雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)校準規(guī)程

1雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)校準規(guī)程本文件規(guī)定了雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的計量特性、校準條件、校準方法、校準結(jié)果等要求。本文件適用于雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)和原理相同的其它測量儀器的校準。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T34890《數(shù)字攝影三坐標測量系統(tǒng)的驗收檢測和復(fù)檢檢測》JJF1001《通用計量術(shù)語及定義》JJF1059.1《測量不確定度評定與表示》JJF1071《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》JJF1094《測量儀器特性評定》3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)dualcameraindustrialphotogrammetrysystem由2臺工業(yè)測量相機、定向尺、攝影測量標尺、測量筆、靶標、解算軟件和控制器等單元組成的基于實時交會測量技術(shù)的三維坐標測量系統(tǒng)。3.2攝影測量標尺scale-bar為工業(yè)攝影測量系統(tǒng)提供長度量值的一種標尺。3.3標尺長度scale-bar＇slength標尺上指定的兩個靶標中心之間的距離。3.4坐標測量重復(fù)性coordinatemeasurementrepeatability在相同測量方法、相同觀測者、相同場所和短時期內(nèi)，采用同一雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對攝影測量檢測場內(nèi)的靶標進行多組測量，相同靶標在不同組測量中坐標間的一致性。3.5攝影測量檢測場calibrationfield2為測定工業(yè)攝影測量系統(tǒng)坐標測量誤差和坐標測量重復(fù)性而建立的具有三維結(jié)構(gòu)的檢測場，一般依托實驗室穩(wěn)定的承重墻面搭設(shè)穩(wěn)定的三維框架建造。3.6測長誤差lengthmeasurementerror雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對參考長度進行測量時，系統(tǒng)測得的長度值與參考長度之間的差值。3.7擴展測量范圍測長誤差檢測場lengthmeasurementerrorcalibrationfieldforextendedmeasurementrange為測定雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在擴展測量范圍長度測量能力而建立的具有三維結(jié)構(gòu)的檢測場，一般依托實驗室測長機搭設(shè)穩(wěn)定的三維框架建造。3.8靶標target由回光反射材料制作的能夠被雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)識別的圓形合作目標。3.9測量場measuringfield雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)定向完成后能夠測量覆蓋的空間范圍。4系統(tǒng)構(gòu)成4.1系統(tǒng)組成雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)由2臺工業(yè)測量相機、定向尺、攝影測量標尺、測量筆、靶標、解算軟件和控制器等單元組成。工業(yè)測量相機是系統(tǒng)的核心傳感器，相機結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，且畸變已知。4.2作業(yè)流程作業(yè)流程應(yīng)符合下列要求：a)測量開始前，應(yīng)采用定向尺、攝影測量標尺或控制場對測量場內(nèi)架設(shè)的2臺工業(yè)測量相機定向，系統(tǒng)軟件解算出2臺相機之間相對的空間位置和姿態(tài)；b)測量過程中，系統(tǒng)應(yīng)對粘貼在被測物體上的靶標進行同步攝影，系統(tǒng)軟件經(jīng)圖像處理、同名像點匹配、空間前方交會等操作后，實時解算出靶標的空間三維坐標，從而實現(xiàn)對動/靜態(tài)物體相關(guān)幾何信息的實時測量。5計量特性5.1坐標測量誤差5.1.1應(yīng)分別采用高精度單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)與雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對攝影測量檢測場內(nèi)靶標的空間三維坐標進行測量。5.1.2應(yīng)以高精度單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標作為參考值。