基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用_圖文

1、河海大學(xué)碩士學(xué)位論文基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用攝影地 質(zhì)編錄信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)姓名:楊彪申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):攝影測(cè)量與遙感指導(dǎo)教師:李浩20040330摘要普通數(shù)碼影像(在本文中主要指采用普通非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)獲得的數(shù)碼影像的 出現(xiàn),解決了現(xiàn)場(chǎng)快速獲取影像的問(wèn)題,且降低了近景攝影測(cè)量作業(yè)對(duì)設(shè)備及技 能的要求,并使攝影測(cè)量過(guò)程成為全數(shù)字流程,但現(xiàn)有的對(duì)普通數(shù)字影像的量測(cè) 處理算法均是基于直接線(xiàn)性變換或光線(xiàn)束理論的,存在像控點(diǎn)要求多、分布要求 高、不適宜應(yīng)用的缺點(diǎn)。為了提高普通數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于數(shù)字近景攝影測(cè)量的適用 性和作業(yè)精度,本文對(duì)基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)、方法進(jìn)行了研究,

2、 具體包括以下幾個(gè)方面:1.試驗(yàn)和研究普通數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化可行性、量測(cè)化方法和量測(cè)化性能。其 中包括普通數(shù)碼影像畸變差的改正、數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素的檢定、數(shù)碼近 景攝影機(jī)的研制及外方位元素改正值的確定、普通數(shù)碼相機(jī)量測(cè)化性能評(píng) 價(jià):2.普通數(shù)碼影像的單像空問(wèn)后交算法研究及其精度評(píng)價(jià);3.普通數(shù)碼影像的立體測(cè)量方法研究,其中包括對(duì)普通數(shù)字影像的相對(duì)定向 方法、絕對(duì)定向方法、影像匹配方法的研究及其相應(yīng)精度的評(píng)價(jià);4.基于DSM的數(shù)字投影轉(zhuǎn)繪方法研究;研究及實(shí)驗(yàn)表明,論文所述的普通數(shù)碼相機(jī)量測(cè)化改造方法可行有效,研究 及改進(jìn)的適用于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量基本算法正確可靠,基于普通數(shù)碼 相機(jī)的量測(cè)化

3、作業(yè)方法可以在中等精度要求的工程中廣泛應(yīng)用。為將上述基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)方法研究成果應(yīng)用于實(shí)踐,本 文結(jié)合水利水電工程建設(shè)需求,論述了數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。 主要內(nèi)容包括:1.具有精度控制體系的快速攝影地質(zhì)編錄理論方法;2.數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄圖像處理算法及編錄算法;3.影像地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā);論文研究開(kāi)發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng),集成了數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)、 數(shù)字圖像處理技術(shù)和GIS技術(shù),已在龍灘等大型水電工程建設(shè)中得到初步應(yīng)用, 有望改變工程地質(zhì)編錄傳統(tǒng)落后的作業(yè)模式,為水利水電工程施工地質(zhì)編錄帶來(lái) 技術(shù)變革?！娟P(guān)鍵詞】:近景攝影測(cè)量;數(shù)碼相機(jī);數(shù)字圖像處理

4、;工程地質(zhì)編錄地理信息系統(tǒng)AbstractThe emergence of the ordinary digital images(which in this paper means the digital images acquired by common nonmetric digital cameras,resolved the the problem of acquiring images quickly on the spot,and lowered the requirement for equipments and skills in photogrammetry,so that

5、 made photogrammetry a whole digital process.But all current ways to the measurement of ordinary images are based on DLT or Bundles theory,which both require a lot of control points distributing properly,and are inapplicable.In order to increase the adaptability and accuracy of digital closerange ph

6、otogrammetry based on common digital c ameras,researches and experiments have been done on these methods in this papeL as following:1.the measurement and alteration ofordinary digital camera.It includes the correction oflens distortion ofdigital cameras,the computing ofcamera interior orientation pa

7、rameters and picturesexterior orientation parameters,and the evaluation ofits capability;2.the space resection and evaluation ofits accuracy;3,Researches on the stereophotogrammetry of digital images,which include relative orientation,absolute orientation,image matching and the evaluation of their a

8、ccuracies;4.the methods ofdigital projection based on DSM;Researches and experiments illustrated that the measurement and alteration of common digital camera is successful,Researches and improvements in basic algorithm Which is applicable to photogrammetry based on ordinary digital images is accurat

