大型复杂曲面产品近景工业摄影测量系统开发
第36卷第5期 光电工程V ol.36, No.5 2009年5月Opto-Electronic Engineering May, 2009 文章编号：1003-501X(2009)05-0122-07
大型复杂曲面产品近景工业摄影测量系统开发张德海，梁晋，唐正宗，郭成，曹巨明，王欢
( 西安交通大学机械工程学院，西安 710049 )
摘要：针对大型工件的复杂曲面难以精确测量，国外的商用摄影测量软件占据垄断地位。在国内率先开发了近景工业摄影测量系统XJTUDP，介绍了系统的组成、开发内容，研究了基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测方法、编码点设计及编码点自动检测方法。重点研究了基于摄影测量的相机标定和三维重建技术，包括共线方程、基于共面方程的像片定向、直接线性变换解法、外极线几何约束和光束平差解法。参照VDI/VDE2634测试方案，以自行设计的立方体框架为对象，对XJTUDP系统和TRITOP系统进行了测试，得出两者精度均小于0.1 mm/m的结论，证明开发的系统完全可以应用在工业测量领域。
关键词：摄影测量；标定；亚像素；编码点
中图分类号：TN911.73 文献标志码：A
Exploitation and Study of Close Range Industry Photogrammetry System Based on Large-scale Complex Surface Products ZHANG De-hai，LIANG Jin，TANG Zheng-zong，GUO Cheng，CAO Ju-ming，WANG Huan ( School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China )
Abstract：Since it is difficult to measure the complex surfaces of large scale products precisely, the market had been occupied by foreign commercial measuring software for long times. The close range industry photogrammetry system, namely XJTUDP, has been developed successfully at home firstly. Composing and explored contents of this system were introduced. The high accuracy center measuring method of marked points technique based on the fitting sub-pixel edge, and the methods of coded points designing and coded points auto-detecting were investigated.The camera calibration techniques based on photogrammetry and 3D reconstruction techniques were studied emphatically, including co-linear equation, image orientation based on coplanarity equation, direct linear transformation solution, the outer polar geometric constraints and bundle adjustment solution. Both XJTUDP system and TRITOP system were tested individually by taking VDI/VDE2634 testing program as reference project and taking self-designed framework of cube as tested target. It is concluded that their precision was less than 0.1 mm/m, which proves that photogrammetry system explored by ourself is applied in field of industrial measuring successfully.
Key words: photogrammetry; calibration; sub-pixel; coded point
0 引 言
汽车、飞机、船舶、军工、家电等行业的产品大量采用复杂曲面，工件的复杂曲面和模具型面的数字化建模和三维检测是进行产品设计和质量控制的前提和基础。对于中小型工件(长度小于1 m)，主要采用台式三座标测量机、激光扫描仪、关节臂三座标测量机等测量设备，基本能满足检测和逆向设计的要求。对于大型工件(长度大于1 m)，空间测量激光跟踪仪、经纬仪等光学仪器的测量精度能够满足使用要求，但其收稿日期：2008-11-26；收到修改稿日期：2008-12-29
基金项目：国家863计划(2007AA04Z124)，江苏省科技支撑计划(工业部分)BE2008058
作者简介：张德海(1973-)，男(汉族)，河南新乡人。在读博士生，工程师，研究方向：板料成形和光学检测。E-mail：zhangdehai0318@https://www.wendangku.net/doc/4b7872989.html,。
郭成(1948-)，男(汉族)，陕西西安人。教授，博士生导师。
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局限于对工件的一些关键点进行测量。存在测量速度慢、检测繁琐，无法进行全尺寸检测的缺点，迫切需要有新型的检测设备和检测方法[1]出现。近景工业摄影测量技术在国外发展较早，并且有开发的商用软件应用，典型代表有美国GSI 公司的V-STARS 系统、德国AICON 3D 公司DPA-Pro 系统、德国GOM 公司的TRITOP 系统、挪威METRONOR 公司的METRONOR 系统等[2]，其测量精度都在0.1 mm/m 。国内高校和研究机构从事此项研究的有武汉大学和天津大学等，主要应用于建筑、航拍、大地量测等，基本停留在理论研究阶段，没有开发相应的商用系统。
一种新型的快速光学检测技术?近景工业摄影测量系统XJTUDP 开发成功。此系统由西安交通大学模具与塑性加工研究所自主研发，打破了国外摄影测量软件在中国的垄断局面。测量精度为0.1 mm/m 。
1 近景工业摄影测量系统的组成、开发内容
近景工业摄影测量主要是通过在物体的表面及周围放置标志点，然后从不同的角度和位置(图1)对物体进行拍摄，得到一定数量的照片，经过图像处理、标志点定位、编码点识别，最终依靠这些标志点重建出
物体的三维点云，从而实现对物体上的关键点之间的距离进行测量并获得在此基础上的其他信息。
1.1 系统组成
摄影测量系统组成(图2)如下:
1) 系统测量软件： 基于XP 环境，安装在高性能的台式机或笔记本电脑上； 2) 编码参考点： 由一个中心点和周围的环状编码组成，每个点有自己的编号； 3) 非编码参考点： 未编码参考点，用来得到测量物体相关部分的三维坐标； 4) 专业数码相机： 固定焦距可互换镜头的高分辨率数码相机[3]；
5) 高精度定标尺： 刻度尺作为测量结果的比例，具有极精确的已经测量的参考点来确定它们的长度。 1.2 开发的主要内容
基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测；编码点设计及编码点自动检测；摄影测量的相机标定及三维重建技术。
2 近景工业摄影测量系统关键技术
