一种水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法

一种水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法
【专利摘要】本发明涉及水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法，有效解决施工现场条件要求高，安装检测麻烦，工作效率低，精度低的问题，在水利工程闸门的门叶、底槛下游边缘、侧止水板边缘与面及支铰轴端面及其圆周的特征部位上设置测量点，并统一编号；布设基准尺；在不同位置对闸门已布设标志的部位拍摄，获取具有一定重叠的影像，对影像进行测量处理，得到闸门安装检测指导点的三维坐标；进行初步的几何分析和形状误差检测，利用闸门测量数据拟合生成标准形状，并对直线、平面、圆的形状误差进行检测，处理后，与理论设计参数进行比较分析，指导闸门的现场安装检测，本发明可靠、高效实用、灵活便携、非接触、精度高特点，应用面广。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及摄影测量领域，特别是方便的用于水利工程闸门高精度快速(快捷）安 装检测的一种水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法。 一种水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测 量方法

【背景技术】
[0002] 目前，随着国民经济的快速发展，我国众多大型水利工程陆续展开施工建设、竣工 验收等，而期间针对水利工程的一个关键部件--闸门，如何对其进行快速高精度安装检 测仍是一个难点。在以往的闸门安装检测中主要使用经纬仪三坐标测量系统和建立高精度 控制网，但这些方法操作繁琐、费时费工、很不方便。而目前实际工程中一般采用高精度全 站仪大尺寸三坐标测量系统对水利工程闸门进行安装检测，但其在实施测量过程中同样首 先需要在适当的位置处安置仪器，然后针对闸门部件部分特征点逐点进行采集数据，最后 利用专业软件对数据进行处理分析。即便如此，但整个测量实施过程中仍需要一些先决条 件才能保证测量工作的顺利进行：如需要较为宽敞的适当的稳定的仪器安置场地，需要人 工辅助照准标志且为接触式单点照准测量(测量时需人员爬站在特征点处触扶照准标志一 反射片)，要求测点与仪器间不能有障碍物等。这些因素导致了对现场条件要求高、并且测 量工作效率低。而实际情况下一般一次性很难观测所有的特征点，就需要移站测量，这样 测量效率就会更低。实践中，在现场实际情况良好的情况下(无障碍物，也不移站的情况 下)，选用点位精度可以达到± (0.3?0.5)mm (短距离10m左右范围内）的高精度全站仪 TCA2003测量某一大型弧形钢闸门的约60个特征点，并左右盘双面观测以达到规范规定的 测量点位精度为±0. 5mm以上的要求，加之数据处理分析等，则实施完成整个测量过程至 少约1. 5小时，可见其效率低下，满足不了现代化水利快速施工的需要。因此，其改进和创 新势在必行。


【发明内容】

[0003] 针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种水利工程闸 门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法，可有效解决施工现场条件要求高，安装 检测麻烦，工作效率低，精度低的问题。
[0004] 本发明解决的技术方案是，包括以下步骤： (1) 规划布局、粘贴标志：在水利工程闸门的门叶、底槛下游边缘、侧止水板边缘与面以 及支铰轴端面及其圆周的特征部位上设置特征点，在特征点上布设定向反光标志，作为测 量点，并统一编号，以形成闸门安装检测的指导点； (2) 布设长度基准：在闸门所在测区范围内上、中、下、左、右位置布设有标称长度的若 干根基准尺，以提供长度基准； (3) 拍摄像片：用工业像机(如INCA3工业像机，现有技术)在不同位置交向对闸门已布 设标志的特征部位进行拍摄，以获取闸门特征部位和基准尺在内的不同角度的具有一定重 叠的数张影像； (4) 影像数据处理：用数字摄影测量软件对所获取的影像进行测量处理，经过自动化的 像点识别、影像匹配、平差计算等数据处理，得到闸门安装检测指导点的三维坐标； (5) 结果分析、指导安装检测：对闸门的测量数据结果进行初步的几何分析和形状误差 检测，包括点、线、面之间的距离，线面、线线之间的角度以及各种几何平行、垂直关系的计 算；利用闸门测量数据拟合生成标准形状，并对直线、平面、圆的形状误差进行检测；经坐 标转换等处理后，与理论设计参数进行比较分析，然后根据水利水电工程钢闸门制造安装 及验收规范所规定的工作闸门检测的指标，来指导闸门的现场安装检测。
