數(shù)字工業(yè)攝影測量中的標志點匹配和自檢校光束法平差快速解算_圖

1、中國人民解放軍信息工程大學碩士學位論文數(shù)字工業(yè)攝影測量中的標志點匹配和自檢校光束法平差快速解算姓名：馮其強申請學位級別：碩士專業(yè)：攝影測量與遙感指導教師：張永生20070401龍攝影婚紗攝影連鎖品牌，來自美麗寶島臺灣，由林樹藤先生創(chuàng)立于1976年至今已有34年的悠久歷史。龍攝影崛起臺灣，是享譽國內(nèi)外的婚紗攝影連鎖品牌。分別在新加坡、臺北、高雄、北京、上海、沈陽、杭州、南京、重慶、合肥、蘭州、鄭州、銀川、西寧、內(nèi)蒙古等六十余個城市均設(shè)立了品牌連鎖店，其區(qū)域分店達到260多家。34年來，龍攝影品牌理念融匯了中國商道文化的精髓與西方先進的思想，歷煉出了“真誠、專業(yè)、完美”三大品牌理念，以這樣極具創(chuàng)新

2、思想和社會責任感的品牌理念推動著龍攝影一直不斷發(fā)展與進步；同時憑借扎根于臺灣、內(nèi)陸行業(yè)中經(jīng)營34年的豐富運作經(jīng)驗，成功打造了龍攝影連鎖品牌團隊。龍攝影經(jīng)中華人民共和國國家工商行政管理局商標局注冊商標，為專業(yè)婚紗攝影及服裝設(shè)計品牌。龍攝影堅持臺灣名牌的專業(yè)風范, 導入CIS （企業(yè)識別系統(tǒng)）：VI 企業(yè)視覺識別系統(tǒng)、MI 企業(yè)管理理念系統(tǒng)、BI 企業(yè)行為規(guī)范系統(tǒng)，鮮明地在視覺與文化上傳達品牌內(nèi)涵；在34年品牌輝煌發(fā)展進程中，憑借獨特的品牌魅力與廣大消費者的滿意肯定，先后榮獲了，“全國攝影行業(yè)百強企業(yè)、百家“放心消費”企業(yè)、中國十大杰出等多項殊榮！龍攝影堅信以人為本，用企業(yè)獨特的品牌文化魅力去服務(wù)

3、好顧客的每一個細節(jié)，締造出新人生命中最平凡最真摯的感動，讓新人夢想成真，留下一生中最值得甜蜜珍藏的回憶佳作，用心打造國際化的經(jīng)典婚紗品牌。龍攝影在e 時代的今天，更是把握先機，率先將數(shù)字技術(shù)更好地融入攝影之中，把傳統(tǒng)拍攝技藝與數(shù)字藝術(shù)精妙融合，創(chuàng)造出獨具一派的時尚攝影風格；同時在產(chǎn)品研究、數(shù)碼影像技術(shù)，主題研發(fā)都在不斷創(chuàng)新，禮服更是將完美浪漫經(jīng)典演繹，為新人打造絕美靚麗新娘；龍攝影一貫追求零缺陷的作風，勇于開拓創(chuàng)新的精神，皆追求完美的風范，確立了龍攝影在婚紗攝影行業(yè)的領(lǐng)先地位，也是龍攝影在全國各地倍受結(jié)婚新人認同與喜愛的原因。昔日堅持不懈的努力與奮斗，鑄造今朝品牌輝煌的成績。今天已經(jīng)取得驕人成

4、就的龍攝影不會停下繼續(xù)開拓、創(chuàng)新、進取的步伐，將會一直追求對品牌的完美要求，立志締造中國婚紗攝影經(jīng)典品牌的王者風范。今天龍攝影依然努力開拓，孜孜不倦地把龍的品牌做好、做大、做強，把品牌擴展到中國的每個版圖，展望規(guī)劃雄偉的未來藍圖，成就更加輝煌燦爛的品牌夢想。信息工程大學碩士學位論文摘要數(shù)字工業(yè)攝影測量屬于利用數(shù)字圖像進行測量的高精度三維測量技術(shù)，人工標志點圖像坐標精確測量、自動匹配和自檢校光束法平差是實現(xiàn)自動化、高精度測量的關(guān)鍵。論文對數(shù)字工業(yè)攝影測量中涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)性研究，包括人工標志點自動匹配、相機畸變模型和自檢校光束法平差快速解算等。論文主要內(nèi)容包括：詳細闡述了數(shù)字工業(yè)攝影

5、測量的特點，介紹了國內(nèi)外數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了構(gòu)建數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵性技術(shù)。介紹了人工標志點核線匹配原理。提出了一種新的匹配算法：基于空間前方交會的匹配算法。實驗證明該算法匹配速度快、準確率高，能為自檢校光束法平差提供高精度初值。分析了數(shù)字相機畸變特點，選用參數(shù)模型作為相機畸變模型，經(jīng)實驗證明該模型能較好地補償成像系統(tǒng)誤差。針對數(shù)字工業(yè)攝影測量特點，提出了一種基于點松弛法的自檢校光束法平差快速答解算法，通過實驗驗證了該算法與整體答解的精度相同，但速度明顯優(yōu)于后者，能滿足數(shù)字工業(yè)攝影測量數(shù)據(jù)現(xiàn)場處理要求。開發(fā)了相應(yīng)的匹配和平差功能軟件模塊，并成功應(yīng)用于咖衛(wèi)星天線測量

