长时间摄像测量中的温度效应及消除方法研究

基于图像的摄像测量方法以其客观、可靠、高精度、非接触、自动化等优势，在实验力学中的大型结构变形测量、工程建筑和地表沉降监测等领域正发挥着越来越重要的作用。然而，与传统的摄影测量、短时高速摄像测量等应用不同，当需要连续数小时、数天甚至数月等长时间利用摄像机采集的图片数据进行测量或监测时，由于外界环境温度的变化，会引起摄像机、镜头等系统的热胀冷缩效应进而引起光轴、焦距、像差等参数发生变化，从而影响测量结果的精度和可靠性。针对该问题，本项目在国内外首次系统地分析环境温度变化对摄像测量系统的影响，并提出几种消除或减小温度效应的具体方法，具有重要的理论和实用意义，将推动摄像测量技术的发展并拓展其在大型结构变形测量、工程建筑和地表沉降测量等一大类长时间测量和监测工程领域中的应用。

将摄像测量（视觉测量）方法进行长时间应用时，必须考虑并尽量消除温度变化所带来的测量误差。本项目对长时间摄像测量中的温度效应及消减方法进行了理论和实验研究，取得了多项研究成果。首先通过大量实验研究温度变化对摄像测量系统的影响大小以及产生该影响的基本原理，并深入分析了温度变化对摄像机传感器及镜头各自的影响；利用有限元分析方法对某型号镜头受温度影响产生的变形进行了数值仿真分析；在对像机温度效应进行实验和分析的基础上，提出10参数像点漂移模型；根据各参数的耦合特性将该模型简化为7参数和5参数模型；在像点漂移模型的基础上利用系统辨识的方法建立了参数—温度变化模型；该模型能够根据温度变化计算像机参数的变化，从而有效的对像点漂移补偿，并进行了单目位姿测量温度补偿实验验证，实验结果证明了该方法的可行性和有效性；最后，针对大型工程建筑沉降测量的应用，对温度效应消减方法在实际工程中的应用做了初步探索。本项目系统分析了像机自身温度变化和环境温度变化对摄像测量系统的影响，提出的像点漂移模型和参数—温度变化模型能够有效消减温度效应的影响，具有重要的理论和实用意义，进一步的工程化研究将推动摄像测量技术的发展并拓展其在长时间测量和监测工程领域中的应用。