[0005] 本发明提供一种便捷的水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量 方法，该方法首先在水利工程闸门及附属设施表面上适当粘贴定向反光标志作为测量特征 标志点，然后选用一工业像机在一定规则要求下对粘贴有标志的被测物表面进行摄影并获 得高质量的影像，最后采用数字近景工业摄影测量系统软件进行影像数据处理，经过自动 像点识别、影像匹配、平差计算等，得到各测量特征标志点的三维坐标，最终与闸门各设计 参数进行比较分析，以期完成对闸门的安装检测，具有可靠、高效实用、灵活便携、非接触、 精度高等特点，可用于各种恶劣复杂环境条件下的闸门的快速安装检测，也可用于各种闸 门的形变测量，应用面广，具有很强的实用价值，经济和社会效益巨大。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1为本发明的流程图。
[0007] 图2为本发明中水利工程弧形闸门整体示意图。
[0008] 图3为本发明中的闸门底槛特征部位标志点布设示意图。
[0009] 图4为本发明中布设的基准尺示意图。
[0010] 图5为本发明中的闸门侧止水板特征部位标志点布设示意图。
[0011] 图6为本发明中的闸门支铰特征部位标志点布设示意图。

【具体实施方式】
[0012] 以下结合具体情况对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0013] 由图1-6给出，图中1为支铰,2为底榲,3为侧止水板,4为基准尺,5为门叶,6为 支臂，7为布设的一般标志点或编码标志点，8为支铰轴端面,9为侧止水板上游边缘,10为 侧止水板下游边缘，11为底榲上游，12为底榲下游。
[0014] 本发明在具体实施时，如图1所示，包括规划布局粘贴标志、布设长度基准、拍摄 像片、影像数据处理、结果分析以及指导安装检测，具体实施步骤如下： 1、 规划布局、粘贴标志：如图2,在闸门的支臂6上的支铰1、底槛2、侧止水板3、门叶5 等表面上均勻粘贴交叉分布的圆形定向反光标志（RRT，retro-reflective target)与点状 编码标志7,作为测量点，并要求在连接或拐角处适当增加公共用的定向反光标志与点状编 码标志的个数，并以定向反光标志或点状编码标志的中心作为闸门安装检测的指导点，并 布设具有标称长度的4一8根碳纤维基准尺4,作为长度基准； 2、 拍摄像片：选用INCA3型工业像机进行摄影，首先对工业像机进行参数设置并对照 被测物进行像机测光，然后在闸门前方的上、中、下、左、右位置处对整个闸门及附件进行交 向摄影，摄影距离为3?5m，影像间的重叠度要求为相邻部分至少3个编码公共点以及80% 以上重叠，每张影像至少要看到12个定向反光标志与点状编码标志7,为用于自检校要求 每拍摄4?6张影像要旋转像机90°再拍摄一次，拍摄时使交会角为60°?120°，如此以 得到高质量的影像； 3、 影像数据处理：采用V-STARS数字摄影测量系统，进行数据采集(如INCA3像机）和 影像数据处理，V-STARS (Video-Simultaneous Triangulation and Resection System)系 统是美国GSI公司研制的数字近景工业摄影三坐标测量系统。该系统主要具有三维测量精 度高(相对精度可达1/20万)、非接触、测量速度快、自动化程度高和能在恶劣环境中工作等 优点，是目前国际上最成熟的商业化工业数字近景摄影测量产品； 4、 用V-STARS数字摄影测量系统的V-STARS的数据处理软件对所摄影像进行数据处 理，经过运行软件Project - AutoMeasure处理后，得到Bundle平差结果； 5、 增加基准尺4的信息，直接选取导入已知的基准尺信息或手动输入其标定长度； 6、 点击软件Project - Bundle - Run,重新进行平差计算； 7、 对处理后的影像数据结果进行统一有规则的命名，然后再Bundle平差一次，作为最 终平差结果，以便于闸门的安装指导和检测； 8、 将摄影数据处理的结果进行初步的几何分析和形状误差检测，并与原有设计参数数 据进行比较分析，根据规范中闸门安装检测的各项指标进行闸门最终的安装指导调整，以 期达到评估各个检测项目是否合格以及如何指导安装调整。
