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1、水利泥沙沉积建模中的无法接触高精度测量分析 水利泥沙沉积建模中的无法接触高精度测量分析 摘要：在水利泥沙沉积建模的研究中，对如何提升数据的观测精度需一套高精度测量方法和如何获取大量采样点观测数据进行讨论。观测设备是数码相机，用正直摄影，通过定点曝光的方式，把曝光原位置观测相片的外方位元素应用到后期的观测照片的解算处理中，解决了没有像控的情况下影像解算的问题。利用同名电的匹配纠正方式，提高采样点解算精度，满足建模采样观测的要求。 关键词：泥沙沉积；建模；测量 中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号： 为研究泥沙随水流沉积的规律，我们按照一定的比例尺，把实际的湖泊、江河、水库缩小，建立河床的模
2、型，也就是库容。同时，在实验环境中模拟自然气象，往模型中按一定比例混合了泥沙的水流，水流要持续不断。过一段时间后，如果发生泥沙沉积现象，可能造成河床上抬。在这种情况下，不能再向模型中继续放水，而是需要测量河床的尺寸并构建相应模型。通过比照、分析新模型与原有模型，就可以获得精确的泥沙沉积模型。因此，利用泥沙沉积模型来总结泥沙沉积的规律，既可提高效率，又可保障质量。目前，我国大多采用水准仪或全站仪等设备采集数据，这种方法实用性较强。在传统的测量方法中，缺点弊端多，实验作业的时间太长，采样点的分布没有连续性而且采样点的精确度低。泥沙沉积过程中，对数据的测量更是十分难把握。普通采样点的采样密度太低，观
3、测精度在厘米级。严重制约水动力的研究，泥沙沉积过程也受到很大制约，得到的让人信服的结论。以上都是现在水动力泥沙沉积实验不完善的地方，现在新的实验方法是在室内进行的，因此要保持好的室内环境，通过建模的手段，来完成更高精度的测量以及观测。 近景摄影测量 近景摄影测量方法，可以在一瞬间测量出被测量物体的大量几何信息和物理信息。这些信息都包含在相片或者影像之中，易存贮而且可以重复使用。该方法叫做非接触型测量，特点是，不干扰更不伤及被测的实验目标，适用于测量点众多的测量目标。 目前，高精度测量观测多用立体摄影测量的方法，当有两幅相邻影像，而且两影像具有有一定重叠度，就可以依靠这两个影像来进行立体观测，通
4、过这种特殊观测方法可以得出测目标的三维坐标信息。在建模过程中，首先要最大化提高测量定位的精度，还要尽可能方便立体摄影测量。实验中，观测泥沙实验中的采样点，一般用正直摄影法。 二、无像控定点摄影测量 1.无像控定点摄影测量的原理分析 对于相机中的数值设置以及主距光学等参数，不能擅自调整；确保相机中的内方位元素准确无误。结合实验模型实际情况，选择曝光位置，采取正直摄影方法，将实验的环境拍摄下来。接下来，可以利用临时搭建的地面高精度像控点计算，确定相机所处位置的相应外方位元素。 保持相机处于上述的特定位置，相机的倾角、俯仰角、璇角等角度数据都保持不变，相机光学设置和状态也都保持不变。相机在此特定位置
5、得到的组合相机外方位元素非常重要，是以后实验中对室内环境进行长期的观测和解算的依据。 2.无控制点的同名点匹配纠正 由于如果没有像控点，物方控制信息无法对定点曝光获取的影像进行纠正。而原曝光位置和实际曝光位置不同，得到相片的外方位元素也有差异。用相邻影像对于影像重叠区域同名点投影的关系，就能降低这种差异对观测精度的影响。用影像匹配方式对在无像控想观测的照片进行纠正。匹配采用最小二乘的原那么，让灰度的差平方和到达最小，即 假设只考虑影像会读的偶然误差，及随机噪声，那么，对于相邻作用像对影像： 其中是左影像在处的灰度值；是右侧的影像在处的灰度值；是左侧的影像在处的偶然误差；是右侧影像在处的偶然误差
6、。可得： 相机检校后，可以消除相机几何畸变的影响。灰度系统变形是受到几何畸变和辐射畸变两种影响，此时几何畸变消除，设像对右影像的灰度分相对左影像的灰度分布存在了线形畸变，可得以下： 式中h0、h1是线性畸变的参数。 设分别是像对左影像原始灰度值、灰度均值、标准差， 分别是像对左影像原始灰度值、灰度均值、标准差， 那么有： 式可以转换为： 其中： 式中 a0、a1、a2、a3 是镜头的畸变的系数。由可得出： 线性化后，最小二乘影像匹配误差方程： 有： 对n个同名点逐个建议其所处像素误差方程， 得到： 对未知数 设定初值 外方位元素的解算结果给定得到更加适合的初值，可以加快相邻定点曝光像对的解算。
7、通常的影像匹配窗口，尺寸都很小，如仅考虑一次畸变，式变： 式变： 式那么为： 可以得出： 对于辐射畸变的参数： 得出： 经屡次迭代，设两次灰度迭代间的相关系数为，假设小于前一次迭代后求得的相关系数。或是几何形变系数，小于一个特定阀值，就可以迭代结束，可认为匹配点是最正确匹配点。 针对经过匹配之后的结果，应确保同名点与重叠区域影像相对应，置换后面的相邻像，纠正并匹配所有的室内侧区影像。因为每个拍摄位置影像间的像对方位可以用影像之间重叠区同名点来求得，所以，在姿态角之间，形成闭合的条件。设定相机k到相机j的旋转矩阵是Rjk，第k个相机对于第j个相机的投影中心，在某坐标内相对位置关系设为Sjk 那么
8、有： 其中： 实验验证 实验使用的相机是单台宾得单反数码相机，型号是645D。主距是55毫米，像幅是 44 33 毫米，分辨考虑是 72645440.用正直摄影方式进行观测，拍摄高度9.5mm，GSD 1.04mm，设两曝光位置，间隔1.2mm，重叠度85%。地面设置21个控制点，用工业测量系统进行观测的标定，标定误差0.048毫米。 检查点的标定坐标和观测照片，是同名点的匹配解算的坐标，用最小的二乘同名点的匹配纠正，解算坐标如表1所示。 表格1中比照展示两种解算法算得的检查点的坐标，没经过同名点的匹配所得到的检查点，平面坐标残差的中误差为0.59mm，平面坐标的最大残差1.44mm；高程残差中误差 2.01mm，单点最大坐标的残差 0.46mm，平面坐标的最大残差 1.17mm；高程残差中误差1.5mm，高程的最大残差2.8mm；坐标残差的中误差1.54mm 表1 检查点标定及解算坐标单位：mm 参考文献： 【1】 景冬，卢秀山，郑文华，刘凤英.水利泥沙沉积建模中的无接触高精度测量 J .水利发电.2021 (4) 【2】 龚俊，辛丹，王有元，王国强.非接触高精度厚度测量方法J.机械与电子. 2005 (12) 【3】 罗刚银，唐玉国，乔培玉等.光谱学与光谱分析M.2021