6、項目，驗證了算法的有效性和可靠性。關(guān)鍵詞：數(shù)字工業(yè)攝影測量，人工標志點，核線，空間前方交會，匹配，相機畸變模型，自檢校光束法平差，點松弛法第頁信息工程大學碩士學位論文晦岫仃塒仃舔詛衄血一弓】協(xié)洶，鏟呦，撕戚伊猢打、觸印嘶鏟旬叮仃孕時印邯抽曲，謝廿：廿也掣阱仃觴鵝把，也仃謝嘲觚，印州甜，時鑼：粵硼砌由吼唱，印，矗，颶喇，）【第頁原創(chuàng)性聲明本人聲明所提交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得信息工程大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所

7、做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意?；I們越年捧日日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解信息工程大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。本人授權(quán)信息工程大學可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密學位論文在解密后適用本授權(quán)書。）學位論文題目：鏨呈王些堡墅型量主鰒拯查壺匹堡塑自撿撞光塞洼王羞迭蕉鯉篡學位論文作者簽名：！多二量堡作者指導教師簽名：日期：戶唧年月紗日日期朋年畢月了日信息工程大學碩士學位論文第一章緒論引言近年來，隨著我國國民經(jīng)濟和

8、國防技術(shù)的快速發(fā)展，在航空、航天、電子、汽車、造船、通訊、核工業(yè)、水利水電、武器裝備等行業(yè)與領(lǐng)域的生產(chǎn)和工程對大尺寸工件測量的需求日益迫切，如飛船推進艙測量（左右）、飛機型架測量（以上）、導彈總裝測量（）、大型水輪機座環(huán)測量（左右），大型天線測量（）等“。目前，可以實現(xiàn)大尺寸三維坐標測量的方法和系統(tǒng)按照所使用的主要傳感器可以分為以下八大類”：（）三坐標測量機（刪）刪是傳統(tǒng)通用三維坐標測量儀器的代表，其優(yōu)點是測量準確、效率高、通用性好；其不足是屬于接觸式測量、不易對準特征點，對測量環(huán)境要求高、不便攜、測量范圍小。（）經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)（）經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)是在大尺寸測量領(lǐng)域應(yīng)用最早和最多的一種系統(tǒng)。其優(yōu)

9、點是測量范圍大、非接觸、精度高；不足是手動照準目標、逐點測量，測量速度慢、自動化程度不高。（）全站儀測量系統(tǒng)（）全站儀是測繪行業(yè)應(yīng)用最廣和最通用的一種“坐標測量機”。其優(yōu)點是設(shè)站靈活方便，測程較遠，特別適合大范圍測量；缺點是需要合作目標、短距離測量相對精度較低。（）激光跟蹤測量系統(tǒng)（）激光跟蹤測量系統(tǒng)測量原理和全站儀相同，僅僅是測距的方式（單頻激光干涉測距）的不同。由于干涉法距離測量的精度高，測量速度快，因此激光跟蹤儀的整體測量性能和精度要優(yōu)于全站儀。（）激光掃描測量系統(tǒng)（）激光跟蹤測量系統(tǒng)具有測距精度高的特點，但需保持在跟蹤過程中激光束不丟失，另外測距需要合作目標（反射器）配合，是一種接觸式

10、的測量系統(tǒng)，往往給測量帶來諸多不便。（）關(guān)節(jié)式坐標測量機（）關(guān)節(jié)式坐標測量機是一種便攜的接觸式測量儀器，和三坐標測量機比較，關(guān)節(jié)式坐標測量機的測頭安置非常靈活；和其它光學測量系統(tǒng)比較，它不需要測點的通視條件，但由于關(guān)節(jié)臂長的限制，其測量范圍有限。（）室內(nèi)（）室內(nèi)的測量原理是角度交會，其優(yōu)點是測量精度高，缺點是設(shè)備復雜，測量環(huán)境固定，可移動性差。（）數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)（咖）信息工程大學碩士學位論文數(shù)字工業(yè)攝影測量是攝影測量技術(shù)在工業(yè)測量中的應(yīng)用，它通過在不同的位置和方向獲取同一物體的幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)計算機圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學計算后得到待測點精確的三維坐標。其測量原理和經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)一樣

11、，均是三角形交會法。數(shù)字工業(yè)攝影側(cè)量系統(tǒng)一般分為單臺相機的脫機測量系統(tǒng)、多臺相機的聯(lián)機測量系統(tǒng)。此類系統(tǒng)除具有精度高、非接觸測量和便攜等特點之外，還具有其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點啪：（）測量速度快、實時；（）采用多測站，有較多的多余觀測量，成果的可靠性高；（）不需要穩(wěn)定的測量平臺，設(shè)備靈巧；（）可以對動態(tài)物體進行測量；（）自動化程度高。數(shù)字工業(yè)攝影側(cè)量系統(tǒng)也有其自身的缺陷和不足：（）技術(shù)含量高，需要較昂貴的硬件設(shè)備投入和較高素質(zhì)的技術(shù)人員，設(shè)備的不足以及技術(shù)力量的欠缺均會導致不良的測量成果。（）受被測目標或現(xiàn)場特殊環(huán)境的限制。例如，被測目標表面無法粘貼人工標志，或通視條件較差導致無法攝影。數(shù)字工業(yè)