近景工业摄影测量系统基于数字图像处理技术和摄影测量技术，来实现物体结构特征转化为离散点三维坐标矩阵的精确重建。在物体上放置编码标志点和非编码标志点，通过数字相机从不同角度和位置拍摄物体获取图片。基于最小二乘拟合的亚像素提取技术对获得的图片进行处理，计算出标志点的准确几何中心；同时识别出编码点的编号。基于共线方程的图像检测原理获取上述标志点的中心坐标和编号信息，经相对定向(共面方程)、绝对定向(直接线性变换解法)、外极线匹配(对极几何)、三维重建和光束平差算法实现物体点三维坐标的准确重建。其中前四者的结果为光束平差算法提供初值，光束平差作为最后一步，对所有的参数进行非线性优化，这些参数包括相机的内、外方位参数和物体空间点的三维坐标，在调整物体空间点三维坐标的同时也实现了相机的高精度标定，而且可以进一步控制物体几何特征点的误差，得到更高精度的点云三维坐标矩阵。
图1 多摄站拍摄
Fig.1 Multi-position photogrammetry
图2 XJTUDP 硬件系统组成
Fig.2 Hardware composition of XJTUDP
光电工程 2009年5月
124 2.1 基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测
使用经典算法找出像素级精度的边缘点，利用边缘附近多个像素的灰度值作为补充信息，可以确定亚像素级的边缘所在。目前已有矩法、梯度幅值均值法、拟合法、Canny 检测算法、梯度均值算法等算法[4]。 2.1.1 梯度幅值均值法
1) 在粗定位的边缘点上沿梯度方向求梯度幅值G (x ，y )；2) 根据G (x ，y )的值确定包含边缘的区间，即对给定的阈值T 确定满足G (x ，y )>T 的(x ，y )的取值区间；3) 利用梯度分量G x 和G y 作为权值，沿梯度方向的边缘位置亚像素级校正由下式给出
∑∑∑∑======n
i i
n
i i
i y n i i
n
i i
i x Gy y Gy d Gx x Gx d 1111d ,
d δδ (1)
式中：i i y x d ,d 是一个像素点沿梯度方向与粗定位边缘点的距离分量，i i Gy Gx ,是梯度分量，n 为沿梯度方向
上G (x ，y )>T 的像素点个数。
2.1.2 标志点中心的亚像素精度定位
圆形标志经透镜成像后为椭圆，为达到对椭圆中心的子像素级精度定位，首先用边缘检测算子对椭圆边缘进行亚像素检测得到亚像素精度的边缘点，最后对提取的标志边缘点进行椭圆最小二乘拟合，从而确定标志中心的精确位置。
圆形标志的影像为平面椭圆，所以对提取的边缘点进行椭圆最小二乘拟合，即可确定标志中心的位置。平面椭圆的一般方程为
022222=+++++F Ey Dx Cy Bxy x (2)
椭圆拟合可求得椭圆方程的5个参数B 、C 、D 、E 和F ，椭圆中心坐标[5]：
2
020,B
C E B
D y B C CD B
E x ??=??= (3) 2.2 编码点设计及编码点自动检测
标志分为编码标志和非编码标志。非编码标志点为圆形，经过投影变换为椭圆。根据编码规则的不同，编码标志又分为8位、10位、12位、14位、15位等几种编码。
2.2.1 编码设计
n 位编码表示将外部的圆环等分成n 份，每一位上若颜色和中心的圆同色，则编码为1，否则为0(图3)。另外，根据颜色的不同，又可以把编码标志以及非编码标志分成白底黑点标志和黑底白点标志，本文采用10位黑底白点编码点(图4)。
2.2.2 编码点自动检测
按照编码标志和非编码标志的区别，用式(2)得到的标志点的椭圆参数，对标志点的外圈环带进行采样，对采样的灰度数据进行分析，得到标志点的类型；若是编码标志点，则分析得到编码标志环带的径向范围，
图3 n 位编码示意图
Fig.3 Coding of n bits
图5 编码点自动检测
Fig.5 Auto-detection of marked points
图4 黑底白点标志点
Fig.4 White marked point of black screen
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并根据标志点的几何尺寸把环带分成n (n 为编码位数的整数倍)等份，得到n 个扇环区域；对环带进行灰度采样，对采样的灰度值进行处理得到一个灰度阈值；由灰度阈值，并对每个扇环的采样值进行滤波，得到
n 位编码序列；由n 位编码序列经过循环移位和合并，得到标志点的编码序列[6]；由标志点的编码序列经循环移位找到编码序列的最小值，然后查表得到其编码值(图5)。 2.3 基于摄影测量的相机标定及三维重建技术
相机标定是三维光学测量的基础，主要原理基于共线方程，标定参数对测量的结果影响很大。标定过程就是三维重建的过程。主要包括：相对定向、绝对定向、外极线匹配及三维重建、光束平差。
2.3.1 共线方程
物方点经过相机镜头摄影后成像到像平面上，理想的投影成像模型是几何光学中的小孔成像模型，其本质就是射影几何中的中心透视投影过程(图6)。
相机实际成像时，由于各种因素的干扰，主点的像平面坐标不严格为零，存在一微小值(x 0，y 0)，使得像点在像平面上相对其理论位置存在一定的微小偏差，记为(Δx ′，Δy ′)。实际像点的共线方程可以写成[7] ???
?
???
?+?+??+?+??=Δ+??+?+??+?+??=Δ+?)()()()
()()(')()()()()()('33322203331110S S S S S S S S S S S S Z Z c Y Y b X X a Z Z c Y Y b X X a f y y y Z Z c Y Y b X X a Z Z c Y Y b X X a f x x x (4) 式中：x ，y 是像点坐标；X ，Y ，Z 是目标点物空间坐标；X S ，Y S ，Z S 是像站点的物空间坐标；a i ，b i ，c i (i =1，
2，3)是像空间坐标系相对于物空间坐标系的方向余弦。 2.3.2 相对定向
选取像片1的像空间坐标S 1-xyz 为摄影测量坐标系(图7)，像点p 1在S 1-xyz 中的坐标为(x 1，y 1，-f )，像点p 2在像片2的像空间坐标系为S 2-x ′y ′z ′的坐标为(x 2，y 2，-f )；设投影中心S 2在S 1-xyz 中的坐标为(B x ，
B y ，B z )，像点p 2在坐标系S 2-xyz 中的坐标为(x ′2，y ′2，z ′2)，S 2-x ′y ′z ′与S 1-xyz 间的旋转矩阵为M ，因向量S 1S 2、S 1p 1和S 2p 2共面，且有
???????????=????
??????=f y x z y x 22'2'2'222M p S (5); 0)(221121=×?p S p S S S (6) 将式(6)写成坐标形式，有
0'2'2'2111=??
??
?
?????=z y x z y x B B B z y x F (7) 式(7)即为摄影测量中的共面条件方程[8]，当取两张像片组成立体像对时，z 1=-f 。 2.3.3 绝对定向(直接线性变换解法)
建立像素坐标(x ，y )与相应物方点空间坐标(X ，Y ，Z )之间直接的线性关系的算法。直接线性变换[9]：
图7 共面条件
Fig.7 Coplanarity condition
z
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126 01,01
111098765111094
321=+++++++=+++++++
Z l Y l X l l Z l Y l X l y Z l Y l X l l Z l Y l X l x (8)
式中：11个系数l i 均是内、外方位元素以及线性改正系数的函数。只改正了线性误差，还需改正非线性的物镜畸变，设像点量测坐标(x ，y )之改正数分别为(v x ，v y )，则可列出求解待定系数的误差方程式[10]，得
??
???+?+++++++?=+?+++++++?=]
)([1])([112
011109876512