[0015] 以下再结合图2-图6所示的水利工程弧形闸门的实际试验情况，再对本发明的具 体实施方法作进一步的详细说明。
[0016] 本发明在试验中，（1)首先选取在闸门、支铰1、底槛2、侧止水板3表面上均匀粘 贴交叉分布的直径为9_的圆形定向反光标志与点状编码标志7,其中，在闸门支臂6上的 支铰轴端面8的周围上布设8个、圆心上布设1个、底槛2表面上及下游边缘12处共布设 15个，底槛的上游边缘11可以不设(如图3)，闸门每侧的侧止水板3表面及下游边缘10左 右两侧处分别布设23个，左右两侧共46个，侧止水板上游边缘9可以不设(如图5所示)， 门叶5的表面上布设80个，总共粘贴定向反光标志150个，布设密度远大于全站仪的标志 点布设密度，以更好的对闸门各细部位置进行更为详细的检测； (2) 布设基准尺：如图2所示，在测量范围内的门叶表面中上、中下或中间位置处，布设 已标定4个长度基准的1根碳纤维基准尺4 ; (3) 用INCA3像机进行摄影，首先对工业像机进行参数设置并对照被测物进行像机测 光，在闸门前方上、中、下、左、右位置处共拍摄40张影像，拍摄时：摄影距离为3?5m，影 像间的重叠度要求为相邻部分至少3个编码公共点以及80%以上重叠，每张影像至少要看 到12个定向反光标志与点状编码标志7,为用于自检校要求每拍摄4?6张影像旋转像机 90°再拍摄一次，拍摄时使交会角为60°?120°，以得到高质量的影像； (4) 采用V-STARS系统（5mm + 5mm/m)数据处理软件对所摄影像数据进行处理：经过软 件Pro ject - AutoMeasure，得到Bundle平差结果；增加基准尺的4个基准长度的信息；然 后软件Pro ject - Bundle - Run，重新进行平差计算；对处理后的影像数据结果进行统一 有规则的命名，最后再Bundle平差一次作为最终平差结果； (5) 经过数据分析优化处理，其最终测量精度可优于0. 1mm (约为全站仪测量精度的 4?5倍)，且整个测量实施过程用时约25分钟(不足全站仪用时的1/3,而且所测点位越多 数字近景工业摄影测量方法速度优势越明显且点位精度不变)，可见与【背景技术】中的全站 仪测量方法相比较，数字近景工业摄影测量方法在水利工程闸门的安装检测的应用中精度 更高、适应性更强、更加快速高效。
[0017] 本发明经反复试验和试用，均取得了相同或相近似的结果，表明方法稳定可靠， 易操作，快捷、效率高，测量精度高，有效用于各种恶劣复杂环境条件下的闸门的快速安装 检测，以及各种闸门的形变测量，也就是说，本发明的数字近景工业摄影测量方法具有场地 空间适应能力强(无需安置仪器)，操作灵活方便(拍照)，测量速度快效率高(点位越多越明 显)，精度高(相对精度可达1/20万)，能够实现非接触、远近距离的测量，能很好地指导闸门 的实际安装检测工作，因此对于水利工程闸门的安装检测是一种便捷高效的方法，具有很 强的实际应用价值，经济和社会效益巨大。
【权利要求】
1. 一种水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方法，其特征在于，包 括以下步骤： 1) 规划布局、粘贴标志：在水利工程闸门的门叶、底槛下游边缘、侧止水板边缘与面以 及支铰轴端面及其圆周的特征部位上设置特征点，在特征点上布设定向反光标志，作为测 量点，并统一编号，以形成闸门安装检测的指导点； 2) 布设长度基准：在闸门所在测区范围内上、中、下、左、右位置布设有标称长度的若干 根基准尺，以提供长度基准； 3) 拍摄像片：用工业像机在不同位置交向对闸门已布设标志的特征部位进行拍摄，以 获取闸门特征部位和基准尺在内的不同角度的具有一定重叠的数张影像； 4) 影像数据处理：用数字摄影测量软件对所获取的影像进行测量处理，经过像点识别、 影像匹配、平差计算的数据处理，得到闸门安装检测指导点的三维坐标； 5) 结果分析、指导安装检测：对闸门的测量数据结果进行初步的几何分析和形状误差 检测，包括点、线、面之间的距离，线面、线线之间的角度以及各种几何平行、垂直关系的计 算，利用闸门测量数据拟合生成标准形状，并对直线、平面、圆的形状误差进行检测；经坐标 转换等处理后，与理论设计参数进行比较分析，然后根据水利水电工程钢闸门制造安装及 验收规范所规定的工作闸门检测的指标，来指导现场安装检测。
