量方法用于建筑物变形监测具有如下优势：1）非接触观测（特别适用于危险建筑物、建筑物不可到达部位）。

2）可以测定任意点的变形，提供完全和瞬时的三维空间信息。

3）近年来数字近景摄影测量技术、实时摄影测量技术、计算机视觉的快速发展，使测量精度不断提高，具有一套完整高效的数据处理流程。

4）影像上的信息丰富客观而且可长期保存，有利于进行变形的对比和分析。

3.3 数字近景摄影测量用于建筑物变形监测的实例分析3.3.1实验过程以某家属楼的变形监测为例，该家属楼高约30米，有电梯、走廊、墙体和凹槽，构成了前后四个层次的立体结构。

对面40米有栋高约20米的办公楼，可以在办公楼顶设置拍摄站，观测家属楼。

为精确测量变形，试验中在被测定的建筑物上以及周围环境中一般会布置大量的人工标志点，作为后续影像量测计算的依据（控制点、检查点、待定点）。

在该楼立面上布设有间隔为 1.5～2.5 米的标志点若干个，并对其进行有规律地编号。

这些控制点都是以直径6cm的圆铝片作为标志，印成黑色后贴在家属楼外墙上，金属片正中心贴上有反光片以便于用全站仪测其坐标。

控制点布设不宜安排在一个平面上或近似平面上，试验中控制点布设在凹槽、墙体和电梯的外墙上，既不在一个平面或斜面上，也没有几个点在直线上[9]。

近景摄影测量获取立体像对有两种基本的摄影方式：正直摄影方式和交向摄影两种基本方式。

用非量测相机摄影时，不像量测相机那样用定向角来控制正直、等偏等方摄影方式，但要基本保持所摄对象的两张片子对称，摄影比例尺基本一致。

获取影像之后，开始进行影像处理和三维坐标提取。

首先在影像处理之前，运用畸变改正软件，用事先通过检校获取的相机参数对所获取的影像进行畸变改正，最大程度的减弱镜头畸变对影像的影响。

像对经过畸变差改正后输出影像，以四个角点作为其框标值。

接着，在空三软件中，自动完成像片的内定向。

内定向自动定向完成之后，空三软件根据生成的金字塔影像，在相邻像片之间对同名点进行搜索、匹配，最后构建自由网。

一般情况下，对于表面平坦、纹理丰富的地物，自动相对定向都能完成。

一般情况下，交会角在5°～10°时，相对之间的匹配会很容易，但是在近景摄影测量中，为了获取更大的重叠，交会角会在10°以上，这样给匹配就带来了困难。

在此次的相对定向中，采用人工加点的方式进行，共找到同名点38个。

完成相对定向之后，进行像对的绝对定向，采用四个实测控制点外加一个空三加密出的一个控制点进行像对的绝对定向。

之后，将空三软件完成绝对定向之后的文件导入到数字摄影测量工作站中，进行核线重采样，建立立体模型。

3.3.2精度分析1）影像处理时，要求的影像必须是经过重采样的影像，因此必须用获取的相机畸变参数对影像进行畸变改正，最大程度的降低物镜畸变带来的误差影响。

2）空三加密出的控制点精度非常高，这样在外业做控制时可以不必要布设太多控制点。

3）控制点的精度高低直接影响监测点的获取精度，考虑到建筑物上标志点测设时间间隔长，标志点产生了变形，控制点坐标不准确，给绝对定向带来了困难，进而影响监测点的量测精度。

4）像对之间要满足足够大的重叠度，这是构建立体模型，影响量测精度的关键所在。