GB/T 34890-2017 产品几何技术规范（GPS） 数字摄影三坐标测量系统的验收检测和复检检测

　　ICS 17 . 040 . 30 J 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34890—2017

　　产品几何技术规范(GPS)

　　数字摄影三坐标测量系统的

　　验收检测和复检检测

　　Geometricalproductspecification(GPS)—

　　Acceptanceandreverificationtestsfordigitalphotogrammetry

　　3D coordinatemeasuringsystem

　　2017-1 1-01 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34890—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国产品几何技术规范标准化技术委员会(SAC/TC 240)提出并归口 。

　　本标准起草单位：国家重大技术装备几何量计量站、中国第二重型机械集团公司、郑州辰维科技股份有限公司、郑州大学、中机生产力促进中心。

　　本标准主要起草人：段玲、石小兵、黄桂平、李亚男、王伟峰、邓水平、张进、郑鹏、朱悦。

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　　产品几何技术规范(GPS)

　　数字摄影三坐标测量系统的

　　验收检测和复检检测

　　1 范围

　　本标准规定了数字摄影三坐标测量系统(以下简称工业摄影测量系统)的验收检测和复检检测。

　　本标准适用于由工业测量相机、摄影测量标准尺、靶标、解算软件等组成数字掇影三坐标测量系统。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 18779 . 2 产品几何技术规范(GPS) 工件与测量设备的测量检验 第 2 部分：测量设备

　　检测和产品检验中 GPS测量的不确定度评定指南

　　GB/T 18780 . 1 产品几何技术规范(GPS) 几何要素 第 1 部分：基本术语和定义

　　3 术语和定义

　　GB/T 18780 . 1、GB/T 18779 . 2 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　数字摄影三坐标测量系统 digitalphotogrammetry3D measuringsystem

　　由工业测量相机、定向规、摄影测量标准尺、靶标、解算软件和电器控制等单元组成的基于数字摄影测量技术的三坐标测量设备。

　　3.2

　　摄影测量标准尺 scale-bar

　　为工业摄影测量系统提供量值的一种标尺。

　　3.3

　　摄影测量检测场 calibrationwall

　　为测定工业摄影测量系统测量重复性而建立的具有三维结构的检测场，一般建立在实验室稳定的承重墙面上。

　　3.4

　　坐标测量重复性 coordinatemeasuringrepeatability

　　在相同测量方法、相同观测者、相同场所和短时期内，采用同一工业摄影测量系统对相同靶标进行多组测量，以检测相同靶标在不同组测量中测得的坐标间的差异。

　　3.5

　　物方坐标系 objectcoordinationsystem

　　摄影测量靶标在物方空间的位置坐标。

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　　4 计量特性

　　4 . 1 坐标测量重复性

　　工业摄影测量系统短时间内对同一摄影测量检测场(以下简称检测场)中相同靶标进行多组重复测量，经坐标转换解算得到的不同组间相同靶标坐标的一致性程度，用 x、Y、Z 及点位方向的均方根误差表示，具体计算方法参见附录 A。 该测量需要在相同条件下对检测场进行多次测量，该处的相同条件包括相同的地点、测量程序、观测者，并要求在短时间内完成测量。 需要进行复核时，由生产商或用户提供最大允许误差。

　　4 . 2 测长误差

　　测长误差指工业摄影测量系统对测量范围内摄影测量标准尺(以下简称标尺)的测量时，测量值与参考值之差。 该测量需要对典型测量范围和扩展测量范围进行检测，被检测的长度应该包括水平方向、垂直方向、斜向等任意方向的长度。 典型测量范围，指绝大多数条件下，工业摄影测量系统能够保证其测量精度的测量范围，该范围是根据大量实际应用及工业摄影测量系统的测量特性提出的，推荐的典型测量范围为 1 . 2 m×1.2 m×1.0 m。扩展测量范围，指被检测设备在保证测量精度的前提下能够测量的最大范围，该范围一般由生产厂家给出。 综合实验室条件及实际应用需求，推荐该项采用激光干涉仪进行检测。 需要进行复核时，由生产商或用户规定最大允许误差。 测长误差的不确定度(测长误差不确定度评定示例参见附录 B)与最大允许误差的比值应小于三分之一 。

