Методы цифровой фотограмметрии для высокоточных наблюдений за трещинами и деформационными швами зданий и сооружений

Наблюдения за трещинами и деформационными швами зданий и сооружений – актуальная тема мониторинга, и в разное время эту задачу решали и решают разными способами, применяя всевозможные приборы и приспособления – от самых простых и дешёвых (гипсовых маяков, способных лишь «сообщить» о неблагоприятной ситуации) до сложных и дорогих (электронных щелемеров).

Поэтому возникла идея разработки, в которой будут применены методы фотограмметрии для решения задачи высокоточного мониторинга трещин и деформационных швов. В итоге, перед тем, как приступить к разработке, были обозначены проблемы и сформулированы задачи:

➡ Технология разрабатывается для инженеров - обследователей, эксплуатационщиков и не должна требовать от них высокого уровня знаний по фотограмметрии.
➡ Для съемки должны использоваться самые обычные цифровые фотокамеры без ограничений.
➡ Высокая точность должна обеспечиваться за счет высокого разрешения съемки, высокоточного метода измерения марок, теоретически строгих методов фотограмметрической обработки.
➡ Вся сложность фотограмметрической обработки снимков должна быть скрыта за высоким уровнем автоматизации всех процессов в разрабатываемом программном обеспечении.
➡ Оптимальная привлекательная стоимость.

В результате четырех лет исследований, разработок и экспериментов нам удалось разработать фотограмметрическую систему, которая позволяет выполнять дистанционный высокоточный мониторинг трещин и деформационных швов в трехмерной системе координат и соответствует сформулированным выше принципам.

В итоге, что мы имеем:
✔ Фотограмметрический щелемер состоит из фотокамеры, маяка (2 блока фотограмметрических марок, которые закрепляются по обе стороны деформационного шва или трещины) и специального программного обеспечения.
✔ Принцип работы устройства основан на том, что маяк периодически фотографируется камерой, и по результатам фотограмметрической обработки снимков (одиночных или стерео) определяется взаимное положение центров двух блоков марок, расположенных по обе стороны от трещины.
✔ Деформации определяются из сравнений результатов обработки съемки, выполненной в разное время.
✔ Высокая точность обеспечивается за счет высокого разрешения съемки, высокоточного измерения марок, теоретически строгих методов фотограмметрической обработки снимков.

Выполнять мониторинг трещин с использованием фотограмметрического щелемера можно как по одиночным снимкам, так и используя стереофотограмметрический метод.


При работе по одиночным снимкам (Рис. 1.) на каждую эпоху наблюдений выполняется один снимок маяка.


Используя кодовые марки, программа определяет номера пластин и находит данные по их калибровке. Затем автоматически находятся остальные марки на пластинах и с высокой точностью (0.05 пикселя) определяются их фотограмметрические координаты. Используя эти данные, программа выполняет дальнейшее решение на основе алгоритма обратной фотограмметрической засечки (ОФЗ). Решение выполняется поэтапно. На первом этапе ОФЗ решается с дополнительными (дисторсия, элементы внутреннего ориентирования) параметрами. При этом каждый снимок рассматривается как 2 снимка (левой и правой пластины) выполненные одной камерой. Результаты калибровки маяка используются как опорные данные. Такой подход позволяет уйти от требования предварительной калибровки камеры и обеспечивает пользователю свободу в выполнении съемки, когда его главной задачей становится получить качественный снимок. На втором этапе выполняется учет найденных параметров дисторсии и угловых элементов ориентирования. На третьем этапе решения с высокой точностью определяются линейные элементы взаимного ориентирования «правого» и «левого» снимков по трем координатным осям и, соответственно, положение центров двух блоков марок в пространстве. Изменение параметров взаимного ориентирования в следующую эпоху в сравнении с начальной и будет характеризовать взаимное движение блоков марок маяка.

Таким образом, даже используя одиночные снимки можно осуществлять 3D мониторинг.

Существенным недостатком работы по одиночным снимкам является то, что по мере удаления фотокамеры от маяка, из-за ухудшения геометрии обратной пространственной фотограмметрической засечки, точность определений быстро ухудшается. Как показали наши исследования, эффективным является расстояние съемки в диапазоне 0.05 – 0.3 м.


При стереофотограмметрическом методе съемка производится с двух или большем числе позиций (Рис.2).


Обработка результатов стереофотограмметрической съемки выполняется по тому же алгоритму, что и для одиночных снимков с той лишь разницей, что на третьем этапе расчета элементы взаимного ориентирования левой и правой пластины определяются сразу по всем выполненным снимкам из решения единой системы линейных параметрических уравнений. Как показали наши исследования, применение стереофотограмметрического метода позволяет выполнять определения в трехмерном пространстве с точностью порядка 5 – 20 мкм. на расстояниях съемки 0.1 – 40 метров при условии использования фотокамеры, позволяющей делать снимки с требуемым разрешением.


И при обработке одиночных снимков, и при обработке стереофотограмметрической съемки у нас присутствует большое число избыточных измерений. Это позволяет выполнить уравнивание фотограмметрических измерений по методу наименьших квадратов, проконтролировать возможное наличие грубых ошибок и выполнить оценку точности по результатам уравнивания. Таким образом, конечный пользователь может сразу оценить точность и достоверность получаемых результатов и сделать выводы устраивает его результат или необходимо повысить точность определений, например, за счет увеличения числа снимков или изменения геометрической схемы фотограмметрической сети.


Все описанные действия происходят скрыто от конечного пользователя и выполняются полностью автоматически. Программное обеспечение выполняет:
• автоматическое нахождение и идентификацию маяка на снимке
• автоматическое нахождение и измерение марок на снимках (Рис.3.)
• решение фотограмметрических засечек, калибровка снимков
• вычисление взаимного положения систем координат левого и правого блоков марок, оценку точности (Рис.4.)
• вычисление и визуализацию деформаций по нескольким циклам наблюдений, создание отчета мониторинга (Рис.5.).



Выводы

1. От 0.1 до 40 метров – диапазон расстояний, на которых фотощелемер позволяет выполнять мониторинг дистанционно.
2. Есть возможность выполнения точных замеров в труднодоступных местах – без необходимости использования каждый раз автомобильных вышек и других подъемных устройств.
3. Фотощелемер позволяет отслеживать деформации сразу по трем координатным осям в отличие от большинства устройств, которые это делают лишь по одной оси.
4. Высокая точность определения деформаций – до 0.005 мм. Результаты оценки точности фотограмметрических определений приводятся в отчете, формируемом программой.
5. Минимизация «человеческого фактора», влияющего на результаты мониторинга, в следствии высокого уровня автоматизации системы.
6. Возможности системы позволяют отслеживать трещины и деформационные швы шириной до 10 см., а при использовании кронштейнов и более.
7. Учёт изменения температурных условий при выполнении съемки маяка на трещине здания или сооружения – автоматическое введение системой температурной поправки.
8. Фотоснимки сохраняются и являются важным фиксационным материалом.
9. Применение методов фотограмметрии для мониторинга трещин и деформационных швов в здания и сооружения достаточно перспективно.



#щелемер #мониторинг #мониторингтрещие #обмерзданий #мониторингзданий #фотомикрометр #фотощелемер #деформациязданий #фотомаяк #марки #маякдлятрещин

Распечатать