1 概述

以DIC为主的视觉测量技术已经是结构物变形非接触测量的首要选择，而随着测量对象的体量越来越大，DIC已经开始应用于现场的大型结构远距离变形监测，如大型桥梁和建筑物[1, 2]，甚至观测距离已经达到1km，位移测量精度已经达到2mm，但是其中的折光校正问题却很少被提及，测量时间也只是短时间的，这其中有土木人员对折光的认识不充分的原因，也有视觉测量中遮光问题太过复杂的原因。本文将详细阐述视觉测量中折光现象。

2. 大气折光现象

基于视觉的测量方法都需要利用感光传感器获取物体反射或辐射出来的光，然后利用图像处理方法获得测量对象的位移。物体反射或辐射出来的光在均匀介质中的传播是一条直线，但是当介质不均匀的时候，光的传播路线不再是一条直线。

在太阳高度角的变化过程中，地面和空气中的温度会呈现大致周期的变化，且空气的温度与距离地面的高度具有一定相关性。当光的传播路径上的温度梯度不为0时，光线会沿曲线传播，当温度梯度恒定时，曲线的曲率也是恒定的。实际的情况往往更加复杂，比如风、地面植被、空气湍流的影响，这些因素会导致光的路径异常复杂。在太阳强烈的时候，折射异常明显，除了折光现象，在相机中看到的画面会有影跳的现象，这实际上说明折光有高频成分和低频成分，这两种情况只能分别处理。

以DIC测量方法为例，本人进行过100m测距下的长时间观测实验，实验数据如下，相机与观测标志的高差在小于50cm，一共观测了十来天，这是其中一天的数据，而且光照强度不是非常大。在一天中，测量对象的漂移是非常大的，会极大的影响测量结果的准确性。在近距离下有热气流影响的DIC位移测量试验中，DIC的测量误差明显受到热气流的影响[3]。

3. 视觉测量中折光问题的复杂性

我们知道的，光穿过三棱镜的时候，发生折射时候，会分离出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫其中色光，且红色在最上面，说明红色的光折射小，此外由于红外光的波长较长，在空气这种非单一介质中穿透力比较强。所以在全站仪的测量中，都是使用红外光。但在全站仪测量中也有折光问题，但是气象校正是自动进行的，甚至有时候根本没管这个参数，但是远距离测量的时候，这个参数还是很重要的。全站仪工作过程中，全站仪发出红外激光照射棱镜，然后接受棱镜返回的红外光，并且单点自动测量三次取平均值作为测量结果。采用滤波方法或者对测量结果取平均的方法只能对高频折光位移产生影响，而对于低频成分则无能为力。

在视觉测量中，很少用到单色光源，在自然光的照射下，由于每个频率的光折射效应不一样，所以呈现在照片上的折光现象是异常复杂的，也就是文献中说的影跳[4]。所以要建立统一的折光模型是非常困难的，似乎采用单一频率的主动光源是必经之路。

对于视觉测量中的折光问题，也有极少的文献从折光模型上考虑这个问题[5]，但是也只是一种近似，不一定具有拓展性。

4. 结语

视觉测量中的折光问题受制于被动式的白色光源，使这个问题显得很复杂，可喜的是，目前这方面的研究已经开始，希望不久可以解决，进一步提升DIC在现场测量中的精度。

[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. 热气流对数字图像相关测量的影响及其修正研究: [硕士学位论文]. 东南大学, 2019

[4]      蒋利龙. 近地层大气折光系数变化特征分析. 东北测绘, 1999, 22(1): 3-6

[5]      戴吾蛟, 邢磊. 一种基于视觉测量的大气折光校正方法. 中国. Patent. 2017,