　　4 . 3 标尺的长度

　　标尺的长度指摄影测量标尺上回光反射标志中心之间的距离。

　　5 检测条件

　　5 . 1 环境条件

　　影响摄影测量系统的环境条件，如温度条件、空气湿度和振动等的极限值应符合生产厂家的相关要求。

　　5 . 2 操作条件

　　5 . 2 . 1 检测场

　　检测场应有足够的景深，建议利用一面钢筋混凝土墙，并在墙前搭设比较稳定的钢结构框架，整个检测场范围不宜小于 3 m×1.5 m×0.5 m。该范围内均匀布设大小一致、数量合适的靶标。 该检测场用来对坐标测量重复性进行测定。

　　5 . 2 . 2 标尺

　　长度标尺碳纤维材料做基体。 每根标尺上均匀粘贴 5 个靶标。 靶标与碳纤维棒的连接要牢固。 事先精确测定出标尺上靶标中心间的距离，其长度测量不确定度小于被检测系统长度测量不确定度的三分之一 。

　　5 . 2 . 3 支撑框架

　　支撑框架(参见附录 C)上的边、面对角线及体对角线上安置标尺，每根标尺上的长度不小于支撑框

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　　架对应边长度三分之二。 共需要 7 根这样的标尺，分别固定在图 1 所描述的框架的长、宽、高、三个侧面的面对角线和框架的体对角线上，其中虚线表示支撑框架，实线表示标尺。

　　注：典型测量范围测长误差支撑框架采用铝合金材料制成 1 . 2 m×1.2 m×1.0 m 的立方框，该框架的构建要有一定的宽度，能够粘贴靶标。 该支撑框架为测长误差的测定提供空间背景及支撑。

　　图 1 标尺在支撑框架上的放置位置示意图

　　6 验收检测和复检检测

　　6 . 1 概述

　　被检测摄影测量系统在检测前需进行自校验，图 2 为一种推荐的在典型测量范围内检测工业摄影测量系统测长误差的自校验方法。 该方法具体是在 5 个位置拍摄自校验需要的照片，每个位置拍摄 4张，每拍摄一张照片相机旋转 90°,其他检测项目的自校验可参考此方法进行。

　　图 2 相机自校验示意图

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　　6 . 2 坐标测量重复性

　　6 . 2 . 1 测量位置

　　在距离检测场最近端 3 m 的位置对检测场内的靶标进行拍摄。 相机拍摄的位置分别是在检测场的左上、左中、左下、中上、正中、中下、右上、右中、右下共 9 个位置，拍摄位置示意图见图 3 a);每次拍摄应尽量使所有靶标在像片上成像;在每个摄站位置拍摄 4 张照片，每拍摄完一张像片相机旋转 90°, 即相机分别在 0°、90°、180°和 270°对检测场进行拍照，相机旋转位置示意图见图 3 b);对检测场拍摄 6 组照片，每组拍摄 36 张照片。 图 4 为相机在检测场前位置分布立体图。

　　a) b)

　　图 3 坐标测量重复性检测过程中相机拍摄位置和旋转位置示意图

　　图 4 相机在检测场前位置分布立体图(图中“Δ”表示相机)

　　6 . 2 . 2 测量程序

　　用被检测摄影测量系统的解算软件分别解算出 6 组照片中靶标的物方坐标，第二、三、四、五、六组以第一组靶标的物方坐标为基准，采用公共点转换的方法，分别计算出各靶标在 x、Y、Z 及点位方向上的转换精度，并计算出所有靶标在 x、Y、Z和点位方向的均方根误差。 对 5 组转换结果进行统计，取其

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　　平均值作为其坐标测量重复性。

　　6 . 3 测长误差

　　6 . 3 . 1 典型测量范围内测长误差

　　6 . 3 . 1 . 1 测量位置

　　将长度已经精确标定的标尺固定在支撑框架上，并将摄影测量系统配套的标尺放置在测量框架中，完成自校验后，用相机在框架周围对支撑框架上的标尺拍摄 20 张照片，如图 5 所示。

