1 概述

以DIC為主的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)是結(jié)構(gòu)物變形非接觸測(cè)量的首要選擇，而隨著測(cè)量對(duì)象的體量越來(lái)越大，DIC已經(jīng)開始應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的大型結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)距離變形監(jiān)測(cè)，如大型橋梁和建筑物[1, 2]，甚至觀測(cè)距離已經(jīng)達(dá)到1km，位移測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到2mm，但是其中的折光校正問(wèn)題卻很少被提及，測(cè)量時(shí)間也只是短時(shí)間的，這其中有土木人員對(duì)折光的認(rèn)識(shí)不充分的原因，也有視覺(jué)測(cè)量中遮光問(wèn)題太過(guò)復(fù)雜的原因。本文將詳細(xì)闡述視覺(jué)測(cè)量中折光現(xiàn)象。

2. 大氣折光現(xiàn)象

基于視覺(jué)的測(cè)量方法都需要利用感光傳感器獲取物體反射或輻射出來(lái)的光，然后利用圖像處理方法獲得測(cè)量對(duì)象的位移。物體反射或輻射出來(lái)的光在均勻介質(zhì)中的傳播是一條直線，但是當(dāng)介質(zhì)不均勻的時(shí)候，光的傳播路線不再是一條直線。

在太陽(yáng)高度角的變化過(guò)程中，地面和空氣中的溫度會(huì)呈現(xiàn)大致周期的變化，且空氣的溫度與距離地面的高度具有一定相關(guān)性。當(dāng)光的傳播路徑上的溫度梯度不為0時(shí)，光線會(huì)沿曲線傳播，當(dāng)溫度梯度恒定時(shí)，曲線的曲率也是恒定的。實(shí)際的情況往往更加復(fù)雜，比如風(fēng)、地面植被、空氣湍流的影響，這些因素會(huì)導(dǎo)致光的路徑異常復(fù)雜。在太陽(yáng)強(qiáng)烈的時(shí)候，折射異常明顯，除了折光現(xiàn)象，在相機(jī)中看到的畫面會(huì)有影跳的現(xiàn)象，這實(shí)際上說(shuō)明折光有高頻成分和低頻成分，這兩種情況只能分別處理。

以DIC測(cè)量方法為例，本人進(jìn)行過(guò)100m測(cè)距下的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下，相機(jī)與觀測(cè)標(biāo)志的高差在小于50cm，一共觀測(cè)了十來(lái)天，這是其中一天的數(shù)據(jù)，而且光照強(qiáng)度不是非常大。在一天中，測(cè)量對(duì)象的漂移是非常大的，會(huì)極大的影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在近距離下有熱氣流影響的DIC位移測(cè)量試驗(yàn)中，DIC的測(cè)量誤差明顯受到熱氣流的影響[3]。

3. 視覺(jué)測(cè)量中折光問(wèn)題的復(fù)雜性

我們知道的，光穿過(guò)三棱鏡的時(shí)候，發(fā)生折射時(shí)候，會(huì)分離出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫其中色光，且紅色在最上面，說(shuō)明紅色的光折射小，此外由于紅外光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在空氣這種非單一介質(zhì)中穿透力比較強(qiáng)。所以在全站儀的測(cè)量中，都是使用紅外光。但在全站儀測(cè)量中也有折光問(wèn)題，但是氣象校正是自動(dòng)進(jìn)行的，甚至有時(shí)候根本沒(méi)管這個(gè)參數(shù)，但是遠(yuǎn)距離測(cè)量的時(shí)候，這個(gè)參數(shù)還是很重要的。全站儀工作過(guò)程中，全站儀發(fā)出紅外激光照射棱鏡，然后接受棱鏡返回的紅外光，并且單點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量三次取平均值作為測(cè)量結(jié)果。采用濾波方法或者對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均的方法只能對(duì)高頻折光位移產(chǎn)生影響，而對(duì)于低頻成分則無(wú)能為力。

在視覺(jué)測(cè)量中，很少用到單色光源，在自然光的照射下，由于每個(gè)頻率的光折射效應(yīng)不一樣，所以呈現(xiàn)在照片上的折光現(xiàn)象是異常復(fù)雜的，也就是文獻(xiàn)中說(shuō)的影跳[4]。所以要建立統(tǒng)一的折光模型是非常困難的，似乎采用單一頻率的主動(dòng)光源是必經(jīng)之路。

對(duì)于視覺(jué)測(cè)量中的折光問(wèn)題，也有極少的文獻(xiàn)從折光模型上考慮這個(gè)問(wèn)題[5]，但是也只是一種近似，不一定具有拓展性。

4. 結(jié)語(yǔ)

視覺(jué)測(cè)量中的折光問(wèn)題受制于被動(dòng)式的白色光源，使這個(gè)問(wèn)題顯得很復(fù)雜，可喜的是，目前這方面的研究已經(jīng)開始，希望不久可以解決，進(jìn)一步提升DIC在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中的精度。

[1]      Murray C A, Take W A, Hoult N A. Measurement of Vertical and Longitudinal Rail Displacements Using Digital Image Correlation. Canadian Geotechnical Journal, 2015, 52(2): 141-155

[2]      Pan B. Digital Image Correlation for Surface Deformation Measurement: Historical Developments, Recent Advances and Future Goals. Measurement Science and Technology, 2018, 29(8)

[3]      李倩. 熱氣流對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量的影響及其修正研究: [碩士學(xué)位論文]. 東南大學(xué), 2019

[4]      蔣利龍. 近地層大氣折光系數(shù)變化特征分析. 東北測(cè)繪, 1999, 22(1): 3-6

[5]      戴吾蛟, 邢磊. 一種基于視覺(jué)測(cè)量的大氣折光校正方法. 中國(guó). Patent. 2017,