9、e and dependable,this photogrammetric techniques and methods based on ordinary digital images can be applied extensively in engineering which requests a moderate accuracy Aimed at the actual application of the researches on photogrammeMc techniques and methods based on ordinary digital images.this p

10、aper recounts the development of a Digital Image Geologic Logging Information System which has taken into consideration the requirement of the construction of hydroelectric project.Its principal content includes the following aspects:1.theories and methods ofphotogrammetric geologic logging with a a

11、ccuracy control system;2.digital image processing and logging algorithm in digital photogrammetric geologic logging;3the development ofa digital image geologic logging information system;The Digital lmage Geologic Logging Information System in this paper,which integrates digital c lose-range photogr

12、ammctry,digital image processing and GIS,has been applied in some large constructions of hydroelectric project such as LongTan hydroelectric engineering This system hopes to change traditional operation mode of geologic logging,and brings a new technique to replace the old ones in hydroelectric proj

13、ect【Key Words】:closerange photogrammetry:digital camera:digital image processing;Geologic Logging;GIS第一章緒論1.1論文研究及技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)背景1.1.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于數(shù)字影像與攝影測(cè)量的基本原理,應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、 影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法,提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信 息的攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科p J。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、 人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等學(xué)科的不斷發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的內(nèi)涵已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超

14、過(guò)了傳 統(tǒng)攝影測(cè)量的范圍。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于:它處理的原始信 息不僅可以是像片,更主要的是數(shù)字影像或數(shù)字化影像;它最終是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼的 立體測(cè)量,因而它所使用的儀器最終將只是通用計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)外部設(shè)備,工作站的發(fā)展為 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間:其產(chǎn)品是數(shù)字化形式的,傳統(tǒng)的產(chǎn)品只是該數(shù) 字產(chǎn)品的模擬輸出。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比,在測(cè)繪過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng) 化方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì),代表著當(dāng)代攝影測(cè)量發(fā)展的方向。但因量測(cè)用大像幅數(shù)字相機(jī)尚 未普及,故數(shù)字影像大多通過(guò)對(duì)光學(xué)影像的數(shù)字化獲取,這使目前數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的研究與應(yīng) 用集中在航測(cè)領(lǐng)域。

15、顯然,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)也將給近景攝影測(cè)量的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇,尤 其在實(shí)時(shí)測(cè)量、自動(dòng)控制、自動(dòng)繪圖方面更為突出。 .1.1.2普通數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用自1995年起,數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展可謂一日千里。數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)不但改變了人們長(zhǎng)達(dá)i00年來(lái)使用膠卷的攝影習(xí)慣,更是圖像處理正式踏入數(shù)碼化階段的里程碑。普通數(shù)碼相機(jī)的出 現(xiàn),一方面為把數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)引入非地形領(lǐng)域提供了有利條件岡,另一方面,用普通數(shù) 碼相機(jī)所獲得的數(shù)字影像(亦稱(chēng)普通數(shù)字影像不具備可控的精度和可量測(cè)性,限制了其在 測(cè)量中的應(yīng)用。特別是在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,由于精度要求,普通數(shù)碼相機(jī)的使用受到很大限制。 傳統(tǒng)的光學(xué)近景攝影機(jī)是量測(cè)相機(jī),相機(jī)內(nèi)方位是己知

16、的,構(gòu)像幾何精度高。因此,現(xiàn)有的 數(shù)字近景攝影測(cè)量一般仍采用傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)近景攝影機(jī)進(jìn)行作業(yè)。但近景攝影機(jī)價(jià)格昂貴,儀 器笨重,進(jìn)行外業(yè)拍攝時(shí)不方便,而且基于膠片攝影,需要經(jīng)過(guò)沖片、曬印等繁瑣的處理過(guò) 程。與此相比,非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)則有如下優(yōu)點(diǎn):(1、一般非量測(cè)相機(jī)是不能提供內(nèi)方位元素的,然而由于數(shù)碼相機(jī)是以數(shù)字方式存儲(chǔ)像片 的,對(duì)于每一張像片而言,像素點(diǎn)的數(shù)目及排列都是一定的,這就使得在微機(jī)上所量 測(cè)得到的像平面坐標(biāo)系參考點(diǎn)全都相同,精確度甚至超過(guò)了帶有框標(biāo)的普通相機(jī)。這 樣,在像片量測(cè)之前,實(shí)際上可以將x0、YO作為已知數(shù)據(jù)輸入。(2、軟片壓平誤差是普通量測(cè)相機(jī)的主要系統(tǒng)誤差之一。如果量測(cè)時(shí)采用