　　图 5 相机相对于支撑框架拍摄位置示意图

　　6 . 3 . 1 . 2 测量程序

　　对相机拍摄的照片进行解算，以摄影测量系统配套的标尺长度为基准解算测量框架上各标尺的长度，每个标尺上测量 5 个不同的长度，图 6 为推荐的一根标尺上选取的 5 个不同长度。 将解算长度与参考长度进行比较，根据厂家给定的最大允许误差 MPE,使用式(1) 对其典型测量范围内的测长误差进行计算：

　　δi，j=|Lmi，j -Lrefi，j ︱ ……………………( 1 )

　　式中：

　　Lmi，j—摄影测量系统测量出来的第 i根标尺上的第j 个长度;

　　Lrefi，j—第 i根标尺上的第j 个长度的参考值。

　　图 6 标尺上推荐选取的 5 个测量长度

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　　6 . 3 . 2 扩展测量范围内测长误差

　　6 . 3 . 2 . 1 测量位置

　　在生产商规定的最大测量范围内布设测量检测场，并设置可平滑移动的运动装置，该运动装置的运动距离可以通过激光干涉仪测得。 在运动装置上粘贴摄影测量专用靶标，装置图见图 7 。 其中，Bn 、 cn、Dn、En是对 An 的重命名，n= 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 。“○”表示运动装置上的靶标，“×”表示所布置的检测场上的靶标。 将多根用于被检测系统的标尺均匀放置在检测场内，运动装置在位置一的时候对整个检测场进行拍摄，当运动位置运动到位置二的时候对整个检测场进行拍摄，并记录位置一到位置二的距离 L1 。依次将运动装置移动到位置三、位置四、位置五等，并记录运动装置移动的距离 L2 、L3 、L4 。

　　图 7 扩展测量范围测长误差检测装置示意图

　　6 . 3 . 2 . 2 测量程序

　　使用激光干涉仪的测得值作为运动装置移动距离的参考值。 以干涉仪移动的任意一个长度作为长度标准，对拍摄的照片进行处理，利用检测场上的靶标进行坐标转换后，计算运动装置上所有对应靶标中心间距的均值，记为该段位置移动的测量值，(如以 L5 为长度基准，分别解算 L1、L2、L3、L4 的长度)。根据解算值与参考值的差，计算被检测系统的测长误差δ,见式(2) :

　　δi= Lmi-Lrefi ……………………( 2 )

　　式中：

　　Lmi—摄影测量系统解算的第 i个长度;

　　Lrefi—激光干涉仪测定的第 i个长度的参考值。

　　6 . 4 标尺的长度校准

　　6 . 4 . 1 校准装置

　　校准装置的测量不确定度应不大于(1+L/1 000)μm,L 为测量长度，单位：米。

　　6 . 4 . 2 显微镜法

　　显微镜法的实验装置如图 8 所示。 将标尺放置在激光干涉测长仪与显微镜所在导轨平行的支架上，用显微镜瞄准标尺上的标志点，通过人眼观察，用目镜中的切割线切取标志点的边缘，然后确定标志点的中心，由于是在显微镜下进行，该方法得到的是标志点的几何中心。 其测量原理图见图 9 。

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　　图 8 显微镜法实验装置图

　　图 9 显微镜法实验原理图

　　6 . 4 . 3 灰度重心法

　　在工业摄影测量领域，解算软件内部确定标志点中心的方法一般有质心法、灰度加权中心法和重心法 。灰度重心法通过显微镜用 CCD对标尺上的标志点进行拍照，然后对标志点的图像进行处理，确定标志点的灰度重心位置。 该方法的实验装置如图 10 所示。 用 CCD先对左侧的标志点进行拍照，然后移动到右侧，对右侧的标志点进行拍照，并记录显微镜移动的距离。 则标志点间的距离计算原理见图 11。根据简单的几何关系，可求出标志点间的距离，见式(3) :

　　L=x1 α + L0 - x2 α = L0 +α(x1 - x2) ……………………( 3 )

　　式中：

　　L0 — 为被测长度;

　　L — 为由激光干涉仪测得的分别瞄准两个 RRT(标尺上的回光反射标志点)时气浮平台的运动距离;

　　x1 , x2 —为两次瞄准时，RRT位于图像中的水平位置;

