普通数码影像在环评调查中的应用

宋立旺,黄爱玲,林 洪

(1.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002;2.杭州博盛环保科技有限公司,浙江 杭州 310005)

1 问题的提出

拟建的石坑坪水库位于浙江遂昌县境内练溪上游,坝址以上集水面积29.7 km2,水库设计正常蓄水位460 m,库区山高坡陡、植被发育,交通不便、人烟稀少。

2 测算原理与方法

利用数码相机实现对空间物体的平面测量主要基于透镜成像理论基础[1],拍摄得到的图像是空间物体通过成像系统在像平面上的反映,即空间物体在像平面上的投影。空间物体到像平面的投影关系即为成像模型。图1为理想透镜成像原理图,理想透镜成像系统主要由光心(也称为摄影中心)、成像平面和光轴组成。可以把数码相机的镜头想象为理想透镜,相机将摄得的物像在CCD上 (可以想象为像平面)呈现出来。

图1 透镜成像原理图

可见,物高 Q为物距u、焦距 f和像高q的表达式。其中物距u可在照相的同时通过激光测距仪测得,焦距f可通过查询照片属性获得,关键是像高q的求取。如前所述,空间物体通过数码相机镜头成像在CC D上。一般每款数码相机CCD的实际尺寸是确定的,可从相关技术资料查获。根据影像的分辨率属性,就可以建立影像上像素距离与像平面上实际距离的对应关系,即每个像素在CCD面上所对应的宽度或高度,然后由影像图高 Δq求算像高q。

假设CCD的实际长宽为a×b,若其影像分辨率为 x×y,则:

将其代入式(3)可得影像平面测量计算公式:

3 实验及结果

在古树对岸的练溪左岸公路附近的山坡上,用索尼DSC-T20数码相机对准古树拍照,拍照时尽量将树干中下部置于照片中央,并包络古树顶部及河床,得影像见图2。同时用激光测距仪测得拍摄点至位于照片中央附近的古树树干的距离为41 m。

索尼DSC-T20数码相机采用的是1/2.5″的 CCD,查得其实际尺寸为5.445 mm×4.084 mm。用看图软件查得该照片像素数为3264×2448,焦距为6.33 mm。查得该影像如下像素数差值:古树胸径67、冠幅935、树高1494。根据上述影像平面测量计算公式得古树特征尺寸:胸径0.724 m(胸围2.275 m)、冠幅10.103 m、树高16.143 m,分别与调查的胸围2.28 m、冠幅10 m、树高16 m很接近,可见测算结果是较准确和可信的。再查影像树底至河床的像素数差值为1372,计算出两者实际高差为14.825 m。在库区1∶2000地形图查得拍照点对面河床高程为448.2m,由此可知该古树所处高程为463 m左右。因该古树所处高程高于水库正常蓄水位460 m(尚有约3 m高差),可判断水库建成后正常蓄水不会淹没该古树,对其存活条件无不利影响。

图2 对岸所拍古树影像图

4 讨 论

类似于上述实例,通过利用便携的普通数码相机和测距仪,并借助笔记本电脑甚至智能手机进行少量的分析计算,即可实现对局部范围内少数点位的相对距离或高差的粗略测量,该方法具有取材方便、简易、快速、非接触、无干扰等特点[2],且其测量精度完全能够满足环评一般调查或粗略测量的要求,在地形、交通、人员与设备等条件不佳时尤为实用。

经初步分析,基于普通数码影像的平面测量方法在实际应用中需注意以下几个方面。

根据被测对象选择较为理想的拍摄点,有利于提高测量精度。数码相机摄影光轴应尽量垂直于被测对象所在平面并处于被测对象中央附近。相对于被测对象的大小,拍摄点与被测对象的距离应适中;若太近,影像变形大,测量误差越大;若太远,影像中被测对象很小甚模糊,也将增加测量误差。另外,CCD尺寸越大,影像分辨率越高,测量精度越高[3],因此,可尽量使用全画幅高分辨率的单反数码相机。

由于相机摄影光轴往往难以完全垂直于被测对象所在平面,或者被测对象本身就不在一个平面上,再加上普通非量测数码相机镜头畸变较大、无框标和内方位元素未知等固有的缺点[4],因此,基于普通数码影像的平面测量不可避免也存在一定误差。为了提取影像上的特征点或线条等,还需对影像进行平滑、增强、分割、消除噪声等操作[5],达到优化影像质量的目的,便于影像分析,从而提高平面测量精度。

为了提高基于数码影像的平面测量的适用性,针对常用的普通数码相机机型,有必要分析不同的物距与物体大小的比值、焦距以及摄影光轴与被测对象平面的倾斜角度对测量精度的影响。

[1]邹晓军.摄影测量基础 [M].河南:黄河水利出版社,2008.

[2]张祖勋.数字摄影测量的发展与展望[J].地理信息世界,2004,2(3):1-5.

[3]奥村运明,张天航,李宁,等.数字图像技术在黄河堤坝裂缝观测中的应用[J].人民黄河,2007(5):19-20.

[4]刘世杰,叶勤,童小华,等.用数码相机测量斜拉桥拉索模型的变形 [J].吉林大学学报 (工学版),2007(4):920-924.

[5]林晓威.普通数码相机在工程检测中的应用研究 [D].杭州:浙江大学硕士学位论文,2008.