0111094321y k r x y A yZl yYl yXl l Z l Y l X l A v x k r x x A xZl xYl xXl l Z l Y l X l A v y x (9) 式中：111109+++=Z l Y l X l A ，1k 为待定的对称性物镜畸变系数，r 为向径，0x 为像主点在物空间坐标系内的坐标。
2.3.4 外极线几何约束
根据双目成像的透视关系可知，左图像平面内任何一点在右图像平面内的外极线都要经过外极点e 2(图
8)，反之亦然，这种关系具有对称性。经过平差计算得到L 后，可以相应的计算得到旋转矩阵R 和平移矩阵T ，得出[11]：
0~][~1
11T 2T 2=??m m x RA T A (10) 令 11
T
2][??=RA T A F x (11)
则 0~~1
T 2
=m m
F (12) 式(12)是双目视觉中外极线几何约束的数学描述。A 1、A 2为摄
像机1、2的内参数矩阵，1
~m 、2
~m 为对应像平面匹配点的齐次坐标，
[T ]x 为斜对称矩阵，由平移矢量T 决定。矩阵F 是基础矩阵，它与摄像机内参数、摄像机之间的相对姿态有关[12]
。
2.3.5 光束平差解法
光束平差解法是一种把控制点的像点坐标、待定点的像坐标以及其它内业、外业量测数据的一部分或全部均视作观测值，以整体地同时求解它们的值和待定点空间坐标的解算方法，能极大的提高摄影测量的系统精度。基于共线方程列出的光束平差的误差方程为[13]
L X D CX BX At ν?+++=ad ad 21 (13)
式中：t 、X 1、X 2、X ad 分别是外参数、内参数、物方坐标及畸变参数的改正数向量，A ，B ，C ，D ad 分别为对应的系数矩阵，L 为观测值向量。
3 基于VDI/VDE2634精度对比测试
参照德国VDI/VDE2634[14]标准(图9)，采用(图9(b))所示的测试框架(2 000 mm×2 000 mm×1 500 mm)，布置参考点和标尺，摄像站位置按照图1，围绕物体环形分布，共拍摄39张照片，作为一组。取图9(a)中
1、2、4、5、7个位置的参考点距离进行比较，重复拍摄7组，分别输入XJTUDP 和TRITOP 测试，构建
difference of XJTUDP
M i n m a x d i f f e r e n c e a n d
m e a n s q u a r e v a l u e
0.020.040.060.080.10图10 XJTUDP 和 TRITOP 精度对比
Fig.10 Comparison between XJTUDP precision
and TRITOP precision
图9 测试示意图和框架
Fig.9 Sketch and framework of measuring and testing
(b)
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出参考点坐标后测量点距。对比测量结果得出表1。
对比表1可以看到，每相对应组的平均值非常接近，差别最大的为距离3，相差0.01 mm ，最小为距离1，值为0。为检验两软件的精度和稳定性，考虑其每组平均值相差很小，可以看作是一致的，这里以
XJTUDP 测的每组平均值为横坐标，TRITOP 和XJTUDP 相对应平均差和极差为纵坐标得出图10。
从图10可以看出，XJTUDP 和TRITOP 重建结果重复精度较高，鲁棒性较好，均优于0.1 mm/m 。
4 XJTUDP 在工业检测中的应用
近景工业摄影测量软件与面扫描软件相结合[15]，可以提高测量精度，避免单纯依靠面扫描软件测量时点云匹配带来的累计误差，并可实现点云的自动拼接，降低操作工人的劳动强度。通过在待测物体上放置标志点和多摄站拍摄，获得物体的全局坐标。将其输入面扫描软件，则扫描的每幅点云通过动态坐标转换，得到其在全局摄影坐标下的姿态(图11)。图11、12为XJTUDP 和面扫描软件配合使用获取白车身的点云外形，实际效果证明可以应用在工业测量领域。
5 结 论
针对大型工件复杂曲面难以精确测量和获得准确数据模型，国外的商用摄影测量软件长期在国内占据垄断地位，在国内率先开发了拥有自主知识产权的近景工业摄影测量系统XJTUDP ，填补了国内空白，通过研究基于亚像素边缘拟合的高精度标志点中心检测方法、编码点设计及编码点自动检测方法和相机标定、三维重建技术并成功应用，给国内同行研究摄影测量系统开发提供了有价值的参考。
基于德国光学评价标准VDI2614/2634，以自行设计的立方体框架为对象进行了对比测试，发现
XJTUDP 和TRITOP 的测量精度都在0.1 mm/m 之内，两者精度基本相同，位于相同数量级，证明国产软
图11 XJTUDP 软件全局标志点自动匹配点云
Fig.11
Auto-match points of XJTUDP based on the whole marked points
图12 匹配完毕的汽车白车身
Fig.12 Car body at the end of matching
光电工程 2009年5月128
件完全可以替代国外软件，应用在工业检测现场。
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航空摄影测量考试相关试题
一、单项选择题（共80 题，每题1 分，每题的备选项中，只有1 个最符合题意） 1、使用N台（N>3）GPS接收机进行同步观测所获得的GPS边中，独立的GPS边的数量是（）。 A.N B.N-1 C.N(N+1)/2 D.N(N-1)/2 2、我国现行的大地原点、水准原点分别位于（）。 A.北京、浙江坎门 B.北京、山东青岛 C.山西泾阳、浙江坎门 D.陕西泾阳、山东青岛 3、大地水准面精化工作中，A、B级GPS观测应采用（）定位模式。 A.静态相对 B.快速静态相对 C.准动态相对 D.绝对 4、为求定GPS点在某一参考坐标系中的坐标，应与该参考坐标系中的原有控制点联测，联测的点数不得少于（）个点。 A.1 B.2 C.3 D.4） 5、地面上任意一点的正常高为该点沿（）的距离。 A.垂线至似大地水准面 B.法线至似大地水准面 C.垂线至大地水准面 D.法线至大地水准面 6、GPS的大地高H、正常高h和高程异常ζ三者之间正确的关系是（）。 A.ζ=H-h B.ζ 河南理工大学测绘学院 《近景摄影测量学》教学实验报告 （专业必修课） 2011年月日 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 实验成绩： 评语: 指导老师签名： 2011年月日 实习报告一：相机的认识和使用 一、实验的目的与要求： 1.熟悉使用相机并对物体进行高清晰拍摄 2.了解相机的各功能键对拍摄景物的作用 二、实验仪器： 佳能相机一台 三、实验步骤 1.打开相机 2.阅读相机的使用说明书，了解相机的参数设置 3.用一种拍摄模式对物体进行拍摄然后观察其效果 4.换一种拍摄模式在观察相片的效果，然后与上一张相片对比，观察其图形的差别 5.修改相机参数再观察相片的成图效果。 四、实验体会与收获： 这次实习让我学会到如何使用相机对物体进行高清晰拍摄，同时认识了相机的各个功能键的作用和用法，初步掌握了拍摄的技巧，了解了相机各个功能键对拍摄景物的作用。 实习报告二：Lensphoto软件的处理过程 一、实验目的： 1.掌握Lensphoto软件的操作步骤 2.掌握Lensphoto软件对非量测相机参数的检校。 二、实验内容： 用Lensphoto软件对已有的实验数据进行处理并得出处理结果 三、实验步骤 1.相机检校 2、新建工程 (1)工程--新建--导入(导入对应要处理的工程影像数据)，输入航带数，对影像进行航带分组。 3、打开工程 打开对应的工程文件*.prj。 （1）、空三匹配匹配前人工给定航带内和航带间立体像对的种子点，目的是确定匹配像对两张影像间的概略偏移量。 （2）、光束法平差只有进行了相对定向，控制点量测才具有预测功能 （3）、控制点量测 4、引入控制点 (1)把全站仪导出的三维点信息，进行编辑。整理成软件可识别的*.ctl数据格 1、近景摄影测量：通过摄影手段以确定(地形以外)目标的外形和运动状态的学科分支。 