17、沖洗、放大的復(fù) 制片,像片變形誤差的影響將會(huì)更加顯著。而數(shù)碼相機(jī)攝影不需要底片,因此不存在 此項(xiàng)誤差。(:3、采用普通相機(jī),需要沖洗底片、放大像片。這樣不僅消耗人力物力,而且數(shù)據(jù)處理周 期較長(zhǎng),效率低,信息反饋慢,以致在許多_程中不能應(yīng)用。而數(shù)碼相機(jī)采用存儲(chǔ)卡 存儲(chǔ)影像,可直接與計(jì)算機(jī)連接,因而效率高,信息處理周期短,適用于工程監(jiān)測(cè)。 (4、由于數(shù)碼相機(jī)影像數(shù)據(jù)處理過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)直接從相機(jī)上讀取像片,在計(jì)算機(jī)上進(jìn) 行像片量測(cè)處理,自動(dòng)化程度高,可直接進(jìn)i數(shù)字化處理。(5全固體化,體積小,重量輕,適應(yīng)性強(qiáng),在環(huán)境復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行外業(yè)拍攝具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng) 靈活性。但是,普通數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化應(yīng)用存在以F

18、不足。首先,普通數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)方位元素是 未知的,其次影像存在較大的構(gòu)像畸變差,這使得普通數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于近景攝影測(cè)量時(shí)不甚 方便或達(dá)不到理想的精度。當(dāng)前,基于普通數(shù)字影像的量測(cè)算法主要是直接線(xiàn)性變換算法或 光線(xiàn)束算法,但這兩種算法在應(yīng)用時(shí)需布設(shè)較多的物方控制點(diǎn),且對(duì)控制點(diǎn)的空間分布要求 也較高,鑒于工程中復(fù)雜甚至惡劣的施工環(huán)境,往往難以得到實(shí)際應(yīng)用。因此,為提高基于 普通數(shù)碼相機(jī)攝影測(cè)量作業(yè)的適用性和精度,本文試驗(yàn)和研究了普通數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化可行 性、量測(cè)化方法和量測(cè)化性能,研究了適用于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量基本算法,并應(yīng) 用于攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。1.1.3地質(zhì)編錄技術(shù)施工地質(zhì)編

19、錄是水電工程建設(shè)設(shè)計(jì)中的極其重要一環(huán),其成果主要為工程施工設(shè)計(jì)、巖 體穩(wěn)定性分析、工程加固措施等多方面服務(wù)。傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄都是以地質(zhì)素描為主,依靠人 工野外現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),畫(huà)出地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn),量測(cè)其產(chǎn)狀8¨“】。這種作業(yè)方式工作量大、工作強(qiáng)度高、 受施工干擾大,且編錄的幾何精度低、信息反饋慢,同時(shí)編錄結(jié)果不易于統(tǒng)計(jì)分析和查詢(xún)。 此外,在高邊坡、洞室、豎井等處進(jìn)行地質(zhì)編錄有一定危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的手工作業(yè)方法已極不適 應(yīng)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的發(fā)展和信息化施工對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)信息快速響應(yīng)的需要。因此,探討快速、 高效、準(zhǔn)確并便于成果管理、查詢(xún)的地質(zhì)編錄方法,就成為該領(lǐng)域急待研究解決的重要課題。 目前趨于采用基于近景攝

20、影測(cè)量原理的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法。為此,許多學(xué)者和專(zhuān)家在這方面 也做出了努力,提出了基于數(shù)字影像的各種編錄方案或設(shè)想,但都沒(méi)有在編錄精度方面克服 普通數(shù)字影像量測(cè)性能差的缺點(diǎn)上有較大突破,特別是尚未能較好的結(jié)合GIs技術(shù),形成一 個(gè)較為完善的攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)。例如,有水電勘測(cè)部門(mén)對(duì)攝影地質(zhì)編錄方法進(jìn)行了多 年的研究,此項(xiàng)目亦被列為國(guó)家863項(xiàng)目,現(xiàn)已耗資達(dá)幾百萬(wàn)元,但由于技術(shù)難題,其目前 達(dá)到的水平還較低,僅僅在典型洞室、平直邊坡編錄中能生成正射展示影像,但對(duì)于較復(fù)雜 洞室攝影地質(zhì)編錄、非平面攝影地質(zhì)編錄等技術(shù)難點(diǎn)沒(méi)有提出解決方案,特別是尚未形成基于 影像的快速編錄方法和編錄信息的管理方法,針