12、攝影測量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀數(shù)字工業(yè)攝影測量是數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。從上世紀年代至今，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)算法的不斷完善，近景攝影測量已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字化，并步入成熟階段。在國外，已有多種高性能的系統(tǒng)投放市場。其中具代表性的有美國公司的系統(tǒng)、挪威公司的系統(tǒng)、德國公司的系統(tǒng)等。是目前國際上最成熟的商業(yè)化數(shù)字工業(yè)攝影測量產(chǎn)品之一“”（圖（）。它采用回光反射標志或投點儀投點作為人工標志點，利用一臺（或多臺）高精度專業(yè)量測相機攝影（圖（），可采用脫機和聯(lián)機兩種方式進行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)主要具有三維測量精度高（相對精度可達，州測量范圍絕對精度為塒）、測量速度快和自動化程度高等特點”。信息工程大學

13、碩士學位論文圖測量系統(tǒng)系統(tǒng)采用一臺（或兩臺）已預(yù)先檢校的相機（經(jīng)公司專門改造）與測量光筆相配合，實現(xiàn)聯(lián)機實時測量（圖（）。其特點主要表現(xiàn)在“”：（）普通的數(shù)碼相機經(jīng)過高精度檢校被封裝起來用于高精度的三維測量，一次檢校可以長期使用（可長達年）。（）光筆的采用使得測量變得方便快捷（圖（）。光筆由碳纖維材料復合而成，結(jié)構(gòu)簡單輕便并且膨脹系數(shù)極小，光筆上安裝有個相對坐標已知的紅外發(fā)光二級管（）標志，測量時通過獲得光筆上發(fā)光二級管的影像，可以快速求得光筆所在坐標系與攝站坐標之間的關(guān)系，從而快速測得未知點（光筆測頭所接觸點）的坐標。根據(jù)被測點的情況，系統(tǒng)配備有不同型號的光筆，并配備了一些附件來用于隱藏點的

14、測量。（）自動化程度高、測量精度高。在米以內(nèi)的測量范圍可達到哪咖的精度。圖測量系統(tǒng)系統(tǒng)的測量思路與系統(tǒng)相同，也分為單臺相機模式和多臺相機模式，但它使用普通數(shù)字相機作為測量傳感器（圖）。其軟件采用硬加密的方法固化在便攜機中，在使用中如需重新安裝軟件或進行軟件升級等必須將整機返廠。系統(tǒng)測量范圍可達 信息工程大學碩士學位論文以上，在以內(nèi)測量誤差按照每米脅遞增，整個精度范圍為唧哪。圖測量系統(tǒng)國內(nèi)對近景攝影測量的研究始予上世紀年代末，許多學者在這方面做了大量的研究工作。武漢朗視公司推出了多基線數(shù)字近景攝影系統(tǒng)“。該系統(tǒng)由普通數(shù)碼相機拍攝像片組，采用張祖勛院士最新的近景攝影影像匹配技術(shù)，自動化快速生成可量

15、測的區(qū)域三維數(shù)字表面模型，其點位相對精度在以上，可廣泛應(yīng)用于水利電力、地質(zhì)、文物保護、地理信息系統(tǒng)、城建、交通、房產(chǎn)、規(guī)劃等全過程。此外，很多單位將近景攝影測量技術(shù)成功地應(yīng)用于特定對象（包括工業(yè)領(lǐng)域）的測量工作中“。例如，北京市測繪院用于測繪大型飛機外型；建設(shè)部綜勘院用于香港寶蓮寺天壇大佛建造工程；武漢測繪科技大學用于葛洲壩船閘變形監(jiān)測；武鋼“號高爐”煤氣管道變形監(jiān)測等“”。在工業(yè)攝影測量方面，武漢大學馮文灝教授對相關(guān)基礎(chǔ)理論進行了部分研究；天津大學、北京航空航天大學、國防科技大學等單位在小尺寸目標的計算機視覺測量方面進行了相關(guān)研究。天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室研發(fā)的激光視覺在線檢

16、測系統(tǒng)，己成功應(yīng)用于夏利、一汽大眾等車身生產(chǎn)線的在線測量“”。該系統(tǒng)由幾十個視覺傳感器組成，基于視覺測量原理完成對目標點的測量。其特點是測量速度快，系統(tǒng)綜合誤差小。信息工程大學測繪學院在工業(yè)攝影測量理論研究和工程應(yīng)用方面做了大量工作，先后完成了口徑天線測量、口徑星載可展開式天線測量、機載基線動態(tài)測量等高精度工業(yè)測量項目，積累了豐富的經(jīng)驗“”。然而，國內(nèi)對于數(shù)字工業(yè)攝影測量的研究也存在諸多不足，主要表現(xiàn)在：（）基礎(chǔ)理論研究不足，缺少針對工業(yè)測量特點的攝影測量理論研究：（）已有測量系統(tǒng)應(yīng)用范圍窄，通用性較差，難以滿足不同用戶的需求；（）測量精度相對較低，難以滿足高精度工業(yè)測量的要求。數(shù)字工業(yè)攝影測

17、量系統(tǒng)構(gòu)成及作業(yè)流程參照目前國際主流產(chǎn)品的特點，一套的高性能數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)主要由以下軟硬件構(gòu)成：（）采用回光反射材料制作的標志點、編碼標志等人工標志（圖、）?；毓夥瓷洳牧嫌芍睆酱蠹s加的玻璃微珠或微晶立方角體組成（圖），其特點是當有光線照射在上面時，反射光的方向與入射光的方向相同。這樣，攝影時在特定位置光源（如環(huán) 信息工程大學碩士學位論文形閃光燈）的照射下，通過低強度曝光就可以產(chǎn)生高對比度的標志圖像，即“準二值影像”。這種“準二值影像”在高精度標志圖像測量中可以實現(xiàn)快速、準確而可靠的定位。編碼標志的作用是實現(xiàn)人工標志的自動匹配，以及作為不同像片之間的公共點實現(xiàn)攝影測量像片的自動拼接。圖回光