2、近景摄影测量主要包括：工业、古文物古建筑、生物医学。 3、一般认为：摄影距离小于100米的摄影测量称为近景摄影测量；也有认为不超过300米即可。 4、近景摄影测量的与航空摄影测量的相同点不同点 相同点:模拟,解析,数字影像处理方法相同. 区别： a.测量目的不同，航测：以测制地形、地貌为主，注重其绝对位置；近景：以测定目标物的形状、大小和运动状态为目的，并不注重目标物的绝对位置。 b.被测目标不同，近景：目标物各式各样、千差万别，大到寺庙、飞机、海轮，中到汽车、脚印，小到青蛙、手腕骨、弹壳撞击孔，甚至花粉。 c.目标物的纵深尺寸与摄影距离比不同。 d.摄影方式不同。航测：近似竖直摄影方式。近景：正直摄影方式、交向摄影方式 e. 影像获取设备不同。航测：航摄仪。近景：量测型摄影机和非量测摄影机 5、近景摄影测量的优点 a、瞬间收集到大量的信息，包括物理信息和几何信息； b、非接触性测量手段； c、能够测定动态物体外形和运动状态。比如：高层建筑物受外力的摆动变形、桥梁上通过车辆时的负荷变形； d、有严谨的理论和现代的软硬件，可提供高精度和高可靠性的测量手段； e、近景摄影测量的产品形式多样化：数据、图形、图像、数字表面模型、立体模型、三维动态序列影像等。 6、近景摄影测量的缺点 a、技术含量较高：对设备和技术人员要求高； b、对一些测量对象不一定是最佳的技术选择（成果的质量、完成所需时间、所需要的投入），尤其是：1、不能获取质量合格的影像；2、所测目标上待测点不多的时候；7、近景摄影测量的精度 （1）测量里面衡量精度的基本指标：被测点的坐标中误差（点位中误差） （2）近景摄影测量的精度：估算精度、内精度、外精度 估算精度——是在摄影前，按控制方式、条件等的理论估算精度。 内精度——是在摄影测量的数据处理阶段，按解算未知数的方程组的健康程度，直接计算而得。 ①内精度容易获取； ②内精度一般只与摄影测量的网形有关，它不能够客观反映测量成果的质量，大多数情况下其精度好于实际精度。 外精度——用多余控制点或条件客观的精度检验。 利用实测坐标与近景摄影测量的坐标比较，统计出坐标中误差和坐标误差分布。 8、影响近景摄影测量精度的因素 （1）、摄影获取设备的性能（检校水准、焦距、视场角、底片质量、摄影摄像机的分比率…） （2）、摄影方式（摄影比例尺、摄站数与分布、摄影基线长短…) （3）、控制的质量(控制点的数量和分布、控制点精度、相对控制…) （4）、被测物体照明状态、标志使用，被测物体表面处理的水准等 （5）、后续处理硬软件的性能 9、近景摄影测量中常用的坐标系有四种：（1）物方空间坐标系D-XYZ：描述地面点在物方空间位置的任一三维坐标系。可根据需要而选定坐标原点和三轴系方向。 名词解释 1. 摄影测量学：利用光学摄影机摄影的像片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、 性质和相互关系的一门科学技术 2. 像点位移：当地面起伏、像片倾斜时，地面点在像片上的构像相对理想情况时产生的位 置差异。 3．摄影比例尺：摄影像片当作水像片，地面取平均高程时，这时像片上的一段的水平距L 之比为摄影比例尺。 4. 数字影像相关：利用计算机对数字影像进行数字计算的方式完成影像的相关，识别出两 幅（或多幅）影像的同名像点。 5．解析空中三角测量：以像点坐标为依据，采用一定的数学模型，用少量控制点作为平差条件，解求加密点物方坐标的理论方法或作业过程。 6．摄影基线：相邻两摄站点之间的连线 7．航线弯曲度：偏离航线两端像片主点间的直线最远的像主点到该直线的距离与该直线距离之比。 8．立体像对：在航空摄影时，同一条航线相邻摄站拍摄的两张像片具有60%左右的重叠度，这两张像片成为立体像对。 9．相对定向：确定一个立体像对中两张像片相对位置的参数 10.绝对定向：确定相对定向所建立的几何模型的比例尺和模型空间方位。 11.中心投影：投影光线相互平行的投影 12.影像内定向：将仪器坐标系中的像点坐标转换为像平面坐标系中 坐标的过程 13.摄影基线：航线方向相邻两个摄影站点间的空间距离 14.航向重叠：同一条航线上相邻两张像片的重叠度 15.像片的外方位元素：确定摄影瞬间像片在空间坐标系中位置和姿态的参数。或称为表示 摄影中心和像片在地面坐标系中的位置和姿态的参数。 16.内方位元素：确定投影中心（物镜后节点）相对于像平面位置关系的参数 17.核线相关：沿核线寻找同名像点 18.DEM：数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型 19.影像数字化：将透明正片或负片放在影像数字化器上，把像片上像点的灰度值用数字形 式记录下来，此过程为影像数字化 20.模型绝对定向：用已知的地面控制点求解相对定向所建立的几何模型的比例尺和模型空 间方位元素 21.同名核线：同一核面与左右影像相交形成的两条核线，其中核面指物方点与摄影基线所 确定的平面 22.同名像点：同一地面点发出的两条光线经左右摄影中心在左右像片上构成的像点称为同 名像点。 23.中心投影：投影射线汇聚同一点的投影。 24.像点位移：当地面起伏、像片倾斜时，地面点在像片上的构像相对理想情况时产生的位 置差异 25.像片解析：利用数学分析的方法，研究被摄景物在航片上的影像与所摄物体之间的数学 关系，从而建立起像点与物点的坐标关系式。 26.像底点：过投影中心引向地面的垂线与像平面的交点。 27.核面：摄影基线与同一地面点发出的两条同名光线组成的面。 数字近景摄影测量测图应用探讨 摘要：国家社会经济的不断进步与发展，极大地促进了数字近景摄影测量测图 技术的飞跃，研究其相关课题对于提升测图的整体效果具有极为关键的意义。本 文首先介绍了数字图像处理，分析了数字近景摄影测量关键技术，并研究了数字 近景摄影测量技术的应用，望对相关工作的开展有所裨益。 关键词：数字近景摄影；测量；测图；应用 1前言 随着数字近景摄影测量测图应用条件的不断变化，对其技术方法提出了新的要求，因此 有必要对其相关课题展开深入研究与探讨，以期用以指导相关工作的开展与实践。基于此， 本文从概述相关内容着手本课题的研究。 2数字图像处理 图像处理技术作为一项基础技术在各种领域都有着应用。图像是三维景物的二维投影， 三维景物的很多信息并不能在二维图像上体现出来。摄影测量双像测量是图像三维信息提取 的基础技术，通过影像匹配代替传统人工观测，将原始相片的灰度转变为电子、光学、数字 等不同形式信号。影像相关是通过不同信号之间的关联函数评价相似性。取出特定点中心小 区域影像信号，之后在另一个影像区域中区域对应区域影像信号，求得相关函数，以影像新 红分布相似区域作为同名区域。这是自动化立体测量的基本原理。 2.1数字相关 数字图像处理使用了数字相关技术，利用计算机进行数字影像数值计算，进行影像的匹配。数字相关算法除了相关函数，还有协方差函数、差绝对值和、相关精度等方法，数字相 关通常都是二维搜索过程，通过核线相关原理的引入，能够进一步简化为一维搜索。 2.2二维相关 二维相关首先在影像上确定一个待定点作为目标点，之后以目标点选择一定像素数的灰 度阵列，作为目标区域，同时在另一个影像上搜索同名点，估算同名点可能存在的范围，建 立同样大小的灰度阵列进行搜索，计算和目标区域的相似度。 2.3一维相关 核线影响上进行一维搜索，理论来说，目标窗和搜索窗均可视作一维窗口，但是两个影 像窗口相似性通常都是统计量，为了提高结果可靠性，需要尽量丰富的样本，所以目标窗口 像素不能过少，而且目标区域过长会造成灰度信号中心和集合中心之间不重合，相关函数高 峰值和最高信号值一致，影像几何变形影响下会出现很大误差。因此目标区和二维相同时搜 索工作从一个方向进行即可。 3数字近景摄影测量关键技术研究分析 1）现代化数字图像的直接获取与处理。分析传统的图像获取，即电子管摄像机，根据功 能划分，主要包括量测像机、半量测像机、非量测像机，对于量测像机，其主要目的是精密 测量物体的位置、尺寸、运动轨迹，其具有机械结构稳定、镜头光学畸变小、长焦距和相片 尺寸大的特点，但是，随着现代工业的发展，固体式数字摄像机已不断涌现在市场中，即数 字像机，数字像机在各个领域中得到广泛应用，尤其是广播电视，其主要有CCD图像传感器、摄影镜头及相关电子电路等附件构成，根据性能的不同，数字像机分为标准视频摄像机和数 码相机，其主要通过定向反光标志和标志中心的亚像素精确定位的亚像素边缘检测、子像素 精度中心定位来实现物体测量，对于定向反光标志中的RRT标志的“准二值摄影”，可以采用 梯度幅值法来提高图像测量的精度，亚像素精度边缘定位后，采用椭圆最小二乘拟合的方法 来获取反光标志中心，最后确定像素的精度。 