2. 根据权利要求1所述的水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量方 法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、规划布局、粘贴标志：在闸门的支臂（6)上的支铰（1)、底槛（2)、侧止水板（3)、门 叶（5)的表面上均匀粘贴交叉分布的圆形定向反光标志与点状编码标志（7)，作为测量点， 并要求在连接或拐角处适当增加公共用的定向反光标志与点状编码标志的个数，并以定向 反光标志或点状编码标志的中心作为闸门安装检测的指导点，并布设具有标称长度的4一8 根碳纤维基准尺（4)，作为长度基准； 2) 、拍摄像片：选用INCA3型工业像机进行摄影，首先对工业像机进行参数设置并对照 被测物进行像机测光，然后在闸门前方的上、中、下、左、右位置处对整个闸门及附件进行交 向摄影，摄影距离为3?5m，影像间的重叠度要求为相邻部分至少3个编码公共点以及80% 以上重叠，每张影像至少要看到12个定向反光标志与点状编码标志（7)，为用于自检校要 求每拍摄4?6张影像要旋转像机90°再拍摄一次，拍摄时使交会角为60°?120°，如此 以得到高质量的影像； 3) 、影像数据处理：采用V-STARS数字摄影测量系统，进行数据采集和影像数据处理； 4) 、用V-STARS数字摄影测量系统的V-STARS的数据处理软件对所摄影像进行数据处 理，经过运行软件Project - AutoMeasure处理后，得到Bundle平差结果； 5) 、增加基准尺（4)的信息，直接选取导入已知的基准尺信息或手动输入其标定长度； 6) 、点击软件Project - Bundle - Run,重新进行平差计算； 7) 、对处理后的影像数据结果进行统一有规则的命名，然后再Bundle平差一次，作为 最终平差结果，以便于闸门的安装指导和检测； 8) 、将摄影数据处理的结果进行初步的几何分析和形状误差检测，并与原有设计参数 数据进行比较分析，根据规范中闸门安装检测的各项指标进行闸门最终的安装指导调整， 以期达到评估各个检测项目是否合格以及如何指导安装调整。
3.根据权利要求1或2所述的水利工程闸门高精度安装检测的数字近景工业摄影测量 方法，其特征在于，包括以下步骤： 1)首先选取在闸门、支铰（1)、底槛（2)、侧止水板（3)表面上均匀粘贴交叉分布的直径 为9_的圆形定向反光标志与点状编码标志（7)，其中，在闸门支臂（6)上的支铰轴端面（8) 的周围上布设8个、圆心上布设1个、底槛（2)表面上及下游边缘（12)处共布设15个，闸门 每侧的侧止水板（3)表面及下游边缘（10)左右两侧处分别布设23个，左右两侧共46个，门 叶（5)的表面上布设80个，总共粘贴定向反光标志150个，布设密度远大于全站仪的标志 点布设密度，以更好的对闸门各细部位置进行更为详细的检测； 2 )布设基准尺：在测量范围内的门叶表面中上、中下或中间位置处，布设已标定4个长 度基准的1根碳纤维基准尺（4); 3) 用INCA3像机进行摄影，首先对工业像机进行参数设置并对照被测物进行像机测 光，在闸门前方上、中、下、左、右位置处共拍摄40张影像，拍摄时：摄影距离为3?5m，影 像间的重叠度要求相邻部分至少3个编码公共点以及80%以上重叠，每张影像至少要看到 12个定向反光标志与点状编码标志（7)，为用于自检校要求每拍摄4?6张影像旋转像机 90°再拍摄一次，拍摄时使交会角为60°?120°，以得到高质量的影像； 4) 采用V-STARS系统数据处理软件对所摄影像数据进行处理：经过软件 Project - AutoMeasure，得到Bundle平差结果；增加基准尺的4个基准长度的信息；然后 软件Project - Bundle - Run，重新进行平差计算；对处理后的影像数据结果进行统一有 规则的命名，最后再Bundle平差一次作为最终平差结果，用于水利工程闸门的安装检测。
【文档编号】G01B11/00GK104061859SQ201410311038
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】马开锋, 黄桂平, 胡青峰, 孟俊贞, 李明慈, 王伟峰, 轩亚兵 申请人:华北水利水电大学