18、反射材料制作的人工標志（）高精度專業(yè)量測數(shù)碼相機。專業(yè)量測數(shù)碼相機是指專為測量目的而設(shè)計制造的數(shù)字相機，具有機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、光學性能好、分辨率高、存儲能力強等優(yōu)點。目前常用的高精度專業(yè)量測數(shù)碼相機有尼康、柯達、富士等（圖）。圖專業(yè)量測數(shù)碼相機（）輔助測量設(shè)備，包括自動定向棒、基準尺等（圖）。自動定向棒的作用是完成自動概略定向，它主要由固定在上面的三個以上已知坐標（在其設(shè)計坐標系中）的人工標志點構(gòu)成?；鶞食叩淖饔檬窃跍y量過程中提供長度基準，其兩端各固定一個人工標志點，測量前已知兩標志點間的距離。 信息工程大學碩士學位論文圖輔助測量設(shè)備（）數(shù)據(jù)處理軟件，這是數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)最為核心部分。軟件主要

19、功能模塊應(yīng)包括像點精確定位、編碼標志識別及定位、像片概略定向、像點匹配、平差、結(jié)果分析以及圖形顯示等。數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的作業(yè)流程如圖所示：圖數(shù)孚工業(yè)攝影測量系統(tǒng)作業(yè)流程圖數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及論文主要研究內(nèi)容工業(yè)測量屬于高精度、大尺寸三坐標測量，測量精度要求亞毫米以下甚至更高，而且要求測量速度快、效率高，自動化程度高。為滿足上述要求，數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)有“”：（）高質(zhì)量“準二值影像”的獲取。數(shù)字工業(yè)攝影測量的觀測量是像片上的像點坐標，因此高質(zhì)量圖像的獲取是高精度測量的基礎(chǔ)之一。為獲取高質(zhì)量數(shù)字圖像，需要對測 第頁信息工程大學碩士學位論文量中使用的人工標志性能、光源

20、特性、數(shù)字相機的設(shè)置等與成像質(zhì)量有關(guān)的技術(shù)和設(shè)備進行研究。（）標志的自動識別與標志中心高精度定位算法。數(shù)字工業(yè)攝影測量使用人工標志作為測量的特征點，人工標志在數(shù)字圖像中會產(chǎn)生具有人工標志特征的圖像。人工標志的自動識別率和中心定位精度（亞像素精度）直接影響后續(xù)的解算和最終的測量結(jié)果。因此要對標志圖像的自動識別和高精度中心定位算法進行研究，找出最適合在數(shù)字工業(yè)攝影測量中使用算法。目前國外對標志中心定位精度已達到了像素“。（）人工編碼標志與標志點自動匹配。測量的自動化一直是人們追求的目標，使用人工編碼標志和標志點自動匹配來加快測量速度和實現(xiàn)測量自動化是一條很好的捷徑。（）數(shù)字相機的檢校與自檢校。相機

21、內(nèi)參數(shù)檢校結(jié)果的好壞直接影響到測量結(jié)果的精度。國內(nèi)對普通膠片相機的檢校方法研究較多，但對數(shù)字相機畸變模型的研究不多，尤其是針對近景攝影測量的自檢校理論和方法缺少研究和試驗，而國外成型系統(tǒng)均已實現(xiàn)。因此，尋找到一種合適的數(shù)字相機畸變模型、使用自檢校方法進行解算的問題還需深入研究。（）自檢校光束法平差的快速解算。數(shù)字工業(yè)攝影測量中經(jīng)常使用成千上萬個人工標志、成百上千張數(shù)字圖像進行測量，在進行整體自檢校光束法平差時參加計算的數(shù)據(jù)量非常大，因此，如何快速解算具有大量參數(shù)的自檢校光束法平差是數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)中不可忽視的問題。文獻“”等針對人工標志的性能、標志點精確定位、數(shù)字相機檢校等技術(shù)進行了深入的

22、研究，已基本能夠滿足數(shù)字工業(yè)攝影測量的要求。而像點自動匹配和自檢校光束法平差的快速解算問題，雖然也有較深入的理論研究，但還無法較好地應(yīng)用于數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)?；诖耍撐膶⒅饕獓@以下幾方面內(nèi)容進行研究：（）核線匹配算法和性能分析；（）基于空間前方交會的匹配算法；（）數(shù)字相機的畸變模型；（）應(yīng)用點松弛法快速解算自檢校光束法平差。第頁信息工程大學碩士學位論文第二章基于空間前方交會的標志點匹配利用專業(yè)量測數(shù)碼相機拍攝的被測目標像片，經(jīng)過數(shù)字圖像處理后可以獲得標志點在圖像上的精確坐標。通過對自動定向棒以及編碼標志的識別可以實現(xiàn)像片概略定向，即確定像片外方位元素（攝站參數(shù)）初值。在此基礎(chǔ)上，只要確定