　　α —为图像像素和物理尺寸之间的转换系数。

　　图 10 灰度重心法实验装置图

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　　图 1 1 标识点间距离计算原理图

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　系统测量重复性计算

　　被检测系统对校准场进行 6 次测量，解算出每个靶标的坐标。 第二、三、四、五、六组靶标的物方坐标以第一组靶标的物方坐标为基准，进行公共点转换。 计算各靶标在 X、Y、Z 及点位方向上的转换精度 δX、δY、δ≈和 δT ，并计算出所有靶标在 X、Y、Z和点位方向的均方根误差 DX、DY、DZ 和 DT 。

　　设检测场上有m 个测量靶标，其评定原理为：

　　DXi=槡

　　DYi=槡

　　DZi=槡

　　DTi =槡DXi 2 + DYi 2 + DZi 2 i= 2 ,3 ,4 , 5 , 6

　　δXj =Xij -X1j;δYj=Yij-Y1j;δZj =Zij -Z1j;i= 2 , 3 , 4 , 5 , 6;j= 1 , 2 , … , m。

　　其中，δX、δY、δ≈和δT表示各靶标在 X、Y、Z及点位方向上的转换精度，DX、DY、DZ 和DT 表示每组所有靶标在 X、Y、Z和点位方向的均方根误差。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　测长误差不确定度评定示例

　　B.1 测量方法

　　在典型测量范围和扩展测量范围内对长度误差进行测量。 测长误差为测量值与参考值(标准值)之差 。 即

　　δ = L-Ls ……………………( B.1 )

　　式中：

　　δ —测长误差;

　　L — 读数示值;

　　Ls — 参考值。

　　B.2 测量模型

　　由测量原理和测量方法，得到长度误差测量模型：

　　δ = L-Ls+Ls(δαθ+αsδθ) ……………………( B.2 )

　　式中：

　　δα —测量系统与标准器膨胀系数差;

　　αs —标准器的膨胀系数;

　　θ — 系统的温度与 20℃参考温度的差值;

　　δθ —测量系统与标准器温度的差。

　　由于各输入量间不相关，所以合成标准不确定度的计算公式为

　　uc(L)= c

　　灵敏系数

　　因 δα、δθ 很小，C4 、C5 约为零。

　　B.3 标准不确定度分量分析

　　由测量原理可分析得到测量不确定度来源于表 B. 1 所示几个方面。

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　　表 B.1 测量不确定度来源

　　B.4 典型测量范围校准的不确定度评定

　　示例：对数字近景工业摄影测量系统进行典型测量范围内测长误差的不确定度评定。

　　a) 长度测量重复性引起的标准不确定分量 u1 的评定

　　测量重复性引起的标准不确定度 u(1) ,可以通过连续测量得到，采用 A 类方法进行评定。 对长度为 1 300 mm 的标尺重复测量 10 次，得到测量列：

　　单位为毫米

　　测得值的平均值为 L Li = 1 300.002 mm实验标准差为 s=槡

　　标准不确定度 u1 = s=5 μm

　　b ) 由标尺引入的不确定度分量 u( refi)

　　由标尺引入的不确定度 u(Lrefi)可由校准证书获得扩展不确定度为U=4.4 μm,k=2,灵敏度系数为 1 。则

　　c) 由标尺热膨胀系数所引入的不确定度分量 u(α)

　　校准环境中温度要求为(20±2) ℃,取其半宽则 Δt= 2℃,服从均匀分布，k取槡3 ,实验中标尺是由膨胀系数为 0 . 5 μm/(m · ℃) 的碳纤维材料制成，灵敏系数为 C3 = -Ls ·θ。

　　所以

　　u(α) =c × Δt/k=(-L ·α · Δt)/k= - 1.3 × 2 × 0.5 ÷ 槡3 = - 0.75 μm

　　d) 由标尺温度差所引入的不确定度分量 u(t)

　　校准环境中的温度要求为(20±2)℃ ,实验中的标尺是由膨胀系数为 0 . 5 μm/(m · ℃) 的碳纤维材料制成，充分等温后，温度差为 Δt=0.05℃,服从均匀分布，k取槡3 ,灵敏系数为