2）数字像机的试验场法标定技术、自标定技术。试验场法标定是指对已控制点摄影的单 片相机空间后交会进行求解，其具有计算简单、摄影几何图形要求低、内外参数相关性影响 小的特点，例如某实验采用了28mm/2.8D、视场角为60°*46°的尼康D2H数码相机，在拍摄 过程中，由于相机焦距是固定的，并且设置的摄影距离为3.2m，分别在不同摄影位置对事物 进行顺时针拍摄和逆时针拍摄，为了验证不同参数对标定结果的影响，分别选择不同的畸变 近景定义：通过摄影手段以确定（地形以外）目标的外形和运动准柜台的科学手段。 优点：1.它是一种瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段。2.它是一种非接触性量测手段，不伤及测量目标，不干扰被测物自然状态，可在恶劣条件下作业。3.它是一种适合于动态物体外形和运动状态测定的手段，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段。4.它是一种基于严谨的理论和现代的硬软件，可提供相当高的精度与可靠性的测量手段。 5.它是一种基于数字信息和数字影像技术以及自控技术手段。 6.可提供基于三维空间坐标的各种产品。 缺点：1.技术含量高，需要昂贵的硬件设备投入和较高素质的技术人员，设备的不足以及技术含量的欠缺均会导致不良的测量结果。2.对所有测量对象不一个定是最佳选择。 主要用途：1.古建筑与古文物摄影测量。2.生物医学摄影测量。3.工业摄影测量。 发展状况：在国际上已有五六十年历史，在进京摄影测量与机器视觉委员令的组织下，每两年召开一次国际性的学术讨论会。近景摄影测量，在国内近十余年有较大发展。中国测绘学会摄影测量与遥感委员会负责协调学术交流工作。 内外方位元素的选择：1.内方位元素：恢复（摄影时）光束形状的要素。若有四个框标像在像片P上它们构成一个框标坐标系，像主点在此框标坐标系内的坐标（X0,Y0）以及主距f，即为像片P的内方位元素。 外外方位元素的选择：确定光束在给定物方空间坐标系中的位置与朝向要素。三个直线元素，即坐标值XYZ，用以形容各光束定点（摄影中心）S在物方空间坐标系中的位置。三个角元素，用以形容光束在物方空间坐标系中的朝向。 摄影机的分类：量测摄影机、格网量测摄影机、半量测摄影机、非量测摄影机。 各类摄影机的性能与技术指标：量测摄影机：机械结构稳定，光学性能好； 格网量测摄影机：配有标准网格以改正底片变形，并具备量测摄影机功能； 半量测摄影机：不具备量测摄影机众多功能但配有改正底片变形的格网； 非量测摄影机：内方为元素不能记录，光学畸变颇大，未采取减少或改正底片变形的措施并且不具备记载外部定向参数的功能。 何谓一步像机：一步相机又称一次成像照相机。利用此类相机，在启动快门一分钟后，即可获得照片。感光材料自身，集感光片、电源以及显影定影药浆于一体构成。 非量测用像机有哪些优点和特性：1、社会拥有量大，包括它的通用性与普及性；2、使用方法灵活，包括调焦范围大，可手持摄影，可对任意方向摄影；3、价格相对低廉；4、适合某种专业的特殊要求，如连续摄影、高速摄影、同步摄影、跟踪摄影、显微摄影、有线或无线遥控摄影、全景摄影和水下摄影。 立体摄影机：在已知长度的摄影基线两端，配有两台主光轴平行且与基线垂直的量测摄影机的设备，称之为立体量测摄影机。 CCD的概念、原理和形式：电荷耦合器件CCD是20世纪70年代发展起来的半导体器件。原理：CCD是在N型或P型硅衬底上，生长一层很薄的（约10nm）二氧化硅绝缘层，再在此氧化层上，按一定序列，淀积多个相隔很近的金属电极而生成的。通过光注入方式或电注入方式，将代表输入信号的电荷，引入金属电极下的表面势阱后，通过附加在金属电极上的控制信号，使电荷做存储及转移动作，最后在输出端收集输出信号。 形式：线阵CCD图像传感器、面阵CCD图像传感器、CCD摄影机、固态摄像机 彩色电视机的制式有哪几种：NTSC制式、PAL制式、SECAM制式、EIA制式 夜视器的作用和适应范围：作用：对照度很低的对象进行观察、监视以至测量。 适用范围：应用于黑暗条件下的隐蔽性监视，如野生动物观察、工厂、仓库、海关、边防的巡视、公安与法院的取证以及银行、公司的保安等方面。 近景摄影测量总结 1、近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个分支它通过摄影手段以确定地形以外目标的外形和运动状态。主要包括古文物古建筑摄影测量、工业摄影测量、生物医学摄影测量三个部分。 2、近景摄影测量与航空摄影测量的比较1、相 同点基本原理相同模拟处理方法、解析处理方法、数字影像处理方法基本相同某些内业摄影测量仪器的使用。2、不同点1）测量目的 不同。航空摄影测量以测制地形、地貌为主注重其绝对位置近景摄影测量以测定目标物的形状、大小和运动状态为目的并不注重目标物的绝对位置。2）被测量目标物不同。航空摄影测量目标物以地形、地貌为主近景摄影测量目标物各式各样、千差万别3）目标物纵深尺寸与摄影距离比的变化范围不 同。4）摄影方式不同。航空摄影为近似竖直摄影方式近景摄影除正 直摄影方式外还有交向摄影方式等。5）影像获取设备不同。6）控制方式不同。航空摄影测量的控制方式以控制点为主且多为明显的地 面点近景摄影测量除控制点方式外还有相 对控制方式且常常使用人工标志。7）近景摄 影测量适合动态目标 3、近景摄影测量技术的优点1、瞬间获取被测 目标的大量几何和物理信息适合于测量点数 众多的目标2、非接触测量手段可在恶劣条件下作业3、适合于动态目标测量。 4、近景摄影测量技术的不足1、技术含量高需较昂贵设备和高素质人员2、对所有测量目标并非最佳技术选择--当不能获得质量合格的影像--当待测量点数稀少 5、近景摄影测量精度统计的方法衡量精度的基本指标是被测点的坐标中误差精度1、估算精度: 摄影前按控制方式、条件等的理论估算精度2、内精度:影像处理时按方程组健康度直接计算3、外精度:用多余控制点或条件客观的精度检验 6、影响近景摄影测量精度的因素1、像点坐标的质 多基线数字近景摄影测量 近景摄影测量 传统把近到一米内远到100米以内的摄影测量称为近景摄影测量。这样近当然不可能在飞机上，因此，近景又可以称为地面摄影测量。 近景摄影测量难点：航空摄影测量是平行摄影,摄影要求简单,摄影很规范化, 基线不变,摄影关系不变.交会角不变,利于匹配。它的照片也很规则,各单模型是固定基线、摄摄影关系及交会角,非常规范.因而当计算机技术高速发展时,它容易通过连续的空中三角测量实现各单模 型的连接和点的匹配传递从而达到自动化.但是同样是双目视觉的近景摄影测量是交向摄影,它的摄影条件非常复杂,拍摄要求非常苛刻,拍的照片远没有航摄平行摄影那样规范.它本身 的这些因素使它永远解决不了匹配,交会角,精度三者的三角矛盾.无法实现自动化. 三者矛盾：从精度而言: 交会角大,基线长,精度高; 交会角小,基线短,精度低. 从匹配而言: 交会角大,变形大,匹配难; 交会角小,变形小匹配易; 能满足两张影像变形不超过匹配的许可,而又能满足起码的精度,这样的交会角在传统的近景摄影测量---即基于双目观测原理中的近景摄影测量的地面摄影条件几乎是不存在的.这便是近几十年来近景摄影测量无实质进展的根本原因. 矛盾解决：张院士把从空间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则变化为空间一个点由多条光线交会而成的全新概念，彻底解决了数字近景发展的难题。Lensphoto Lensphoto介绍：A.新的理论原理; 传统摄影测量无论是模拟方式，解析方式或是数字化方式，都是基于人眼双目立体视觉的基本原理。Lensphoto实现了从传统基于人眼双目视觉原理到真正基于计算机视觉原理完成摄影测量的跨越；从近景摄影测量技术上讲，这是一套实现了质的飞跃的崭新技术。