21、對(duì)形形色色復(fù)雜的工程環(huán)境,必定難以在生 產(chǎn)中得到應(yīng)用。目前:也有些軟件公司為此付諸努力,但數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 不但要求開(kāi)發(fā)者具有較好的攝影測(cè)量、地質(zhì)、GIS專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ),而且,開(kāi)發(fā)必須非常緊密地與 工程實(shí)際情況相結(jié)合,力求解決工程建設(shè)中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題,所以,至今尚未成功地推出一 套攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)。1.1.4地理信息系統(tǒng)技術(shù)近年來(lái),地理信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速,其主要的原動(dòng)力來(lái)自日益廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ乩?信息系統(tǒng)不斷提出的要求。另外,計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展為地理信息系統(tǒng)提供了先進(jìn)的工具 和手段,許多計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù),如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、三維技術(shù)、圖像處理和人工智能技術(shù) 都可直接應(yīng)用到地理信息系

22、統(tǒng)中。隨著全球化、網(wǎng)絡(luò)化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,地理信息系統(tǒng) 的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的社會(huì)化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)c“。1.2本文研究的目的和意義本文的研究目的是:(1、為了將普通數(shù)碼相機(jī)更廣泛地引入近景攝影測(cè)量作業(yè)。本文研究了將普通數(shù)碼相機(jī)當(dāng) 作量測(cè)相機(jī)作業(yè)的近景攝影測(cè)量技術(shù)方法,即利用量測(cè)化的普通非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)(CCD 相機(jī)作為近景攝影機(jī)進(jìn)行拍攝,并試驗(yàn)和改進(jìn)了一系列算法來(lái)提高普通數(shù)字影像處 理的可靠性和精度,使之能在一定范圍代替量測(cè)相機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè),促進(jìn)近景攝影測(cè) 量技術(shù)在工程建沒(méi)中的應(yīng)用。(2、將數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)引入水電工程建設(shè)的施工地質(zhì)編錄中,將本文所研究的近景 攝影測(cè)量技術(shù)方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)作

23、業(yè),并對(duì)技術(shù)可行性進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)定;將該技術(shù) 與GIS技術(shù)集成,開(kāi)發(fā)數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng),改變傳統(tǒng)落后的地質(zhì)編錄作業(yè)模 式,全面提高地質(zhì)編錄的工作效率,實(shí)現(xiàn)編錄成果的信息化管理。研究意義是:在攝影測(cè)量理論基礎(chǔ)上,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量雖然發(fā)展迅速,但是基于普通數(shù)字影像的攝影測(cè) 量技術(shù)及應(yīng)用尚待深一步探討。而一些水利水電工程單位,對(duì)基于普通數(shù)字影像的數(shù)字?jǐn)z影 測(cè)量技術(shù)及其相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)品需求非常迫切。為了促進(jìn)普通數(shù)字影像在近景攝影測(cè)量領(lǐng)域的 應(yīng)用,促進(jìn)近景攝影測(cè)量技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用,本文結(jié)合“數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)” 的開(kāi)發(fā),研究了基于普通數(shù)字影像的攝影測(cè)量技術(shù)方法,其中包括對(duì)普通數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化

24、改造方法的試驗(yàn)研究、應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量理論方法處理普通數(shù)字影像、生成目標(biāo)正射影像展 示圖、立體像對(duì)定向及空間建模等關(guān)鍵技術(shù)研究;基于這些技術(shù)方法的數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信 息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),是為了適應(yīng)當(dāng)代大中型水電工程建設(shè)的需要,提高地質(zhì)編錄的內(nèi)業(yè)與外業(yè)工 作效率,促進(jìn)可變更設(shè)計(jì)與信息化施工等新技術(shù)的推廣和應(yīng)用?；谄胀〝?shù)字影像的近景攝 影測(cè)量技術(shù)的在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,將為水利水電工程施工地質(zhì)編錄方法帶來(lái)技術(shù)變革。1.3本文研究的主要內(nèi)容本文研究了基于普通數(shù)字影像的數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)方法,并理論聯(lián)系實(shí)際,結(jié)合數(shù) 字近景攝影測(cè)量在水電工程施工地質(zhì)編錄中的應(yīng)用,論述攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的ti3f.g與開(kāi) 發(fā)