5.1.3應(yīng)通過坐標轉(zhuǎn)換計算雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標與單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標間的偏差，用所有靶標坐標在X、Y、Z各方向坐標分量和整體點位的均方根誤差（RMSE）表示雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的坐標測量誤差，具體計算方法參見附錄A。5.1.4對攝影測量檢測場內(nèi)靶標的空間三維坐標進行測量時應(yīng)在相同條件下進行，包括：相同的地點、方法、觀測者，并要求在短時間內(nèi)完成測量。需要進行復(fù)核時，應(yīng)由生產(chǎn)商或用戶根據(jù)標稱指標提供最3大允許誤差。5.1.5單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量不確定度不應(yīng)大于雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量不確定度的三分之一。5.2坐標測量重復(fù)性5.2.1雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)在短時間內(nèi)對同一攝影測量檢測場中的靶標進行多組重復(fù)測量。5.2.2同名靶標在不同組間空間三維坐標的一致程度，應(yīng)用所有靶標的測量坐標相對于其參考坐標在X、Y、Z各方向坐標分量和整體點位的均方根誤差（RMSE）表示，具體計算方法參見附錄B。5.2.3對攝影測量檢測場內(nèi)靶標的空間三維坐標進行測量時應(yīng)在相同條件下進行，包括：相同的地點、方法、觀測者，并要求在短時間內(nèi)完成測量。需要進行復(fù)核時，應(yīng)由生產(chǎn)商或用戶根據(jù)標稱指標提供最大允許誤差。5.3測長誤差5.3.1雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測長誤差應(yīng)包括典型測量范圍測長誤差，可包括擴展測量范圍測長誤5.3.2典型測量范圍測長誤差應(yīng)符合下列要求：a)典型測量范圍指絕大多數(shù)作業(yè)條件下雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量范圍；b)典型測量范圍根據(jù)大量實際應(yīng)用及雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量特性確定；c)典型測量范圍測長誤差應(yīng)采用雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對攝影測量標尺進行測量，通過比較攝影測量標尺長度測量值與標稱值之間的差異計算系統(tǒng)的測長誤差。5.3.3擴展測量范圍測長誤差應(yīng)符合下列要求：a)擴展測量范圍指被校準設(shè)備在保證測量精度的前提下能夠覆蓋的最大測量范圍，該范圍一般由生產(chǎn)廠家給出。b)擴展測量范圍測長誤差的校準宜采用激光干涉儀提供參考長度。需要進行復(fù)核時，應(yīng)由生產(chǎn)廠家或用戶規(guī)定最大允許誤差。c)激光干涉儀測長誤差的不確定度（測長誤差不確定度評定示例參見附錄C）與最大允許誤差的比值應(yīng)不大于三分之一。6校準條件6.1環(huán)境條件影響雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的環(huán)境條件，如溫度條件、空氣濕度、預(yù)熱時間和振動等的極限值應(yīng)符合生產(chǎn)廠家的相關(guān)要求。6.2場地及標準器條件6.2.1攝影測量檢測場攝影測量檢測場應(yīng)符合下列要求，其示意圖見圖1：a）攝影測量檢測場應(yīng)有足夠的景深，宜在一面鋼筋混凝土墻前搭設(shè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)框架建造攝影測量檢測場；b）攝影測量檢測場范圍不宜小于3.0m（寬）×2.0m（高）×0.5m（深）；c）攝影測量檢測場的混凝土墻和框架上應(yīng)均勻布設(shè)靶標；d）攝影測量檢測場布設(shè)的靶標數(shù)量宜介于1200個--2000個，靶標直徑宜為6mm；e）雙相機工業(yè)攝影系統(tǒng)的坐標測量誤差和坐標測量重復(fù)性應(yīng)在攝影測量檢測場進行校準。4圖1攝影測量檢測場示意圖6.2.2標尺標尺應(yīng)符合下列要求，其示意圖見圖2：a）標尺應(yīng)以膨脹系數(shù)低的碳纖維材料或銦鋼作為基體；b）每根標尺上宜均勻粘貼8個靶標，靶標與基體應(yīng)牢固連接；c）每根標尺應(yīng)提供不少于4個參考長度，其中最小長度不宜小于最大長度的三分之一；d）標尺標稱值的測量不確定度不應(yīng)大于被校準系統(tǒng)長度測量不確定度的三分之一。