以计算机视觉原理（多基线）代替人眼双目视觉（单基线）传统摄影测量原理，从空间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则变化为空间一个点由多条光线交会而成的全新概念。B.新的数据获取方式; 旋转多基线摄影: 一个模型可以由多张照片生成,不再是一条摄影基线.多条基线多张照片同时构成多个模型.多基线摄影又分旋转和平行两种摄影方式.这是一种全新的摄影机制.与它对应的软件新处理技术基础便是计算机视觉原理.它将原来按“单模型”处理的交向摄影，扩展为多个模型的区域；比常规的“交向 摄影的单模型”，可大大的减少控制点。C.新的匹配技术; 多片立体匹配: 多基线摄影新机制的引入,使近摄影测量首次有了影像匹配的条件.Lensphoto所采用的是目前国内外最先进的 多片立体匹配技术, 适应于被摄物体的空间分布不连续、断裂、遮挡的新的影像匹配,此技术也是公司的专利.它优于现有一切数字航空摄影测量工作站中的匹配技术.D.首次在近景摄影测量中运用了空中三角测量及平差技术.Lensphoto是世界上第一套将自动空中三角测量和 区域网平差引入近景摄影测量的数字近景摄影测量软件。故它具有极高的精度及自动化。 Lensphoto采用的普通的单反数码相机获得多基线影像，利用可靠的近景多片匹配算法获取大量的同名点，然后通过近景空中三角测量获取向片外方位元素和相机参数，最终通过多光线前方交会及区域自由网平差，自动生成物方区域三维坐标点的点云，从而建立高精度的数字表面模型，进行各种比例尺的线划地形图测绘等等。 性能优势：（1）以普通数码相机取代量测相机，使该技术易于普及。数据采集简单迅速。大大减少外业工作量。内业处理简单容易。（2）精度高。从而可应用行业广。（3）近景摄影测量历史上首次将空中三角测量和平差技术引入。实现了高自动化，高效率。将空中三角测 一﹑单项选择题（每题的备选答案中有一个最符合题意，不答或答错不得分）摄影测量部分： 1．目前，主流的常规航空摄影机的相幅为（） A．18ｃｍ×18ｃｍB．23cm×23cm C．36cm×36cm D．46cm×46cm 2.航摄仪有效使用面积内镜头分辨率的要求（） A．每毫米内不少于20线对 B．每毫米内不少于25线对 C．每毫米内不少于30线对 D．每毫米内不少于40线对 3．下列关于航空摄影时飞行质量额要求, 叙述错误的是（） A.航行重叠度一般应为60％-65％;个别最大不应大于75％，最小不应小于56％ B.相片倾斜角一般不大于3°，个别最大不大于5° C.航摄比例尺越大，相片旋角的允许值就越大，但一般以不超过8°为宜 D.航线弯曲度一般不大于3％ 4．同一条航线内相邻相片之间的影像重叠称为（）重叠 A.航向 B.旁向 C.水平 D.垂直 5．相邻航线相邻相片之间的影像重叠称为（）重叠 A.航向 B.旁向 C.水平 D.垂直 6．航摄相片上以线段与地面上相应线段水平距离之比称为（）比例尺 A.地形图 B.测图 C.摄影 D.制图 7．框幅式航空摄影属于（）投影成像 A.正射 B.垂直 C.斜距 D.中心 8．当成图比例尺为1 ：10000时，应选择的航摄比例尺为（） A.1：20000～1：40000 B.1：10000～1：2000 C.1：25000～1：60000 D.1：7000～1：14000 9.下列各项中，关于航摄分区划分的原则叙述错误的是（） A.分区内的地形高差不得大于三分之一的航高 B.当地面高差突变，地形特征差异显著时，可以破图幅划分航摄分区 C.在地形高差许可且能够确保航线的直线性的情况下，航摄分区的跨度应尽量划大 D.分区界限应与图廓线相一致 10．一张航摄相片有（）个内方位元素 A.2 B.3 C.4 D.6 11.一张航摄相片有（）个外方位元素 A.2 B.3 C.4 D.6 12.航片上的投影差是由（）引起的相点位移 A.地面起伏 B.相片倾斜 C.摄影姿态 D.地球曲率 13．将一个重叠向内的立体相对的左右相片对调后，观测到的是（） A.正立体 B.负立体 C.无立体 D.不确定模型 14．一个立体相对同名相点的X坐标之差称为（） A.左右视差 B.上下视差 C.投影差 D.畸变差 15．一个立体相对同名相点Y坐标之差称为（） A.左右视差 B.上下视差 C.投影差 D.畸变差 16．一个相对立体模型的绝对定向至少需要（）控制点 A.三个平面 B.三个平高 C.四个平高点 D.两个平高和一个高程 数字近景摄影测量在建筑物变形监测中的应用 摘要：本文介绍了数字近景摄影测量的基本概念，回顾了数字近景摄影测量技术应用于建筑物测绘的研究，并重点分析了在建筑物变形监测中的应用，表明利用数字近景摄影测量技术观测建筑物变形的方法具有效率高、质量好等显著优点。并展望了数字近景摄影测量技术的未来发展。 1.数字近景摄影测量 1.1 数字近景摄影测量的基本概念 近景摄影测量也称非地形摄影测量，是指在0-300m 近距离范围对所研究的各类目标进行摄影，通过对拍摄的图像加工处理，从而确定静态目标的点坐标、表面形状以及动态目标的活动轨迹。近景摄影测量一般包括近景摄影和图像处理两个过程。 随着数码相机的广泛应用，价格愈来愈低廉，使用数码相机的数字近景摄影测量发展越来越快。数字近景摄影测量是指以数字相机为图像采集传感器、并对所摄图像进行数字处理的近景摄影测量。数码相机的出现和不断发展，极大地推动了数字近景摄影测量的发展[1]。 近景摄影测量的摄影机一般分为两种，即量测用的和非量测用的。量测用的摄影机是指专为摄影测量设计的，在像框上设有框标，内方位元素已知或可记录，物镜畸变差很小，主距为固定的或可以调焦的。非量测用的摄影机就是一般使用的相机，特点是内外方位元素一般不知，物镜畸变差比较大，且常常不够稳定。进行数字近景摄影测量的多为以半导体技术CCD 电荷耦合器为基础的数码相机，属于非量测相机。CCD 的状态及灵敏度可长期稳定，因此是可以检校的。在进行精确摄影测量工作前，必须对普通数码相机进行严格的检校。摄影机的检校是指检查和矫正摄影机内方位元素和光学畸变系数的过程。 1.2 数字近景摄影测量的解算模型 数码相机所拍摄的影像内方位元素值未知，因此可以采用直接线性变换模型（Direct Linear Transformation 简称DLT ）。DLT 解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标之间直接的线性关系的解法[2,3]。其基本公式为： 01 111094321=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L x （1） 01 111098765=+++++++Z L Y L X L L Z L Y L X L y （2） 式（1）和（2）中，L1至L11是11个系数，分别为相片的6个外方位元素（X s ,Y s ,Z s ,φ,ω,К），3个内方位元素（主点的坐标仪坐标x 0、y 0以及拍摄相片的x 方向主距f x ），y 方向相对x 方向的比例变化率d s （即比例尺不一性）以及x 、y 轴间的不正交性d β这11个参数的函数；X 、Y 、Z 是点的空间坐标；x 、y 是相应点的影像坐标。 由于摄影物镜光学畸变差的影响，使得像点、摄站和相应地面点之间的共线关系受到破坏，因此，必须考虑畸变的影响，而光学畸变差主要以辐射方向为主。可考虑加入改正项： 210r κ)x (x Δx ?-= （3） 210r κ)y (y Δy ?-= （4） 摄影测量学习题 一、名词解释： 1、摄影测量学：是对研究的对象进行摄影,根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面 加以分析研究,从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科。 ２、光圈号数 :相对孔径的倒数 3、景深 ：远景与近景之间的纵深距离称为景深 ?? 4、超焦点距离：当物镜向无限远物体对光时，不仅远处的物体构象清晰，而且在离开物镜 不小于某一距离H 的所有物体,其构象都很清晰，这个距离Ｈ就称为超焦点距离或称为无限远起点 5、视场： 将物镜对光于无穷远，在焦面上会看到一个照度不均匀的明亮圆。