23、出各張像片上的同名像點（即同一標志點在不同像片上的像點）就可以利用光束法平差答解物方點精確坐標。在兩幅（或多幅）影像之間識別同名點的過程稱為影像匹配，它是計算機視覺和數(shù)字攝影測量的核心問題”。影像匹配在數(shù)字工業(yè)攝影測量和航空攝影測量中的功能有所不同。在航空攝影測量中，影像匹配在確定同名像點的同時要精確確定其像平面坐標；而在數(shù)字工業(yè)攝影測量中，由于使用具有規(guī)則形狀的人工標志點，可在匹配之前對其像點進行精確定位，故影像匹配只需確定同名像點即可。目前常用的匹配算法可分為基于影像灰度分布的灰度匹配和基于點、線、面等特征的特征匹配“”，但這些算法都無法直接應(yīng)用于數(shù)字工業(yè)攝影測量，其原因有以下幾方面：（）

24、被測目標不連續(xù)，且目標普遍存在遮擋現(xiàn)象；（）像片比例尺大，攝站位置不規(guī)則，目標在不同影像上變形很大；（）像片是“準二值”圖像，除人工標志外，幾乎沒有背景信息。針對數(shù)字工業(yè)攝影測量的特點，很多研究者提出了不同的匹配方案“”“，其中研究較多的是基于核線約束條件的匹配。坐標系的定義攝影測量中使用的坐標系有很多種，定義方式也不盡相同。以下介紹論文用到的幾種坐標系以及不同坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換公式。論文使用的坐標系以圖為例，論文使用的坐標系主要有以下幾種：第頁信息工程大學碩士學位論文圖坐標系示意圖（）物方（空間）坐標系物方（空間）坐標系一弦是全局統(tǒng)一的坐標系（也稱全局坐標系），用來定義物方點的坐標（，），在

25、數(shù)字工業(yè)攝影測量中一般根據(jù)自動定向棒來確定。（）像平面坐標系像平面坐標系一馴用以表示像點在像平面上的位置。該坐標系的原點為像片的幾何中心，軸平行于像素的水平采樣方向，理想的成像系統(tǒng)中像平面坐標系的原點與像主點重合。（）像空間坐標系像空間坐標系一班用于表示像點在像方空間的位置。坐標系原點選在投影中心上，軸和），軸分別與像平面坐標系的軸和軸平行，這時軸就與攝影光軸重合了，則像點在像空間坐標系中的坐標為（，弘一門。（）攝影測量坐標系攝影測量坐標系是一種輔助性坐標系。當存在多個不同位置的像機（攝站）拍攝像片時，一般選取第一個攝站的像空間坐標系為攝影測量坐標系。不同坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換任意兩個空間直角坐標

26、系都可以通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放進行轉(zhuǎn)換。設(shè)空間坐標系一勉先平移（蜀，），再依次繞軸、旋轉(zhuǎn)后的軸和旋轉(zhuǎn)后的軸旋轉(zhuǎn)般、砂、心，最后縮放旯倍后，與坐標系一刁重合（圖），其實質(zhì)是三維等角仿射變換（或相似變換）。坐標轉(zhuǎn)換公式為第頁信息工程大學碩士學位論文兄一膨（）其中，肘為旋轉(zhuǎn)矩陣論文中旋轉(zhuǎn)矩陣采用戤瓦磊砂、島轉(zhuǎn)吃如島觚嗚島前表達式如一妙比膨，曼啪胍吼瞄妒吶彤一肌泡如瞄暈畿尼汜一瓜緲如舷血砂如觸也詈哪蛐一核線匹配基于核線約束條件的匹配方法很早就在雙目立體視覺測量和傳統(tǒng)攝影測量中應(yīng)用，但是由于利用兩幅影像上的核線進行匹配時，匹配的歧義性太大，一直制約著它的應(yīng)用。目前，基于多條核線約束的匹配方法逐步受到計算機

27、視覺和數(shù)字近景攝影測量界的重視。文獻“等都對該匹配方法進行了深入研究。核線原理由一臺或兩臺相機在不同位置（攝站）對同一物體進行拍攝，獲取被測目標的兩張不同角度像片，叫做立體像對（模型）船，在計算機視覺領(lǐng)域這一過程稱為雙目立體視覺“”。圖表示一個立體像對，物方點尸在像片和像片上的成像分別為和見，和見稱為相應(yīng)像點（，也稱同名像點）；物方點、投影中心和最三點共面，該平面稱為物方點的核面（）；核面與像平面的交線（和）稱為核線（）。顯然，相應(yīng)像點和見一定在相應(yīng)的核線和之上。信息工程大學碩士學位論文圖核線不意圖核線是攝影測量中的一個重要概念。在數(shù)字工業(yè)攝影測量中，當概略定向和像點定位完成后，就可以得到像點

28、在其它像片上的相應(yīng)核線，像點匹配范圍就由二維匹配轉(zhuǎn)化為一維匹配，匹配的速度和準確率就會大大提高。核線的計算根據(jù)核線原理知，如果已知某物方點在一張像片上的像點，則該像點在其它像片上的相應(yīng)像點一定在其相應(yīng)的核線上。如果已知像片定向參數(shù)的準確值或概略值，則相應(yīng)核線就可以計算出來?，F(xiàn)以三個攝站為例（圖），其中，、芝和島為各攝站鏡頭光學中心，、和厶為像平面，、和為像主點，。、”和”為物方點的相應(yīng)像點，：和為像點在厶和厶上的相應(yīng)核線。圖多攝站相應(yīng)核線示意圖第頁設(shè)攝站像空間坐標系中某一點坐標為（五，乃，互），其在攝站像空間坐標系中的坐標為（，），則有下式成立聊：弘償站像空間坐標系中的坐標，分別設(shè)為（硒：，碣