靶標前編碼后編碼攝影測量標尺LLLLL布示意圖圖2一種攝影測量標尺示意圖7校準方法7.1坐標測量誤差校準7.1.1單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)坐標測量要求如下：5a）宜采用高精度單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在距離攝影測量檢測場3--4m的位置對檢測場內(nèi)的靶標進行測量，計算出檢測場內(nèi)所有靶標的空間三維坐標，拍攝示意圖見圖3；b）單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量不確定度不應(yīng)大于待校準雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量不確定度的三分之一；c）單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對檢測場內(nèi)靶標坐標進行測量時，相機攝站應(yīng)分布在檢測場的左上、左中、左下、中上、正中、中下、右上、右中、右下9個位置，相機攝站分布示意圖見圖4a；d）單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)每次拍攝時宜使所有靶標在相片上成像，每個攝站拍攝4張照片，每拍攝一張照片相機原位繞相機光軸旋轉(zhuǎn)90°,即相機分別在0°、90°、180°和270°姿態(tài)下對檢測場進行拍照，相機旋轉(zhuǎn)示意圖見圖4b。圖3單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)相機在攝影測量檢測場前位置分布立體圖圖4單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量時相機拍攝位置和旋轉(zhuǎn)位置示意圖7.1.2雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)坐標測量要求如下，見圖5：a）應(yīng)在攝影測量檢測場前架設(shè)雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)，系統(tǒng)距離檢測場宜3m--4m；b）雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)采用廠家規(guī)定的方式完成系統(tǒng)定向，并連續(xù)對檢測場內(nèi)靶標的坐標c）將2臺相機位置互換，重新對系統(tǒng)進行定向。定向完成后，采用待校準雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)再次對檢測場內(nèi)的靶標坐標測量3組。6圖5雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)架設(shè)示意圖7.1.3坐標測量誤差計算要求如下：a）應(yīng)以單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的檢測場內(nèi)所有靶標的空間三維坐標為參考值，采用校準實驗室自編軟件或第三方具有認證的軟件進行坐標轉(zhuǎn)換；b）應(yīng)分別計算雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量得到的每組靶標坐標相對于基準坐標在X、Y、Z及點位方向的均方根誤差；c）應(yīng)取6組靶標在X、Y、Z和點位方向均方根誤差的平均值作為坐標測量誤差的表征指標；d）同名靶標坐標轉(zhuǎn)換應(yīng)遵循最小二乘原則，坐標轉(zhuǎn)換過程中宜剔除超過3倍中誤差的粗大誤差。7.2坐標測量重復(fù)性校準7.2.1雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)坐標測量要求如下，見圖6：a）應(yīng)在攝影測量檢測場前架設(shè)雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)，系統(tǒng)距離檢測場宜3--4m；b）雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)采用廠家規(guī)定的方式完成系統(tǒng)定向；c）雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)連續(xù)對檢測場內(nèi)的靶標坐標測量10組。7圖6雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)重復(fù)測量精度示意圖7.2.2坐標測量重復(fù)性計算要求如下：a）應(yīng)取10組靶標坐標的平均值作為各靶標坐標的參考值；b）宜采用校準實驗室自編軟件或第三方具有認證的軟件分別計算各組靶標的坐標測量值與其參考值在X、Y、Z和點位方向的均方根誤差；c）應(yīng)統(tǒng)計10組對比結(jié)果，取其平均值作為被校準系統(tǒng)的坐標測量重復(fù)性指標。