25、,主要內(nèi)容歸納如下:1.3.1基于普通數(shù)字影像的近景攝影測(cè)量技術(shù)方法研究其中包括:數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化改造方法及其引入工程攝影測(cè)量中的應(yīng)用。其中包括普通數(shù)碼相機(jī) 構(gòu)像畸變系數(shù)的確定、內(nèi)方位元素的確定、數(shù)碼近景攝影機(jī)的研制、外方位元素改正 值的測(cè)定;普通數(shù)字影像的單像片空間后方交會(huì)方法:普通數(shù)字影像的立體測(cè)量方法;基于DSM的數(shù)字投影轉(zhuǎn)繪方法;1.3.2數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)其中包括:從軟件工程思想出發(fā),結(jié)合結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蠓椒?進(jìn)行系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模 塊設(shè)計(jì)、影像代碼設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)等;數(shù)據(jù)采集方式和作業(yè)模式的確定。研究采用像方控制模式獲取洞室影像和采用物方控 制模式獲

26、取邊坡、基坑影像的作業(yè)方法體系;研究數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄圖像處理算法,包括影像增強(qiáng)、影像糾正、影像鑲嵌。得到洞 室、邊坡、基坑的J下射影像鑲嵌展示圖;基于影像的地質(zhì)編錄方法體系。主要包括基于影像展示圖的編錄成果圖的生成,以及 通過(guò)F射影像量測(cè)法、立體像對(duì)量測(cè)法,計(jì)算以巖層走向、傾向和傾角等要素表示的 產(chǎn)狀: 研究模型的三維可視化技術(shù)。利用OpenGL:1具和VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造語(yǔ)言對(duì)程形態(tài)建立三維模型,實(shí)現(xiàn)了:i維立體可視化和編錄信息的三維奄洵分fri_;地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的管硝¨j商詢(xún)。將地質(zhì)編錄要崇分別存貯于圖像庫(kù)、罔形葷、屬性庫(kù),在空削數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)下,實(shí)現(xiàn)編錄信息的高效管理;Auto

27、CAD輔助制圖。在AutoCAD二次開(kāi)發(fā)環(huán)境下生成符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范和技術(shù)精度 要求的旌工地質(zhì)成果圖并可返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)存檔。研究?jī)?nèi)容包括以下原創(chuàng)點(diǎn):l、具有精度控制體系的快速攝影地質(zhì)編錄理論方法2、數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄圖像處理算法3、基于普通數(shù)碼相機(jī)的攝影經(jīng)緯儀的研制4、影像地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)還具有以下創(chuàng)新點(diǎn):1、數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化改造方法及引入工程攝影測(cè)量中應(yīng)用2、適應(yīng)普通數(shù)字影像的量測(cè)算法試驗(yàn)和改進(jìn)3、地質(zhì)編錄信息的自動(dòng)化管理與應(yīng)用1.4技術(shù)路線(xiàn)本文的研究以工程應(yīng)用為目的,研究成果以技術(shù)可行、工程安全和經(jīng)濟(jì)合理為前提,理 論、技術(shù)、方法緊密結(jié)合應(yīng)用和攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及工程實(shí)踐開(kāi)展。技術(shù)路

28、線(xiàn)如下: (1、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合近景攝影測(cè)量發(fā)展動(dòng)態(tài)和工程建設(shè)需求,以攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ),研究基于普通數(shù) 字影像的數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)方法,并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系建立室內(nèi)精密平面和三維控制場(chǎng), 經(jīng)過(guò)室內(nèi)反復(fù)實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)這些技術(shù)方法的可行性,分析其應(yīng)用范圍和應(yīng)用的價(jià)值。(2、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)攝影地質(zhì)編錄 信息系統(tǒng)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從軟件工程思想出發(fā),結(jié)合結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蠓椒?并深入分析工程應(yīng) 用的需求,進(jìn)行系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì),構(gòu)建系統(tǒng)框架,把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分成 7大模塊,分別為:洞室編錄、邊坡編錄、基坑編錄、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、成果AutoC

