数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究_杨化超

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第13卷　第3期

2008年3月中国图象图形学报JournalofImageandGraphicsVol.13,No.3Mar.,2008

数字近景摄影测量技术在矿山地表

沉陷监测中的应用研究

杨化超邓喀中张书毕刘　超于瑞鹏

(中国矿业大学环境与测绘学院,徐州　221008)

摘　要　为了解决传统的矿山地表沉陷监测方法存在的劳动强度大、不能实时观测、难以获得瞬时3维移动变形信息等缺陷,提出了一种利用基于非量测数相机的数字近景摄影测量技术进行塌陷区沉陷监测的方法。该方法首先利用标定过的高分辨率数字相机获取塌陷区的数字立体影像像对;然后采用相对定向、析处理技术提取塌陷区地表的数字高程模型;范围、深度、体积等沉陷参数计算。应用研究结果表明,下沉陷监测的精度要求。关键词　塌陷区　相机标定　数字近景摄影测量　数字高程模型中图法分类号:P234.1　　文献标识码:2)0320519206

onitoringofMineSurfaceUsingDigital

Close2rangePhotogrammetricTechnique

YANGHua2chao,DENGKa2zhong,ZHANGShu2bi,LIUChao,YURui2peng

(SchoolofEnvironmentalandSpatialInformaticsinChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,221008)

Abstract　Conventionalgeodeticmonitoringmethodshavesomedisadvantagessuchasintenseworkload,difficultiesofrealizingreal2timemonitoringandacquiringinstant3Dmovingdeformationinformationinsubsidenceareasofminesurface.Inordertocopewiththepracticalproblem,weproposedamethodusingdigitalclose2rangephotogrammetrictechniquetomonitorsubsidenceareas.First,digitalstereopairsofminesurfacewerecapturedusinghighresolutiondigitalcamera.Andthendigitalelevationmodel(DEM)wasextractedbyaseriesofphotogrammetricreductionprocessessuchasrelativeorientation,imagematchingetc.BycomparingtheconstructedDEMwiththeoriginal,thesubsidenceparameterssuchassubsidencerange,depthandvolumeetccanbecalculated.Practicalresearchresultsindicatedthattheprecisionacquiredbydigitalclose2rangephotogrammetrictechniquecanmeettheaccuracyrequirementunderthistestcondition.Afeasibleapproachisprovidedforsubsidencemonitoringofminesurface.

Keywords　subsidenceareas,cameracalibration,digitalclose2rangephotogrammetry,wavelettransformation,directlineartransformation,imagematching,DEM

1　引　言

传统的地表沉陷监测方法一方面存在劳动强

　　基金项目:中国矿业大学青年科研基金资助项目(2005A030)

收稿日期:2006205222;改回日期:2006209212度大、不能实时观测、不能获得瞬时3维移动变形信息等缺陷;另一方面,某些塌陷区域可能存在着潜在的危险而无法使用传统的大地测量方法直接观测。数字化近景摄影测量是一种非接触量测方

第一作者简介:杨化超(1977～　),男。讲师,在职博士研究生。主要研究方向为摄影测量与遥感。已发表论文20余篇。E2mail:hua2chao2yang@http://wendang.chazidian.com

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　520中国图象图形学报第13卷

式,具有可以实时获取地表信息和以数字方式存储和实时观测等优点,其在变形滑坡、结构变形领域得到了广泛的应用。石必明、任伟中等人将非量测数字相机数字化近景摄影测量技术用于沉陷

[1,2]

模型的试验观测,取得了不错的效果。但仅仅通过对模型的变形测量无法给出地表的整体变形信息;Thomas等人采用专业量测相机将数字近景摄影测量技术用于大坝的变形监测;盛业华等采用未经标定的非量测相机,利用数字近景摄影

[4]

测量技术进行矿山地表塌陷区的沉陷监测,得出了地表的沉陷参数。

专业的光学量测相机提供内方位元素,虽然其获取的影像质量好,但由于其价格昂贵、摄影技术要求过高,因此,本文尝试将非量测普通数字相机用于小范围塌陷区的数字近景摄影测量,并提出了一种适用于数字近景影像的相对定向、其可用于实现矿山地表目标点的,应用结果表明,下沉陷监测的高程模型(digitalelevationDEM)可以用于矿山地表沉陷分析,这就为矿山地表塌陷区的沉陷监测提供了一条可行的途径。

图　Fltechnique

[3]

2维DLT可表达为

L1

=L4

[5]

:

L3

L6L2L5L8

(1)

L72　应用概述

某矿由于多年持续开采,其主体矿区塌陷严

重,存在严重的安全隐患,由于采用传统的方法进行监测费时费力,为此如今多采用数字近景摄影测量技术进行塌陷区沉陷监测。为降低成本,本文采用非量测数字相机作为传感器进行监测。在进行塌陷区监测时,其整体工作流程如图1所示。