29、：，盔：）和（：，乃：，毛：）。，上式中，（趣，）為攝站在物方空間坐標系中的平移參數(shù)（，），和鴆分的坐標是已知值，分別為（，）和（五，一力。于是，根據(jù)上式，可以得到墨和在攝因為、和最三點共面（核面），在攝站像空間坐標系中，其平面方程可表示為：，必強厲（）而乃毛而在攝站像空間坐標系下，像平面厶的平面方程為：將（）式代入（）式中，即得到像點在像平面厶上的核線：的方程式：隆象卜誓卜睫凳，。乃五刪毛五將上式中的行列式值分別用七、乞、代替，則上式可簡寫為：毛一屯，一礦同理也可以得到像點在像平面厶上的核線屯的方程式。匹配方案核線匹配分兩步進行，第一步初始匹配，確定同名點的范圍；第二步精確匹配，確定唯一的同

30、名點。具體過程如下：（）初始匹配如圖所示，理論上像片、上的同名點應(yīng)該在相應(yīng)核線上。但是由于相機參數(shù)、攝站參數(shù)以及像點坐標都存在一定的誤差，所以在實際的測量當中同名點通常偏離核線一定的距離。因此我們給定一個閾值占（與初始參數(shù)的精度有關(guān)），將到核線的垂線距離小于占的所有像點都初步作為同名點處理，即島一（）群第頁（）如圖，圖中”、見、如、如和”、如、鰳即為初步找到的同名點。圖初始匹配結(jié)果（）精確匹配為了減少匹配的歧義性，確定在像片厶和厶上唯一的同名點，將像片厶上的所有初步同名點”、，、：、，按上述方法在像片上求出相應(yīng)的核線、如”，、，設(shè)分別與屯相交于點¨、見、見、見（如圖）。然后，找出”、

31、島。、見和”，、見。、揚、，兩組點間距離最小的兩點，則這兩個點在像片厶和厶上對應(yīng)的點就是上的，點的同名點。在圖中，最近的兩點為“，和”，其對應(yīng)的像點是厶上的”點和厶上的”，即圖精確匹配結(jié)果以上是基于三個攝站進行核線匹配，如果攝站多于個，可以按每相鄰個攝站為一組的方式將攝站進行分組匹配，最后將每組的匹配結(jié)果進行綜合即可得到最終結(jié)果。第頁基于空間前方交會的匹配核線匹配的理論基礎(chǔ)是同名像點一定在相應(yīng)的核線上，整個匹配過程都基于像平面處理。而眾所周知，成像過程是由三維空間向二維平面的投影，存在（深度）信息的丟失。因此，如果單純基于像方進行匹配其誤匹配率必然增大。如圖所示，同名像點磯、如對應(yīng)物方點為，像

32、點投影線與乳投影線相交于點尸，則像點、在像片厶上的核線毛、厶為同一直線，其投影線的深度信息無法體現(xiàn)。圖核線約束中的深度信息丟失為充分利用物方空間信息，彌補核線約束的不足，論文提出一種基于空間前方交會的匹配方法，用于改進匹配性能。核線原理的物方空間表述核線原理是基于不同像片的像平面的（像方空間），如果從物方空間的角度考慮，核線原理可以表述為：若不同像片上的兩個像點是同名像點，則其投影線必然在物方空間交于一點（圖（）。由于相機參數(shù)、攝站參數(shù)、像點坐標量測值都存在一定誤差，故同名像點的投影線一般不會嚴格相交，而是存在一個微小距離（圖（）。基于空間前方交會的匹配正是依據(jù)這一原理進行。第頁信息工程大學碩

33、士學位論文圖核線原理的物方空間表達同名像點投影線間最短距離如前所述，由于初始參數(shù)誤差影響，同名像點投影線、是見一般不會嚴格相交，而是存在一個距離。以下推導的計算公式協(xié)”。設(shè)像片、厶的旋轉(zhuǎn)矩陣分別為、鴆，則像點、在物方坐標系中的坐標分別腫剛割陴鴆臥倒一廠八魂令（）（）吼五昂五掘諷嘲，仍弘¨妒墻致（）則投影線墨、最方程分別為：叢：蘭塑：絲墨二絲：！，二墮：生壘吃（）根據(jù)異面直線間最短距離計算公式可得墨、是見間距離為：第頁信息工程大學碩士學位論文（一）空間前方交會基于共線條件方程式的近景攝影測量多片前方交會解法，是根據(jù)已知內(nèi)外方位元素的兩張或兩張以上像片，把待定點的像點坐標視作觀測值，以解

34、求其或然值并逐點解求待定點物方空間坐標的過程“”?？臻g前方交會是一個迭代求解的過程，其解算的原則是所有像點坐標觀測值的改正數(shù)平方和最小，即滿足最小二乘原理。而在匹配過程中，一方面，物方點坐標精度不要求太高；另一方面，如果迭代求解必然會大大增加計算量，甚至出現(xiàn)迭代不收斂的情況。因此，論文采用一種直接答解的空間前方交會算法，有別于傳統(tǒng)攝影測量中的方法。由共線條件方程一一蘿硒一乃（阻銣一礙一珥一硯一啊碣一函（）地取一珥盔記為（一）則物方點的坐標近似直可由式求似哆觸第頁信息工程大學碩士學位論文】，（）（彳三）（）當前方交會的像片多于張時，上式求解的物方點坐標較為精確，可滿足匹配的需要。但如果只有兩張像

