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基于影像的建筑物形变数据采集与特征分析

伊晓东  
【摘要】:当今信息化时代,由于数码城市建设的需要,对于无接触式自动提取技术获取大量建筑物三维模型的研究愈发迫切。最近几年,大量的研究集中在建筑物的识别、提取和三维重建方面。这些方法在通用性、自动化程度、数据源、几何建模技术、提取策略等方面存在很大差异。其中数据采集源就包括直接获取如测量机器人、近景摄影、3D激光扫描与INSAR技术,而间接数据获取包括高分辨率卫星遥感影像、二维GIS地图数据、数字表面模型DSM等。 由于近景影像有成本低、采集对象灵活和数据处理手段多样化的特点,就成为本文主要研究的方法。就此本文的主要工作如下: 介绍了无接触测量模式的几种技术和面向工程监测的具体应用,分析了利用数字影像结合RTS或GPS等技术进行建筑物特征点测量的可行性和技术特点。证明基于建筑物特征点无接触式提取方式用于构筑物变形数据的采集,是一种在工作效率、反映全面、易于自动化等方面比传统的监测方法更优的手段。本文主要针对工程构筑物特征及变形监测问题,利用数字近景摄影测量技术,结合RTS(测量机器人)、GPS等技术,从影像控制网的选择和优化、影像数据解算方法、面向形变监测对象的影像解析方法等对利用影像测量技术对工程建筑物的形变监测进行了多角度的剖析。得到了基于三维空间坐标的建筑物各种产品,包括监测分析中用到的各类监测对象数据、图形、图像、数字表面模型以及三维图形结构等。并通过各种工程实例进行了成果的验证。 本文提出的基于无接触法的空间数据采集的集成处理方法,主要分析了建筑物近景影像特点,包括近景摄影测量在利用投影变换、模式识别、数字图像处理等关键技术,在影像处理的过程中,提出运用数学形态学方法生成有利于进行特征提取、边缘检测的新图像,这为建筑物影像特征点、线的半自动甚至于自动提取提供可能。通过对辽宁省外贸厅大楼的实验,本文所提出的基于分区控制下建筑物立面测绘思想,无论从工作效率和成图精度上都是可行的。基于上述思想建立的解算模型,它可以完成基于普通全站仪和照相机下建筑物立面(平面)测绘工作。而采用RTS控制下的影像前后交替法平差获得大型钢网架空间的几何分布,并通过在不同测站和不同角度处节点点位(检核点)的重复采集,证明获得的检核点三维坐标互差结果均满足检测的精度要求。 而在高精度求解变形时,对于法方程弱相关引起的解的不稳定的问题(控制点分布状态不太好),本文提出采用快速GIVENS变换正交算法有效改善求解的质量,并在船闸试验数据中得到体验。 近景摄影测量中,摄影方式、点的布设及数据的解析处理方法,对提高点的精度非常重要,而L-估计的理论是消除或减弱观测值粗差的影响的有效方法,本文结合船闸变形的实践,分析和比较了在不同条件下,L-估计在提高影像数据解算质量所起的作用。证明了采用L-估计方法,在控制点构网条件下不佳时,平差结果好于剔除粗差后最小二乘结果。 针对钢网架工程结构检测,本文提出了基于DLT解算成果作为平差初值的设想,并在其进行三维重建时,提出逐步插入建立单元子区域(SCT)法用于网架结构物的TIN构造思路,证明这种约束方法在TIN模型构造时有一定的实用价值。 提出基于CCD影像数据解析手段(空间时间基线法)并结合现代GPS、RTS等集成技术思想,对不同对象的工程建筑物的特征点按形变监测研究目进行了动、静态数据采集和解算。针对基于时序下空间影像数据的静态和动态变形特点进行的分析,证明本方法对实践中工程结构物的健康检测不失为一种有效的手段。通过对北大桥建筑检测的实践,采用无接触方式获取的监测数据反映了大桥受外力荷载变化所呈现出的挠度几何形变特征。 本文所取得的研究成果可为建筑物测绘和与工程结构物安全监测提供一种新的思路,具有一定的理论意义和现实意义。


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