利用数字近学摄影测量技术进行塌陷压监测时,首先对数字相机进行标定,同时利用标定过的数字相机获取已布好控制的塌陷区数字立体像对,并采用金字塔分层影像匹配方案匹配出同名点;然后采用直接线性变换(directlineartransformation,DLT)算法并根据匹配出的同名点计算塌陷区地表的离散点坐标;继而利用分块内插方法构建塌陷区数字高程模型;最后,通过与开采前根据地形图数字化等高线获得的DEM进行对比分析来完成塌陷区沉陷范围、深度、体积等沉陷参数计算

。

式中,Li(i=1,2,…,8)为2维DLT的8个变换参数;X,Y为平面控制(格网)点坐标(Z坐标为0);x,y为相应的像坐标(如图2所示)。当像点数多于4个时,可利用式(1)来平差计算2维DLT的8个变换参数。

图2　标定平面格网示意图

Fig12　Sketchmapofplanargrids

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第3期杨化超等:数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究　521

对于平面格网而言,由于X,Y轴一般在平面

(格网)内,且所有物(格网)点的Z坐标为0,因此可将共线方程表达为如下矩阵形式:

1

=λ

xfyf-

接求解相对定向元素,其优点是不需要知道定向元素初始值,且计算结果具有确定性。由于篇幅所限,具体算法详见文献[6]。

为提取相对定向需要的足够且分布合理的同名点,首先应将左影像划分为若干个子影像块,然后在每一个子影像块内利用点特征提取算子提取每一个子影像块的局部特征点。本文采用算法简单、精度较高的F??rstner点特征提取算子来提取分块特征点。其基本思想是,先以像元的4个主要方向上的最小灰度方差来表示该像元与邻近像元的灰度变化情况,即像元的兴趣值;然后在图像的局部选择具有

最大的兴趣值的点()作为特征[6]

点;,。本文

[7,8]

:

2,=

h(2n-∑??

1010

?f

a1a2a3

b1b2b3

-(a1XS+b1YS+c1ZS

-(a3XS+b3YS+c3ZS-(a2XS+b2YS+c2ZS)(2)

式中,x0,y0,f为像机的内方位元素;XS,YS,ZS为摄

站点坐标;X,Y,Z为物方空间坐标;x,y为相应的像点坐标。Rai,bi,ci,i=1,2,为摄影测量中常用的由旋转角φ,ω,κ(Y为主轴)矩阵。

,取标称值,则式,由式(1)、式(2),根据旋转矩阵的正交性特点即可以求出比例因子λ,继而可确定旋转矩阵元素a1,a2,a3,b1,b2。而c1,c2,c3则由

φ=-a3/c3,旋转矩阵的正交性确定。若tan

ω=-b3,tanκ=b1/b2,则可以分别求出外方位sin

ω、κ的初始值。旋转矩阵确定以后,可角元素φ、

再利用线性化的共线方程和至少3个控制点解算相

机外方位元素的初值。

内、外方位元素初始值确定以后,即可利用自检校光束法平差算法进行精确相机标定来获得相机的内方位元素和畸变系数的值。

l∈Z

1)

k=

-∞

h(2m∑??

+∞

-k)A2jf(k,l)

d

×

D2jf(m,n)

+∞

=

l∈Z

g(2n-∑??

2

1)

k=-

∞

h(2m∑??

-k)A2j+1f(k,l)

d

×

D2jf(m,n)

+∞

=

l∈Z

h(2n-∑??

3

1)

k=-

∞

g(2m∑??

-k)A2j+1f(k,l)

d

×

D2jf(m,n)=

g(2n-∑??

l∈Z

1)

k=-∞

g(2m∑??

+∞

-k)A2j+1f(k,l)

d

4　立体像对相对定向

自动相对定向是利用立体像对中摄影时存在的

同名光线对的相交几何关系来自动提取足够的分布合理的同名点,并计算该立体像对的相对方位元素

[6]

的过程。由于普通数码相机畸变差较大,破坏了共线构像条件,从而使相对定向精度较低,甚至不收敛。另外,由于受塌陷区立体摄影条件的限制,摄影基线往往较长,从而造成立体像对中像片之间外方位角元素差别很大,这些因素也会影响相对定向元

[6]

素的解算。为此,本文利用相对定向直接解法进行相对定向,直接解法相对定向是通过线性变换直

金字塔影像分层后,可首先在金字塔顶层进行匹配,全部特征点匹配完成后,再按照广度优先的原则扩展到下一层,直到最底层时,则进行最小二乘影像匹配,以便得到亚像素级匹配精度。最高层的影像匹配要保证100%正确,为此,在最高层影像匹配时采用双向匹配,即先从左至右匹配一次,匹配成功时,再利用该匹配结果,从右至左匹配一次,若反向匹配也成功,则认为该匹配结果可靠,否则匹配为失败。利用这种方法可降低误匹配率。

5　影像匹配

当相对定向完成后,则可以制作核线影像对,在中心投影的像对上,沿核线搜索即可实现1维匹配,本文使用的是以“水平”像片为基础的核线影像,倾

[6]

斜像片与水平像片之间的坐标关系式为

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　522中国图象图形学报第13卷

u=-f

a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f

式中,Li(i=1,2,…,8)为3维DLT的11个变换参

(3)