35、片，且同名像點投影線間的夾角較小時，（雙片）前方交會答解的物方點坐標在投影線方向會有很大的誤差（圖），在匹配時這會直接導致誤匹配。此時可利用求解異面直線間最短距離處點坐標的方法答解物方點坐標啪。圖雙片前方交會如圖所示，若線段丑昱是投影線、是見間的最短公垂線，則墨的中點即為投影線和是仍的交點。以下推導點坐標的計算公式，首先計算最點坐標。首先，作過直線墨且平行于最仍的平面，其法向量為（所，櫛，力，如圖所示：圖過直線且平行于是見的平面及其法線向量第頁信息工程大學碩士學位論文由投影線墨、蔓的直線方程（一）和（）式）可得向量為：，（）聽歷礦十肚吼眨將行列式展開得：乞一吒胛吼一吼，（）【吼吒一吼然后，作過

36、直線且平行于向量的平面，其法線向量為否（，啊，），則直線島見與平面的交點即為點只，如圖所示：圖過且平行于彳的平面，及其法線向量則向量否為：叫懈啊吼一珊（）（）（）將投影線島易的方程蘭生：蘭蘭，量：互二塾：七（后為參數(shù)）黿吃第頁信息工程大學碩士學位論文代入平面的方程（）式）即可求得點只的坐標，此時的值為七：當！塹二墊±堡！翌！二垡±旦！芻二壟瑪啊，（）點只的坐標為五鋤趣奶扮（）【魂同理可得點只的坐標（五，），則由雙片前方交會求得投影線、是島交點的坐標為石（五五）】，（）【（）匹配方案（）基于前方交會的匹配是一個由粗到精的篩選過程。首先通過對投影線間距離的判斷尋找到一組初始匹配

37、像點；第二步，利用初始匹配像點逐一與目標像點進行雙片前方交會，確定一組潛在物方點，并將其按距離分組；第三步，對每一組潛在物方點剔除不滿足條件的像點；最后，通過判斷各組物方點對應(yīng)的像點數(shù)確定同名像點。為便于表述，將各閾值作如下標記：異面直線間最短距離閾值晶，初始匹配物方點間距離閾值島，像點殘差閾值島，合并同名物方點距離閾值矗，最小同名點數(shù)閾值。具體過程如下：（）給定、乞、島、毛和。對目標像點，逐一計算其它像片上所有像點投影線與脅投影線間最短距離碣，若匾蜀，則將該像點記為初始匹配像點，這樣便可以得到一組初始匹配像點（）。如圖所示，共找到個初始匹配像點（，）。第頁信息工程大學碩士學位論文圖初始匹配像

38、點（）對（）中每一像點，逐一與目標像點進行雙片前方交會，得到一組物方點（）。如圖所示，共得到個物方點只（，）。圖雙片前方交會信息工程大學碩士學位論文（）對（）中的物方點計算兩兩之間距離如，若吐乞，則將此兩物方點合并為同一物方點，相應(yīng)像點記為該物方點的同名像點。合并后該組物方點記為（）。如圖所示，物方點昱、只、只、異合并為，只、只、與、合并為。圖合并物方點（）對（）中的每一物方點，剔除屬于同一像片的像點。統(tǒng)計每一物方點的同名像點數(shù)療，若胛，則將該物方點刪除。剩余的一組物方點記為（）。如圖中，物方點對應(yīng)像點風、島同屬一張像片，應(yīng)將其剔除（圖（）。若最小同名點數(shù)閾值設(shè)為，則物方點丑、只應(yīng)剔除（同名點

39、數(shù)均為，圖（）圖剔除屬于同一像片的像點并作同名點數(shù)閾值判斷第頁信息工程大學碩士學位論文（）對（）中的每一物方點，按（一）式進行多片前方交會，計算物方點坐標。反求物方點在成像像片上的像點坐標，計算像點殘差盔，若西島，則將該像點剔除。統(tǒng)計每一物方點的同名像點數(shù)胛，若療，則將該物方點刪除。剩余的一組物方點記為¨（，如圖所示。圖多片前方交會及像點殘差閾值判斷（）若）中只有一個物方點，則其對應(yīng)像點即為一組同名像點。若”（）中有多個物方點，則選出對應(yīng)像點最多的物方點。若選出的像點最多的物方點不唯一，則該目標像點匹配失?。环駝t，該物方點對應(yīng)像點即為一組同名像點。如圖所示，若物方點對應(yīng)像點數(shù)為，對應(yīng)

40、像點數(shù)為，則對應(yīng)像點島、既、扔與目標像點風即為一組同名像點，為對應(yīng)物方點（圖（）；若、奶對應(yīng)像點數(shù)均為，則目標像點風匹配失?。▓D（）。（）若目標像點風匹配成功，則記錄下同名像點及相應(yīng)物方點坐標，并將及其同名像點從待匹配像點中刪除。對下一目標像點重復上述步驟。實際測量中的匹配過程上述匹配方案是針對一個目標像點進行的。在實際匹配過程中，為保證匹配速度和準確性，還應(yīng)注意以下問題：（）在實際測量中，使用的人工標志點數(shù)量（幾十幾千）和拍攝的像片數(shù)量（幾十幾百）都非常大，非同名像點投影線常相互交錯（如圖所示）。此時，若初始參數(shù)（主要是攝站參數(shù)）值不準確將直接導致誤匹配率急劇上升，甚至無法匹配。因此在匹第頁