29、AD 環(huán)境輸出和系統(tǒng)幫助。每一個(gè)模塊保持一定的功能獨(dú)立性,各模塊在協(xié)同工作時(shí),通過(guò)相互 之間的接口完成實(shí)際的任務(wù)。其次進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)等,開(kāi)發(fā)利用Uaplnfo 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,以VB,VC+十為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái),集AutoCAD的VBA技術(shù)、Excel的VBA技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、COM組件技術(shù)、OPENGL技術(shù)、VRML等技術(shù)為一體,總體路線(xiàn)為: 以VB、VC+、DelPhi為開(kāi)發(fā)平臺(tái),開(kāi)發(fā)系統(tǒng)各部分公用控件、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)及其它模塊。 建立地質(zhì)編錄圖形、圖像、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。建立數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、維護(hù)、輸出系統(tǒng)。利用AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)VBA編程,開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的圖形、屬性

30、數(shù)據(jù)雙向查詢(xún)、輸出子系統(tǒng)。 以VC+為開(kāi)發(fā)平臺(tái),利用OPENGL技術(shù),開(kāi)發(fā)DTM地形數(shù)據(jù)三維顯示模塊。 開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)生成VRML代碼并顯示VRML三維場(chǎng)景的模塊,實(shí)現(xiàn)編錄對(duì)象的三維可視化查詢(xún)。 以VB作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),集成Maplnfo的開(kāi)發(fā)環(huán)境,整合系統(tǒng)。系統(tǒng)幫助制作。(3、調(diào)研與實(shí)踐研究緊密結(jié)合工程實(shí)際,本人先后遠(yuǎn)赴福建、廣西龍灘等多個(gè)水電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并采集數(shù) 據(jù),立足于龍灘水電工程,與專(zhuān)家和用戶(hù)多次討論,集思廣益,讓研究成果在實(shí)踐中得到客 觀評(píng)定,不斷完善系統(tǒng),致力于解決各種實(shí)際剛題,爭(zhēng)取讓本文研究的技術(shù)和開(kāi)發(fā)成果在實(shí) 際乍產(chǎn)作業(yè)中得到應(yīng)用和推廣,并轉(zhuǎn)化為實(shí)際型:產(chǎn)力。1.5相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介1.5.1

31、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作為攝影測(cè)量發(fā)展至今的最高階段口】,具有模擬或解析攝影測(cè)量技術(shù)所無(wú) 法比擬的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn):1、處理的原始信息來(lái)源廣泛;2、采用的投影方式為數(shù)字投影。即完全由計(jì)算機(jī)來(lái)建立坐標(biāo)量測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 和一系列計(jì)算;3、使用的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單,主要為計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)外部設(shè)備,計(jì)算方便、快捷;4、內(nèi)業(yè)處理自動(dòng)化程度高:5、最終產(chǎn)品是數(shù)字形式的,便于對(duì)其進(jìn)行編輯或其他操作。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理的原始信息主要的是數(shù)字影像,目前,得到數(shù)字影像常用的方法是對(duì) 專(zhuān)業(yè)光學(xué)攝影機(jī)拍攝的像片進(jìn)行掃描數(shù)字化。專(zhuān)業(yè)攝影機(jī)的影像具有明確的幾何位置關(guān)系, 但近景攝影機(jī)的影像采用航空膠片或干板記錄,因而使用不

32、便;普通膠片相機(jī)的數(shù)據(jù)采集方 法簡(jiǎn)便靈活,但無(wú)幾何控制,不易滿(mǎn)足工程監(jiān)測(cè)的精度要求。特別是,上述兩種方法均基于 膠片攝影,需要沖片、曬印,難以直接進(jìn)行工程應(yīng)用的的影像處理、機(jī)助識(shí)別、信息管理、 查詢(xún)和機(jī)助制圖。與此相比,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中,尤其在數(shù)字近景攝影測(cè)量領(lǐng)域,數(shù)碼相機(jī)表 現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。但非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)在使用前,要對(duì)其進(jìn)行一系列的改造,恢復(fù)攝影中心 與像片間的相對(duì)關(guān)系。為此,必須知曉相機(jī)的內(nèi)方位元素和各項(xiàng)構(gòu)像畸變改正系數(shù),使之成 為近景攝影機(jī)。1.5.2數(shù)字圖像處理技術(shù)由于數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)及其相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,近些年數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā) 展迅速。本文研究中采用三維圖像處理技術(shù)的投

