影响基于摄影测量的变形测量方法精度的因素
摘 要
三轴试验已广泛应用于非饱和土的应力应变关系研究。在三轴试验中，土壤体积是一个重要的测量参数。对于非饱和土，由于气相的存在，三轴试验中准确的体积/变形测量是研究人员面临的一大挑战。近年来，人们发展了一种基于摄影测量的方法来测量三轴试验中土壤的体积/变形。初步的三轴试验结果表明，该方法简单、准确、经济、省时。然而，其他研究人员对它的测量精度和适用性提出了一些关注，这对传播基于摄影测量的方法至关重要。本研究详细讨论了这些问题。通过对不同围压介质和室压下的铝质圆筒进行一系列三轴试验，系统地评价了影响变形测量精度的因素。通过灵敏度分析，研究了系统参数对基于摄影测量方法的体积测量精度的影响。此外，在饱和砂样上进行了三轴试验，以评估网格密度、网格模式和插值技术对体积变化测量精度的影响。最后，对提高基于摄影测量方法的测量精度提出了一些建议。
关键词：光学射线跟踪；基于摄影测量的方法；三角网格；三轴试验；非饱和土；体积变化
1 介绍
三轴试验已广泛应用于研究饱和土和非饱和土的应力应变关系。在三轴试验中，土壤体积是一个重要的测量参数。对于饱和土，它的体积变化等于水的体积变化。因此，通过监测水量变化可以直接测量土壤体积变化。但对于非饱和土，由于存在气相，其体积变化不再等于水的体积变化。因此，传统的饱和土体积变化测量方法不能适用于非饱和土。在过去的几十年里，已经发展了几种方法来测量非饱和土在三轴试验中的体积/变形(例如，[2,4 - 8,10,11,15,17,18,21,25,26])。然而，正如[16]和[27]所总结的，这些方法都有其局限性，在三轴试验中准确测量非饱和土体积变化仍然是研究者面临的一大挑战。随着数码相机的发展，摄影测量法由于其低成本和高测量精度而在三轴测试[12-14、22、27]中对实验室土壤变形测量越来越有吸引力。 在[22]和[20]中，提出了一种多相机摄影测量法来测量三轴试验过程中非饱和土的变形。在这种方法中，10个针孔相机被安装在三轴室的内部。通过在轨道系统的帮助下，利用针孔相机捕捉到的一系列样品周围的图像来测量测试过程中的土壤变形。然后，对采集到的图像进行摄影测量分析，提取试验过程中的土壤变形特征。内部摄像头的使用(即其他基于图像的方法(如[4,10,17,27])不需要折射校正。由于采用了摄影测量技术，三轴试验中的变形测量简单明了。然而，这种多相机摄影测量方法有几个局限性:(1)所使用的针孔相机尚未投入市场。用户需要选择现有的板相机，并确定适合不同三轴系统设置的针孔大小;(2)针孔相机在每次测试前都需要达到饱和状态，以消除相机内部空气的折射。该相机的饱和过程被认为是准确测量土壤变形的关键;(3)对现有的三轴试验装置进行重大的系统修改，以便安装摄像机(即)和影像捕捉(即，建立一个跟踪系统和数据采集系统)。因此，多相机摄影测量方法所需的系统设置比其他所有基于图像的方法都要复杂;(4)由于针孔相机分辨率低，拍摄到的图像质量很差。因此，使用模糊图像进行摄影测量的准确性是有问题的。由于每幅图像只覆盖标本的一小块区域，因此一次体积测量需要数百幅图像;(5)采用10台不同定标结果的相机采集的数百幅图像进行多相机摄影测量分析，如[20]所报道的那样是极其复杂和耗时的。由于上述局限性，在三轴试验中采用这种多相机摄影测量方法进行准确的土壤变形测量既不实用也不高效，即使测量原理在理论上是合理的。
1.1基于摄影测量的方法
一种新的基于摄影测量的方法[12,14,27,28]已经被开发出来，并成功地应用于三轴试验中测量土壤体积/变形。基于摄影测量的测量是通过从对应的摄像机站到三轴室内土壤表面测量目标的每一束光的精确测定来实现的。基于摄影测量的方法原理如图1所示。
为了利用新发展的基于摄影测量的方法在三轴试验中测量非饱和土样品的体积，传统的三轴试验系统使用手持数码相机拍摄一系列图像(通常为25至30张)。只要相邻图像具有足够的重叠，就可以从任意方向或拍摄角度拍摄图像，如图1a所示。通过摄影测量分析，精确地确定了所拍摄图像的摄像机位置和三轴细胞的几何特性。利用图像上点的像素位置，构建每个摄像机站到细胞表面的对应的光线，如图1a所示。当这些光线到达细胞表面时(即由于折射，它们改变了方向。然后利用斯涅尔定律精确计算出在空气-三轴室和三轴室-流体界面折射后的光线方向，如图1b所示。对于土壤表面的特定测量目标“Prsquo;rsquo;，可以构建来自不同摄像机站的多条光束。随后，通过最小二乘估计技术确定点的三维(3D)坐标，使用折射后的光线在胞液界面，如图1c所示。利用不同加载步骤下所有目标在土体表面的三维位置，提取土体在加载过程中的变形特征，其典型形式为[14]。