41、信息工程大學碩士學位論文配過程中，一方面，應(yīng)先利用少數(shù)已匹配點進行光束法平差，以提高攝站參數(shù)精度：另一方面，應(yīng)優(yōu)先匹配同名像點數(shù)多的目標像點，即將最小同名點數(shù)閾值設(shè)為一個較大值。圖非同名像點投影線相互交錯（）由于物方閾值晶不能太大（否則初始匹配時將出現(xiàn)大量非同名像點造成干擾），常會出現(xiàn)同一物方點的相應(yīng)像點被匹配為多組同名像點的情況。如圖所示，在對目標像點進行匹配時，、實際是同一物方點，但在合并物方點時（匹配步驟（），由于其距離大于閾值而無法合并為同一點，從而只匹配到、仍、島、脅；而在后續(xù)的匹配中風、風、被匹配為另一組同名像點。針對這一問題，應(yīng)在所有目標像點匹配完成后利用匹配出的所有物方點進行一

42、次光束法平差，再對物方點兩兩計算其距離以，并與閾值毛進行比較，若以毛，則將其合并為同一點。圖同一物方點的相應(yīng)像點被匹配為多組 第頁信息工程大學碩士學位論文（）在匹配過程中，雖然經(jīng)過一次光束法平差后攝站參數(shù)精度有所提高，但畢竟參與平差的點數(shù)較少，其精度仍然有限，加之采用的多片空間前方交會是一種近似算法，使得物方點坐標誤差較大，從而導致在進行像點殘差閾值判斷時（匹配步驟），部分同名像點會因殘差較大而被剔除。針對這一問題，應(yīng)在利用所有物方點進行光束法平差后反求物方點在像片上的坐標，以尋找遺漏的像點。（）采用基于空間前方交會的匹配算法能有效減少誤匹配，但眾所周知，無論采用何種算法都無可避免地存在誤匹配

43、，因此，在匹配完成后必須對結(jié)果進行檢核。對于基于論文匹配算法的結(jié)果主要從兩方面進行檢核：圖形顯示和自檢校光束法平差。工業(yè)測量的測量目標多具有規(guī)則的幾何形狀（如直線、平面、拋物面、圓柱等），粘貼的人工標志點常呈規(guī)律性分布，故通過物方點坐標的圖形顯示可以方便地剔除誤匹配點。另外，由于受相機參數(shù)初值精度影響，誤匹配點的像點殘差可能較小，但經(jīng)過自檢校光束法平差后相機參數(shù)精度將大大提高，此時，誤匹配點的像點殘差將顯著增大，故可以將其作為粗差予以剔除。綜合上述考慮，基于空間前方交會的匹配的完整過程如下：（）設(shè)定閾值蜀、島、毛、幺、（若像片數(shù)大于，則令；否則，令）。按§所述步驟初步匹配出少量點，例

44、如，每張像片上匹配出個像點；（）利用匹配出的像點及其對應(yīng)物方點進行光束法平差，提高攝站參數(shù)精度；（）將已匹配的像點放回原像片作為待匹配像點，重新對所有像點進行匹配；（）再次利用匹配出的像點及其對應(yīng)物方點進行光束法平差；（）對每一物方點尋找其遺漏的相應(yīng)像點；（）令，對剩余的待匹配像點進行匹配；（）按物方閾值毛合并同名物方點。（）檢核誤匹配點。實驗及結(jié)果分析為驗證基于空間前方交會的匹配算法性能，分別采用兩組實測數(shù)據(jù)進行實驗，第一組為實驗室控制架數(shù)據(jù)，第二組為某直徑衛(wèi)星天線攝影測量數(shù)據(jù)。表為匹配結(jié)果統(tǒng)計。第頁信息工程大學碩士學位論文表匹配結(jié)果控制架測量中的匹配統(tǒng)計量源數(shù)據(jù)像片數(shù)目標點數(shù)像點數(shù)（）閾天

45、線測量中的匹配源數(shù)據(jù)匹配結(jié)果匹配結(jié)果（）（）（）值痢。余像點數(shù)耗時（）誤匹配點數(shù)表為匹配過程中各階段信息統(tǒng)計，圖為控制架測量匹配實驗中前張像片同名像點示意圖。表各匹配階段信息統(tǒng)計實驗統(tǒng)計量匹配出的初始匹配第一次平差第二次匹配第二次平差尋找剩余像點匹配合并同名物點控制架測量中的匹配像點數(shù)像點坐標殘差（聊）匹配出的物方點數(shù)耗時（）匹配出的像點數(shù)天線測量中的像點坐標殘差（）匹配出的物方點數(shù)匹配耗時（）第頁信息工程人學碩士學位論文圖控制架匹配實驗部分結(jié)果分析上述實驗結(jié)果可以看出：（）兩次實驗均達到了物方點的匹配，且沒有誤匹配點出現(xiàn)，證明基于空問前方交會的匹配算法具有很高的匹配率和非常低的誤匹配率；（）該匹配算法速度快，能滿足數(shù)字工業(yè)攝影測量數(shù)據(jù)現(xiàn)場處理的要求；（）利用已匹配點進行光束法平差耗時很少，但能有效改善攝站參數(shù)精度，從而提高匹配正確率。（）平差后的攝站參數(shù)和物方點坐標精度較高，能為自檢校光束法平差提供可靠的初值。本章小結(jié)本章主要對數(shù)字工業(yè)攝影測量中的人工標志點匹配算法進行了研究，主要工作如下：（）介紹了論文用到的坐標系定義和不同坐標間的坐標轉(zhuǎn)換公式。（）介紹了核線原理以及核線