这个直径为 ab 的明亮圆的范围称为视场? ? ６、视场角 ：物镜的像方主点与视场直径所张的角２α。? ? ７、像场?:在视场面积内能获得清晰影像的区域? ? 8、像场角； 物镜的像方主点与像场直径所张的角2β。 像主点：摄影机轴在框标平面上的垂足。 1１、航向重叠?:沿飞行方向上相邻像片所摄地面的重叠区。?? 12、旁向重叠：两相邻航带摄区之间的重叠 主光轴?:通过诸透镜光轴的轴?? 主点: 主平面与光轴的交点 13、摄影基线?：相邻像片摄影站(投影中心)之间的空间连线。 15、内方位元素 确定物镜后节点和像片面相对位置的数据。? 16、外方位元素 确定摄影摄影机或像片的空间位置和姿态的参数? 焦点 平行光轴的投射光线经物镜后产生折射,该折射线与光轴的交点。 17、像片倾角 航摄仪光轴与通过物镜中心的铅垂线所夹的角称为像片的倾斜角 １9、像片旋角 相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线之间的夹角称为像片的 旋偏角?? 2０、倾斜误差 因像片倾斜引起的像点位移? 节点 投射光线与成像光线与光轴的交角ｕ和u ′相等时,投射光线与成像光线与光轴的交点。 ２1、投影差 ?因地形起伏引起的像点位移 2２、摄影比例尺 航摄相片上某一线段构成的长度与地面上相应水平距离之比。 ２３、像片控制点??为联系地面与相片而测定地面坐标的像点。 相对孔径 ?物镜焦距与有效孔径之比 2５、左右视差 同名像点在各自像平面坐标系中的x 坐标之差 2６、上下视差?同名像点在各自像平面坐标系中的Y 坐标之差 ２7、核点?基线延长线与左、右像片的交点k 1、k ２称为核点?? 28、核线 核面与像片的交线称为核线 2９、核面?通过摄影基线S 1Ｓ2与任一地面点A 所作的平面W A ? ３0、投影基线 两摄站的连线? ３1、像片基线?指相邻两张像片主点的连线 ３2、解析空中三角测量 即在一条航带几十条像对覆盖的区域或由几条航带几百哥像对构 成的区域内，仅仅由外业实测几个少量的控制点,按一定的数学模型,平差 解算出摄影测量作业过程中所需的全部控制点及每张像片的外方位元素 33、空间后方交会 就是利用地面控制点的已知坐标值反求像片外方位元素 ()()()()(){}2332233213322232332 1[]Z X Y X Y Y Y X X X Z Y X X Y Z X Y Y X Z X Y X Y =-+-+-+-+-- 第一章 1.近景摄影测量（Close-range Photogrammetry）：通过摄影手段以确定（地形以外）目标的外形和运动状态。是摄影测量与遥感（Photogrammetry & Remote Sensing）学科的一个分支。 2.与航空摄影测量的异同点 相同点 ⑴.基本原理相同 ⑵.模拟处理方法、解析处理方法、 数字影像处理方法相同 ⑶.某些内业摄影测量仪器的使用 不同点： ⑴.被测量目标物不同 航空摄影测量目标物以地形、地貌为主；近景摄影测量目标物各式各样、千差万别，大到寺庙、飞机、海轮，中到汽车、脚印，小到青蛙、手腕骨、弹壳撞击孔甚至花粉。 ⑵. 测量目的不同 航空摄影测量以测制地形、地貌为主，注重其绝对位置； 近景摄影测量以测定目标物的形状、大小和运动状态为目的，并不注重目标物的绝对位置。⑶. 影像获取设备不同 航空摄影以航摄仪为主； 近景摄影除各种量测摄影机外，还有各类非量测摄影机，如X光机、普通相机、CCD 相机等。 ⑷. 摄影方式不同 航空摄影为近似竖直摄影方式； 近景摄影除正直摄影方式外，还有交向摄影方式（包括多重交向摄影方式） ⑸.目标物纵深尺寸与摄影距离比不同 ⑹. 控制方式不同 航空摄影测量控制以绝对控制点方式为主，且多为明显地物、地貌点； 近景摄影测量除控制点方式外， 还有相对控制方式，常使用人工标志。⑺.近景摄影测量适合动态目标 3.近景摄影测量技术的优缺点 优 ⑴．瞬间获取被测目标的大量几何和物理 信息，适合于测量点数众多的目标； ⑵．非接触测量手段，可在恶劣条件下作 业； ⑶．适合于动态目标测量。 ⑷．可提供相当高的精度与可靠性⑸．可提供基于三维空间坐标的各种产品 缺 ⑴．技术含量高，需较昂贵的设备和高素质人员； ⑵．对所有测量目标并非最佳技术选择；--不能获得质量合格的影像； --待测量点数稀少 4.近景摄影测量的主要应用领域是什么？ ?古文物古建筑摄影测量 ?生物医学摄影测量 ?工业摄影测量 ?5.近景摄影测量常用坐标系(R) 1）像平面坐标系：(x,y) 2）像空间坐标系：(x,y，-f) 3）物方空间坐标系：(XP,YP,ZP) 4）辅助空间坐标系：(Xm,Ym,Zm) 1.内方位元素：恢复摄影时光束形状的要素，包括像主点在框标坐标系的坐标(x0,y0)及像片的主距f。 外方位元素 2.外方位元素：确定摄影光束在物方空间坐标系中的位置与朝向的要素，包括三个直线元素（XS,YS,ZS）,描述摄影中心在物方空间坐标系中的位置以及三个角元素（ψ, ω, κ），描述摄影光束在物方空间坐标系中的朝向。 共线条件方程式描述了像点、摄影中心、物点位于同一直线上的几何关系。 一．填空（1×20=20分）[做在试卷上]： 1．近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的分支，主要通过（）手段以确定目标物的（）和（）。 2．近景摄影测量的应用领域主要包括（）摄影测量、（）摄影测量和（）摄影测量三个部分。 3．近景摄影测量的摄影设备按功能可分为（）、（）、（）和（）。 4．摄影机改变主距的方法有（）、（）和（）。 5．近景摄影测量中的两种基本摄影方式是（）和（）。 6．动态目标立体像对获取需两台或两台以上相机进行（）； 7．使用回光反射标志配合近轴光源摄影，可以得到（）影像。 8．恒星检校法可用于相机内方位元素及光学畸变系数的解算，此时，相机需调焦至（）。 kk的单像空间后方交会解法中，物方空9．在解求内外方位元素、畸变系数、21间至少要布置（）个控制点。 10．摄影机中加装密集格网的作用是（）。 二．判断对错（1×10=10分）[做在试卷上]： 1．近景摄影测量主要以测量目标的形状、大小及运动状态为目的，因此物方空间坐标系可以定义为自由坐标系（）。 2．德国UMK型量测摄影机有4个框标，并且其主点偏心（）。 3．被测目标上互相正交的平行线组可用于摄影机内方位元素和外方位直线元素）。的确定（． 4．近景摄影测量中布置的距离相对控制只能作为真值看待（）。 5．使用近景摄影测量方法对人脸进行三维重建时，不需对其实施表面处理（）。6．室内控制场建立中，若没有任何误差，自两测站使用全站仪采用三角高程方法测量任意标志点时的高差之差等于两测站间的高差（）。 7．X光摄影测量中，X光机的主距大于摄影距离（）。 8．近景摄影测量的空间前方交会解法可用于解求待定点的物方空间坐标以及内方位元素（）。 9．在武汉大学近景摄影实验室中检校相机时，不必将相机安置在室内的固定测墩上对三维控制场摄影（）。 10．数字化近景摄影测量就是直接对数字影像进行处理（）。 三、简答题（共25分） 1．近景摄影中常用的坐标系有那几个？（4分） 2．什么是相对控制？举出3个例子。（5分） 3．与航空摄影测量比较，简述近景摄影测量的不同点。（7分） 4．近景摄影测量中建立室内控制场的目的是什么？（3分） 5．进行近景摄影测量精度统计的主要方法有哪些？简要叙述其计算思想？（6分） 四、计算题（共12分） 1．使用Kodak Professional DCS Pro SLR/n型数码相机对某目标物摄影，该目标若取模，11安置的光圈号数为，50mm镜头焦距为，2.5m物在摄影方向的纵深为糊圈直径为20mm，相机调焦在目标物的中心，距离为4m，请计算超焦距，并判断能否获得清晰影像。（6分） 2．由两台Hasselblad 555ELD型数码相机组成的立体摄影测量系统，使用40mm 镜头，两相机间的距离为1.5m，现对某试验模型按正直摄影方式拍摄立体影像对，同名点的影像坐标按单片方式量测，量测精度为±2像素，像素大小为7.07 mm，若要求摄影方向的测量精度优于±3.0mm，请估算最长摄影距离应设置为多少？