33、影算法糾正原始影像,并將其投影到不同的 目標(biāo)面;通過(guò)對(duì)影像的構(gòu)像畸變校正、幾何糾正和鑲嵌,生成目標(biāo)展示影像;采用圖像增強(qiáng) 功能突出原始影像上地質(zhì)構(gòu)造要素的信息,增強(qiáng)目視判讀性;采用數(shù)字圖像匹配技術(shù)代替?zhèn)?統(tǒng)的人工觀測(cè)取點(diǎn),完成空間建模前期立體像對(duì)的量測(cè)工作,即完成在相對(duì)定向、絕對(duì)定向 和DSM原始數(shù)據(jù)采集中尋找同名像點(diǎn)的過(guò)程。1.5.3地理信息系統(tǒng)技術(shù)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System簡(jiǎn)稱(chēng)GIS是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新興技 術(shù),圍繞著這項(xiàng)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用形成了一門(mén)交叉性、邊緣性的學(xué)科,是管理和研究 空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下,它可以對(duì)空

34、間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn) 行各種處理、對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理、研究各種空間實(shí)體及相互關(guān)系。通過(guò)對(duì)多因素的綜合分析, 它可以迅速地獲取滿(mǎn)足應(yīng)用需要的信息,并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果口5l ¨“。地理信息系統(tǒng)的核心功能包括空間數(shù)據(jù)的輸入、管理、分析以及表現(xiàn),并且這些功能形 成了一個(gè)比較完全的數(shù)據(jù)處理流程。將GIS技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)集成,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù) 掘作為GIS的信息源,GIs作為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、表現(xiàn)、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析工具, 可以提取各種有用信息,以進(jìn)行決策支持。1.5.4AutoCAD VBA技術(shù)CAD技術(shù)赴存?zhèn)€復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)下,實(shí)現(xiàn)【程設(shè)計(jì)的理淪和廳陵、計(jì)

35、算分析、優(yōu)化、 繪圖等的相關(guān)技術(shù)。AutoCAD軟件提供廠強(qiáng)大的圖形設(shè)H功能。VBA(Visual Basic Application是AutoCAD應(yīng)用程序集成rI:發(fā)研、境,VBA開(kāi)發(fā)環(huán)境是個(gè)可視化丌發(fā)環(huán)境,它提供了高質(zhì)量的用戶(hù)化編程能力,能夠使得AutoCAD數(shù)據(jù)與其它應(yīng)用程序如Microsoft Office等軟件直接共享。本文所開(kāi)發(fā)的攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的輸出模塊之一,便是通過(guò) AutoCAD的VBA編程,對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次丌發(fā)的產(chǎn)品。1.5.5COM組件技術(shù)COM(Component Object Model,組件對(duì)象模型是Microsoft創(chuàng)建的一種二進(jìn)制和網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)準(zhǔn),是基

36、于組件的軟件解決方案的基礎(chǔ)。把一個(gè)龐大的應(yīng)用程序分成多個(gè)模塊,每一個(gè)模 塊保持一定的功能獨(dú)立性,在協(xié)同工作時(shí),通過(guò)相互之間的接口完成實(shí)際的任務(wù),這樣的模 塊又稱(chēng)為組件o”。COM組件技術(shù)指將復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)成一些小的、功能獨(dú)立的組件模塊, 組件之間可以跨進(jìn)程、跨機(jī)器、跨語(yǔ)言甚至跨操作平臺(tái)進(jìn)行通信。CoM既是規(guī)范又是實(shí)現(xiàn), 作為規(guī)范,它定義怎樣以一種獨(dú)立于語(yǔ)言和獨(dú)立于位置的方式調(diào)用對(duì)象,怎樣定位和標(biāo)識(shí)組 件,以及怎樣創(chuàng)建對(duì)象。作為實(shí)現(xiàn)(COM庫(kù)主要包含在0LE32.DLL和RPcSS.EXE中,它提供 了系統(tǒng)服務(wù),這些系統(tǒng)服務(wù)完成包括定位組件和將組件裝入內(nèi)存,執(zhí)行進(jìn)程通訊和遠(yuǎn)程通訊 等一些實(shí)際工作