7.3測長誤差校準7.3.1典型測量范圍測長誤差校準要求如下：a）應(yīng)以攝影測量標尺為標準器對雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在典型測量范圍的測長誤差進行校準，校準時雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)在兩種基線距離條件下對標尺長度進行測量，基線距離應(yīng)由生產(chǎn)廠家或用戶給出，兩種基線長度之間的差值不宜小于1m；b）每種基線條件下，雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)定向完成后應(yīng)對測量場內(nèi)19個位置的攝影測量標尺進行測量，示意圖見圖7；c）標尺位置應(yīng)分布在測量場的兩個測量平面，第一測量平面應(yīng)位于雙相機測量場縱深方向距雙相機基線0.4B～0.6B位置處，該平面內(nèi)應(yīng)豎向放置標尺，從左至右共3列，每列分別在上、中、下三個位置進行測量，共擺放9個位置，示意圖見圖8；d）第二測量平面應(yīng)與第一測量平面平行，距基線1.1B～1.2B，該平面內(nèi)標尺至少橫向放置6個位置，斜向45°放置4個位置，共放置10個位置，也可根據(jù)視場大小增加橫向標尺擺放的位置，示意圖見圖8；e）測量過程中標尺放置的位置宜覆蓋整個測量場邊界，標尺靶標與雙相機交會角不應(yīng)小于45°,豎直視角不應(yīng)超過23°,相機光軸與基線的夾角不應(yīng)超出28°~68°的范圍；f）測量完成后，比較標尺長度實測值與標稱值之間的差異。其數(shù)學模型為： 其中，L′為雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的標尺長度，L為標尺的標稱長度，Δ1為系統(tǒng)在典型測量范圍的測長誤差。圖7標尺放置位置示意圖8圖8雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量場俯視圖7.3.2擴展測量范圍測長誤差校準要求如下：a）檢測場應(yīng)在生產(chǎn)商規(guī)定的最大測量范圍內(nèi)布設(shè)，且檢測場內(nèi)應(yīng)具有測長機；b）測長機上應(yīng)具有可平滑移動的運動裝置，運動裝置的運動距離應(yīng)能夠通過測長機測得，且運動裝置上應(yīng)布設(shè)攝影測量靶標，裝置圖見圖9；c）運動裝置在位置一時應(yīng)采用雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對運動裝置上靶標的坐標進行測量，運動裝置運動到位置二、三、四、五時應(yīng)依次進行測量，并記錄位置一到位置二、三、四、五的距d）運動裝置移動位置數(shù)和每兩個位置間的距離應(yīng)根據(jù)用戶和廠家的實際需要確定；e）運動裝置移動的位置數(shù)不宜少于4個，每兩個位置間的距離不應(yīng)小于0.5m；f）應(yīng)以測長機測得的運動距離作為參考長度。雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)根據(jù)測得的靶標坐標計算得到的運動裝置移動長度作為測量長度。根據(jù)測量長度與參考長度之間的差異，計算雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測長誤差δ,計算公式為：δi=|Lmi-Lrefi| 式中：Lmi----雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測量出來的第i個長度；Lrefi，j----測長設(shè)備測得的第i個長度的參考值。圖9擴展測量范圍長度測量誤差校準裝置示意圖8校準結(jié)果經(jīng)校準的雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)應(yīng)出具校準報告或校準證書。9復(fù)校時間間隔送校單位使用者應(yīng)根據(jù)實際使用情況決定復(fù)校時間間隔，復(fù)校時間間隔不宜超過1年。（規(guī)范性）系統(tǒng)坐標測量誤差計算系統(tǒng)坐標測量誤差計算方法如下：A.1采用高精度單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對攝影測量檢測場內(nèi)的靶標坐標進行測量，由于所選用的單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的坐標測量不確定度不大于被校準系統(tǒng)坐標測量不確定度的三分之一，因此，可以將單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標作為參考值。A.2將雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在兩種測量狀態(tài)下測得的六組靶標坐標分別與單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標進行公共點轉(zhuǎn)換。計算各靶標在X、Y、Z及點位方向上的轉(zhuǎn)換偏差δX、δY、δZ和δT，以及所有靶標在X、Y、Z和點位方向的均方根誤差RMSX、RMSY、RMSZ和RMST。