2

数。像点坐标的非线性改正Δx=(x-x0)k1r,

b1x+b2y-b3f

v=-f

c1x+c2y-c3

f

Δy=(y

(x-x0)

2

-

y0)k1r;+(y-y0)

2

2

像点向径r=

其中,(u,v)和(x,y)分别为倾斜像片和“水平”像片的像片坐标;ai,bi,ci(i=1,2,3)为相对方位元素的函数。如果分别对左右像片进行核线处理,则可得到核线影像对。

采用小波变换进行金字塔分层匹配。匹配时,原始图像与各层分解后的低频子图像形成金字塔,先在低频子图像上提取特征,然后进行特征匹配。这种基于特征点的匹配有利于提高匹配成功率。核线影像的制作是在v方向(或者说y方向)减少了搜索范围,变为1维搜索,即消除了上下视差。而金字塔的生成,又为匹配减少了u方向的搜索,即按比例缩小了左右视差,使得左右搜索范围得到控制。实践表明,由于阴影、,,,这样也会引起误匹配。在金字塔层和核线1维搜索的控制下,产生的误匹配大多数是由于上述情况产生的。为了降低这种误匹配的发生,本文仍然使用双向匹配策略。对成功匹配好的点,再反向匹配一次,以确认匹配结果是否真的无误。对匹配不成功的点,则再在右片上重选一个点,然后以该点作为基准点,在左片上寻找同名点,如果匹配成功则再反向匹配一次,如果不成功就丢弃。反向匹配成功的点就标志为匹配成功点,反向匹配不成功的点则标志为可疑点。

,k1为径向畸变改正系数。

x0,y0,k1的值可通过相机标定获得。误差方程式的

具体形式及物点坐标的计算步骤详见文献[5]。

7　应用结果与分析

实地拍摄前,首先进行相机标定,即先在一立面墙体上布设一平面控制格网,格网大小为400×

2

400cm,格网间隔为40cm;4个摄站上,每个,共拍摄标定格

[9]

8;,,标定时,,并采用不同的摄影深度,再利用本文提出的相机标定算法进行多次标定,以获得稳定的主点坐标。主点坐标的标定结果如下:x0=12851449,y0=9581749,单位均为pixel,径向畸变参数k1=1198×10

-8

,标定精度约为±216pixels。

用标定过的普通数字相机获得塌陷区地表9个数字近景立体影像像对,拍摄前,在塌陷区周围稳定区域均匀布设18个控制点,其中8个作为像片控制点,其余10个作为检查点。控制点标志如图3所示,打印后贴于标志杆上。

6　物点坐标计算

利用3维DLT算法计算塌陷区地表离散点坐标时,首先利用3维DLT基本关系式解算11个L变换系数和物点坐标初始值。

当有多余观测值,像点坐标改正数为(vx,vy),像点坐标的非线性改正数为(Δx,Δy)时,则3维DLT可表达为

(x+vx)+Δx=(y+vy)+Δy=

L1X+L2Y+L3Z+L4L9X+L10Y+L11Z+1LX+LY+LZ+LL9X+L10Y+L11Z+

1

图3　控制点标志

Fig13　Signofcontrolpoints

根据该区域的已有控制点资料,利用T2经纬仪

和测距仪按前方交会方法测定标志点中心的3维坐标。对于控制点影像坐标以半自动方式量测,即首先利用区域生长算法获得标志点边缘轮廓;然后用椭圆拟合法算法精确量测标志点中心影像的像素坐[9]

标;最后根据控制点地面坐标和影像坐标按直接线性变换算法计算各像片的11个L变换系数。

为提取足够数量且分布均匀的用于相对定向的

(4)

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第3期杨化超等:数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究　523

同名点,并考虑到影像的纹理特征,可先将左影像划

分为512个子影像块,若利用F??rstner算子共提取出512个特征点,则在右影像中有109个点得到了正确的匹配(图4所示的为12个正确匹配的特征点);然

后利用匹配得到的109个同名像点进行直接解法相对定向,相对定向后即可生成核线影像(如图5所示),其中红线为同名核线,核线影像匹配共获得了1333个正确的匹配点,双向匹配成功率为7713%

。

　　核线影像匹配完成后,可先根据立体像对中各

片的11个L变换系数按直接线性变换算法计算与各同名点对应的物空间坐标,然后根据地表的离散点坐标利用分块内插方法获得塌陷区规则格网DEM

[10]

下沉量约为120318m。

在Windows平台上用VC++610可视化编程工具开发了上述相应的数字近景摄影测量解析处理程序,主要包括像控点影像坐标的半自动量测、立体像对的相对定向、核线影像生成、影像匹配与编辑、基于直接线性变换算法的立体像对空间前方交会、DEM的生成与编辑等模块,其界面友好,自动化程度较高。

3

,其结果如图6所示。通过与利用开采前原

[10]

始等高线建立的DEM进行比较分析可知,该区域最大下沉高度为1917m,最低下沉高度为213m,