（6分） 五．就共线条件方程，回答下列问题（共20分） 1．写出以像点坐标为观测值的误差方程一般式，并写出各符号所代表的含义； 近景摄影测量 传统把近到一米内远到100米以内的摄影测量称为近景摄影测量。这样近当然不可能在飞机上，因此，近景又可以称为地面摄影测量。 近景摄影测量难点：航空摄影测量是平行摄影,摄影要求简单,摄影很规范化, 基线不变,摄影关系不变.交会角不变,利于匹配。它的照片也很规则,各单模型是固定基线、摄摄影关系 及交会角,非常规范.因而当计算机技术高速发展时,它容易通过连续的空中三角测量实现各 单模型的连接和点的匹配传递从而达到自动化.但是同样是双目视觉的近景摄影测量是交向 摄影,它的摄影条件非常复杂,拍摄要求非常苛刻,拍的照片远没有航摄平行摄影那样规范.它本身的这些因素使它永远解决不了匹配,交会角,精度三者的三角矛盾.无法实现自动化. 三者矛盾：从精度而言: 交会角大,基线长,精度高; 交会角小,基线短,精度低. 从匹配而言: 交会角大,变形大,匹配难; 交会角小,变形小匹配易; 能满足两张影像变形不超过匹配的许可,而又能满足起码的精度,这样的交会角在传统 的近景摄影测量---即基于双目观测原理中的近景摄影测量的地面摄影条件几乎是不存在的.这便是近几十年来近景摄影测量无实质进展的根本原因. 矛盾解决：张院士把从空间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则变化为空间一个点由多条光线交会而成的全新概念，彻底解决了数字近景发展的难题。 Lensphoto原理介绍 Lensphoto介绍：A.新的理论原理; 传统摄影测量无论是模拟方式，解析方式或是数字化方式，都是基于人眼双目立体视觉的基本原理。Lensphoto实现了从传统基于人眼双目视觉原理到真正基于计算机视觉原理完成摄影测量的跨越；从近景摄影测量技术上讲，这是一套实现了质的飞跃的崭新技术。以计算机视觉原理（多基线）代替人眼双目视觉（单基线）传统摄影测量原理，从空间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则变化为空间一个点由多条光线交会而成的全新概念。B.新的数据获取方式; 旋转多基线摄影: 一个模型可以由多张照片生成,不再是一条摄影基线.多条基线多张照片同时构成多个模型.多基线摄影又分旋转和平行两种摄影方式.这是一种全新的摄影机制.与它对应的软件新处理技术基础便是计算机视觉原理.它将原来按“单模型”处理的交向摄影，扩展为多个模型的区域；比常规的“交 向摄影的单模型”，可大大的减少控制点。C.新的匹配技术; 多片立体匹配: 多基线摄影新机 重庆交通大学 《近景摄影测量》大作业报告书 专业：测绘工程 课程名称：《近景摄影测量》 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 完成时间：2020年 7 月 目录 一、方案设计阶段 (1) (一)流程指定 (1) (二)物方控制方案设计 (2) (三)影像拍摄方案设计 (2) 二、摄影阶段 (4) (一)布设标志点 (4) (二)控制测量 (5) (三)照明处理 (5) (四)表明处理 (6) (五)立体像对的摄取方法 (6) (六)摄站点 (6) 三、摄影测量处理阶段 (7) (一)数据处理方式 (7) (二)共线条件方程式推导 (8) (三)单像空间后方交会 (9) (四)多片空间前方交会 (10) (五)成果精度评定方法 (11) 四、生成目标等值线 (12) 五、参考文献 (17) (一)流程指定 (1)现场考察，拍摄之前应该对现场进行考察，主要包括以下内容： 1）被拍摄物体周围环境考察。 2）选择拍摄距离和拍摄地点，基线与距离之比小于1/5~1/15。 3）根据被拍摄物体特点和拍摄距离选择合适相机镜头。 4）根据相机的视场角和被摄物体成像的范围设计控制点分布图等。 (2)作业方案设计，包括物资准备、物方控制方案设计、摄影方案设计、选取影像处 理方法和成果质检方法的确定。 (3)外业作业，按照设计方案结合实际情况进行作业。 (4)内业处理，主要是物方控制数据处理和三维建模及成果提交。 图1 作业流程图 (二)物方控制方案设计 (1)目的：为将所建立的模型纳入统一的物方空间坐标系，布设物方控制。 (2)控制布设：结合被摄雕像周边环境，设置两个导线点 (3)物方控制点三维坐标测定：物方控制测量一般是在被测物周围先施测导线点，高程用直接水准联测或采用光电测距导线施测，或用间接高程联测，然后在导线点上用前方交会和三角高程方法测定物方控制点的三维坐标。 (4)精度指标：物方控制包括控制点和相对控制。物方控制的精度一般小于总精度要求的1／３。 (三)影像拍摄方案设计 (1)影像获取设备的选择 本次作业选用非量测摄影机即普通的单反数码相机。其优点有全固体化，体积小、重量轻便易于携带、不受电磁现象干扰，像元几何位置精度高，且不会改动（不需要框标标定内方位元素，不需要格网改正底片变形）。 图2 影像拍摄设备 (2)摄影站的布设原则如下： ａ）摄影站的布设和摄影方式的选定，应以保证精度、可靠性以及获取最有效的摄影覆盖为原则。 ｂ）尽量避开屏障，防止出现摄影死角。 c ）摄影站可设在地面和建筑物上，或选用脚手架、升降车、系留气球和其他低 空飞行器作为摄影平台。 (3)摄影站布设方式 茅以升雕像为圆柱形曲面目标，故采取多站的布设方式。摄影站的布设一般是环绕被测物周围安排多个摄影站，自每个摄影站拍摄一张或数张像片；站与站方向的选择应使多重像片对被摄物体多次覆盖，而不必要求各站间的等间隔以及摄影方向线的 填空题 8．恒星检校法可用于相机内方位元素及光学畸变系数的解算，此时，相机需调焦至（）。 9．在解求内外方位元素、畸变系数k1、k2的单像空间后方交会解法中，物方空间至少要布置（）个控制点。 10．摄影机中加装密集格网的作用是（）。 二．判断对错（1×10=10分）[做在试卷上]： 1．近景摄影测量主要以测量目标的形状、大小及运动状态为目的，因此物方空间坐标系可以定义为自由坐标系（）。 2．德国UMK型量测摄影机有4个框标，并且其主点偏心（）。 3．被测目标上互相正交的平行线组可用于摄影机内方位元素和外方位直线元素的确定（）。 4．近景摄影测量中布置的距离相对控制只能作为真值看待（）。 5．使用近景摄影测量方法对人脸进行三维重建时，不需对其实施表面处理（）。6．室内控制场建立中，若没有任何误差，自两测站使用全站仪采用三角高程方法测量任意标志点时的高差之差等于两测站间的高差（）。 8．近景摄影测量的空间前方交会解法可用于解求待定点的物方空间坐标以及内方位元素（）。 四、计算题（共12分） 1．使用Kodak Professional DCS Pro SLR/n型数码相机对某目标物摄影，该目标物在摄影方向的纵深为2.5m，镜头焦距为50mm，安置的光圈号数为11，若取模糊圈直径为20mm，相机调焦在目标物的中心，距离为4m，请计算超焦距，并判断能否获得清晰影像。（6分） 2．由两台Hasselblad 555ELD型数码相机组成的立体摄影测量系统，使用40mm 镜头，两相机间的距离为1.5m，现对某试验模型按正直摄影方式拍摄立体影像对，同名点的影像坐标按单片方式量测，量测精度为±2像素，像素大小为7.07 mm，若要求摄影方向的测量精度优于±3.0mm，请估算最长摄影距离应设置为多少？（6分） 五．就共线条件方程，回答下列问题（共20分） 1．写出以像点坐标为观测值的误差方程一般式，并写出各符号所代表的含义；（6分） 2．如图1所示，为测量某矿体模型的变形情况，在其表面贴敷215个标志点作为变形监测点，另外在边框上布置20个分布合理的标志点用全站仪测量其三维坐标作为控制点。使用数码相机在9个摄站对矿体模型摄影（不调焦），重叠度为100%。若物方控制点坐标作为真值，实地不测外方位元素，列出以内、外方位元素及待定点物方坐标为未知数的光束法平差的误差方程式。指出哪类参数是观测值？误差方程式的个数是多少？多余观测数是多少？（7分）《近景摄影测量学》课堂实验报告
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