A.3設(shè)攝影測量檢測場上有m個測量靶標，以雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的第i組靶標坐標與高精度單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的靶標坐標進行對比為例，其評定原理為：2m-1)22m-1RMSTi=RMSXi2+RMSYi2+RMSZi2i=1,2,3,4,5,6.………（A.2）δXj=Xij-XGj;δYj=Yij-YGj;δZj=Zij-ZGj;i=2,3,4,5,6;j=1,2……m。注2：XGj、YGj、ZGj表示采用單相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的第j個靶標的空間三注3：δx、δy、δz表示雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)測得的各靶標三維坐標與高精度單相機工業(yè)攝后在X、Y、Z方向上的偏差量，RMSXi、RMSYi、RMSZi和RMSTi表示第i組所有靶標在X、Y、Z和點位方向的均方根誤RMSX=X1X2X3X4X5X66RMSY1+RMSY2+RMSY3+RMSY4+RMSY5+RMSY66RMSZ1+RMSZ2+RMSZ3+RMSZ4+RMSZ5+RMSZ66RMST1+RMST2+RMST3+RMST4+RMST5+RMST66注4：RMSX、RMSY、RMSZ和RMST表示所有靶標在X、Y、Z和點位方向的均方根誤差。RMSX=ii=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10.RMSX=ii=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10.RMSZi=（規(guī)范性）系統(tǒng)坐標測量重復(fù)性計算系統(tǒng)坐標測量重復(fù)性計算方法如下：B.1被校準系統(tǒng)對攝影測量檢測場進行10次測量，解算出每個靶標的坐標，取每個靶標10次坐標值的平均值為其參考值。B.2設(shè)攝影測量檢測場上有m個靶標，第j個靶標10次測量得到的坐標參考值為：Xj=X1.j+X2.j+…+X10.jYjZ=1.j2.j10.jj10B.3以第i次測量重復(fù)性的計算原理為例：.m)2m.1)2)2)2m((δZi.1)2.2)2.m)2mj=1,2……m.、Zi.j表示采用雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在第i次測量中測得的第j個靶標的空間三維坐標；注2：δXi.j、δYi.j、δZi.j表示第i次測量時第RMSZi)表示第i次測量中所有靶標在X、Y、Z和點位方向的均方根誤差。B.410組測量所有靶標在X、Y、Z和點位方向的均方根誤差RMSX、RMSY、RMSZ和RMST為：RMSX=RMSX1+RM2+…RMSX10RMSZ=Z1Z2Z10（資料性）測長誤差不確定度評定示例測長誤差不確定度評定示例如下：C.1測量方法對雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的長度測量誤差進行評定，測長誤差為測量長度與參考長度（標準值）之差，即δ=LLS………………（C.1）式中：δ--測長誤差；L--測量長度；LS--參考長度。C.2測量模型由測量原理和測量方法，得到長度誤差測量模型：式中：δC--測量系統(tǒng)與標準器膨脹系數(shù)差；CS--標準器的膨脹系數(shù)；θ--系統(tǒng)的溫度與20℃參考溫度的差值；δθ--測量系統(tǒng)與標準器溫度的差。由于各輸入量間不相關(guān)，所以合成標準不確定度的計算公式為： 靈敏度系數(shù)S.θ、δθ很小，C4、C5約為零。C.3標準不確定度分量分析由測量原理可分析得到測量不確定度來源于表C.1所示幾個方面。表C.1測量不確定度來源u1u(refi)u(t)C.4典型測量范圍測長誤差校準的不確定度評定雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)進行測長誤差的不確定度評定示例如下：a）長度測量重復(fù)性引起的標準不確定分量u1的評定。測量重復(fù)性引起的標準不確定度u1，可以通過連續(xù)測量得到，采用A類方法進行評定。對長度為800mm的標尺重復(fù)測量10次，得到測量列：表C.2典型測量范圍測量列示例單位：mm123456789測得值的平均值為L=Li=800.002mm實驗標準差為s==5μmb）由標尺引入的標準測量不確定度分量u(refi)由標尺引入的標準測量不確定度分量u(refi)可由校準證書獲得擴展不確定度為U=4.4μm，靈敏度系UkUkc）標尺膨脹系數(shù)差引入的標準不確定度u(α)校準環(huán)境中溫度要求為（20±2）℃,取其半寬則Δt=2℃,服從均勻分布，k取，實驗中標尺 δδδδc是由膨脹系數(shù)為0.5μm/（m·℃ δδδδc所以=-LS.θ。d）標尺溫度差引入的標準不確定度u(t)校準環(huán)境中的溫度要求為（20±2）℃,試驗中的標尺是由膨脹系數(shù)為0.5μm/（m·℃)的碳纖維材δδδδ所以kkkke）合成標準不確定度uc=-LS.cS經(jīng)分析，以上各不確定度分量不相關(guān)ucf）擴展標準不確定度ucC.5擴展測量范圍測長誤差校準的不確定度評定雙相機工業(yè)攝影測量系統(tǒng)進行擴展測