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　　C6 = -Ls ·αs 。所以

　　u(t)=c × Δt/k=-L ·α · Δt/k = - 1.3 × 0.5 ×0.05÷槡3 = -0.019 μm

　　e) 合成标准不确定度 uc

　　经分析，以上各不确定度分量不相关

　　f) 扩展标准不确定度 uc=槡

　　取 k=2 , U=k×uc = 11.0 μm

　　B.5 扩展测量范围校准的不确定度分析

　　示例：对数字近景工业摄影测量系统进行扩展测量范围内(实验中实际取值为 7 145 . 027 mm)测长误差的不确定度评定。

　　a) 测量重复性引起的标准不确定 u1 的评定

　　测量重复性引起的标准不确定度 u(1) ,可以通过连续测量得到，采用 A 类方法进行评定。 采用 7 . 2 . 3 的方法重复测量 10 次，得到测量列：

　　单位为毫米

　　计算实验标准差

　　s=槡

　　标准不确定度 u1 = s= 6 μm

　　b ) 由标尺所引入的不确定度 u( refi)

　　由激光干涉仪所引入的不确定度可由证书查询获得，激光干涉仪校准结果示值误差小于

　　± (0.03 + 1.5L)μm ,L 为测量长度，单位为米，服从均匀分布，取 k=槡 。灵敏系数为 c= 1。

　　u

　　c) 由标尺热膨胀系数所引入的不确定度 u(α)

　　校准环境中温度要求为(20±2) ℃,取其半宽则 Δt= 2 ℃, 实验中标尺是由碳纤维材料制成(膨胀系数为 Δα=0.5 μm/(m · ℃),服从均匀分布，k取槡3 ),灵敏度系数为 C3 = -Ls ·θ。所以

　　u(α) =c× Δ α /k=-L ·θ · Δ α /k= 7.15 ×2×0.5÷槡3 = -4.1 μm

　　d) 由标尺温度差所引入的不确定度分量 u(t)

　　校准环境中温度要求为(20±2)℃ ,实验中标尺是由膨胀系数为 0 . 5 μm/(m · ℃) 的碳纤维材料制成，充分等温后，两者的温度差为 Δt=0.05℃,服从均匀分布，k取槡。

　　灵敏度系数。 C6 = -Ls ·αs 所以

　　u(t)=c × Δt/k=-L ·α · Δt/k = -7.15 × 0.5 ×0.05÷槡3 = -0.18 μm

　　e) 合成标准不确定度 uc

　　经分析，以上各不确定度分量不相关。

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　　f) 扩展不确定度 uc= u取 k=2 , U=k×uc = 19.2 μm

　　数字近景工业摄影测量系统的长度差：

　　评定的测量长度 1 . 30 m：假定允许长度差为 34 . 5 μm,测量不定度为 U= 11.0 μm,k=2。测量不定度为 U 与长度允许误差之比小于 1/3。

　　评定的测量长度 7 . 15 m：假定允许长度差为 122 . 2 μm,测量不定度为 U= 19.2 μm,k=2。测量不定度为 U 与长度允许误差之比小于 1/6。

　　满足校准要求。

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　支撑框架

　　典型测量范围测长误差支撑框架采用铝合金材料制成 1 . 2 m × 1.2 m × 1.0 m 的立方框，该框架的构建要有一定的宽度，能够粘贴靶标。 该支撑框架为测长误差的测定提供空间背景及支撑。

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　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　在 GPS矩阵模式中的位置

　　D.1 概述

　　GPS矩阵的全部详情参见 GB/Z 20308 。

　　D.2 本标准的信息及应用

　　本标准规定了数字摄影三坐标测量系统的验收检测和复检检测。

　　D.3 在 GPS矩阵中的位置

　　本标准是 GPS通用标准，它影响 GPS通用标准矩阵中尺寸、距离、半径、角度、形状、方向、位置、跳动和基准标准链的链环 5,如图 D. 1 所述。

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　　图 D.1 本标准在矩阵中的位置

　　D.4 相关的标准

　　相关的标准为图 D. 1 所示标准链涉及的标准。