37、。將本文研究和采用的數(shù)字近景攝影測(cè)量各種主要算法和圖像處理算法封裝 在COM組件中,通過(guò)集成,成為攝影地質(zhì)編錄信息系統(tǒng)的重要組成部分。1.5.6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality是當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn),首先應(yīng)用在軍事和航空領(lǐng) 域,在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化后,才被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展速度可以與電腦技術(shù) 的發(fā)展速度相比擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是三維可視化的主要應(yīng)用技術(shù),也將成為三維GIS的可視 化核心。虛擬現(xiàn)實(shí)的個(gè)重要目的是準(zhǔn)確地模擬和再現(xiàn)觀測(cè)物的三維景觀,以一種直接的、 易于理解的形式來(lái)表示三維信息。它是由計(jì)算機(jī)生成具有臨場(chǎng)感覺(jué)的環(huán)境,是一種全新的人 機(jī)交互系統(tǒng)。0penG

38、L被計(jì)算機(jī)工業(yè)界看作當(dāng)今最先進(jìn)的三維圖形應(yīng)用編程界面(API,目前它已成為 開(kāi)放式的國(guó)際圖形標(biāo)準(zhǔn),OrenGL應(yīng)用編程界面是圖形硬件的軟件界面,由約120個(gè)0penGL 命令函數(shù)組成。這些函數(shù)分別屬于基礎(chǔ)庫(kù)、實(shí)用庫(kù)和輔助庫(kù)。它提供了很強(qiáng)的繪制二維或三 維圖形的能力,包括基本圖元、造型、著色、光照、景深、陰影、混合、動(dòng)畫(huà)、明暗處理、 消隱、反走樣、紋理映射、圖像處理等功能。0penGL實(shí)質(zhì)上是一種多平臺(tái)、高性能的三維圖 形開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。程序員利用0penGL命令可以創(chuàng)建三維彩色圖形的交互式程序,并能控制計(jì)算機(jī) 圖形技術(shù)來(lái)產(chǎn)生真實(shí)感圖形、或利用富于想象力的方法產(chǎn)生虛構(gòu)的藝術(shù)創(chuàng)作。本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),

39、采用VC+為平臺(tái),開(kāi)發(fā)0penGL應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)攝影地質(zhì)編錄 三維數(shù)據(jù)的可視化。1.5.7OLE自動(dòng)化技術(shù)OLE(Object Linking and Emdedding,對(duì)象鏈接和嵌入是一個(gè)基于對(duì)象但不是面向?qū)ο?的服務(wù)環(huán)境,它把相關(guān)的一類(lèi)服務(wù)以接口的形式提供給用戶(hù),是一個(gè)服務(wù)可定制、結(jié)構(gòu)可擴(kuò) 展、旨在集成構(gòu)建的、基于對(duì)象的、統(tǒng)一的服務(wù)環(huán)境。OLE自動(dòng)化是在自己的應(yīng)用程序中控 制源文檔,支持OLE自動(dòng)化的應(yīng)用程序向其它應(yīng)用程序提供自己的對(duì)象。第二章普通數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化2.1數(shù)碼相機(jī)的量測(cè)化改造方法2.1.1數(shù)碼相機(jī)量測(cè)化改造的原因隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別等學(xué)科的不斷發(fā)展,

40、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量已發(fā) 展成為攝影測(cè)量的主流技術(shù)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的首要任務(wù)是獲取原始數(shù)字影像。數(shù)字影像獲取 方式一般分為二種:第一種是由量測(cè)攝影機(jī)或普通相機(jī)拍攝獲得像片后,用掃描儀將像片數(shù) 字化,再輸入計(jì)算機(jī)并對(duì)像片進(jìn)行變形改正得到數(shù)字影像:第二種是由CCD數(shù)碼相機(jī)直接獲 得數(shù)字影像,數(shù)字影像可直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。顯然第二種方法更簡(jiǎn)便,省去了攝影膠 片沖片、曬印、掃描數(shù)字化、變形改正等繁瑣的處理像片的過(guò)程。不僅如此,量測(cè)攝影機(jī)價(jià) 格昂貴,儀器笨重,外業(yè)拍攝時(shí)很不方便,與此相比,CCD數(shù)碼相機(jī)表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)。 但普通數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素是未知的,并且影像存在較大的物鏡構(gòu)像畸變差。普通數(shù)字影像的畸變

41、差影響了攝影目標(biāo)構(gòu)像的共線(xiàn)條件,導(dǎo)致許多攝影測(cè)量迭代算法不 收斂和計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確,是影響基于普通數(shù)字影像的攝影測(cè)量作業(yè)精度和可靠性的最主要原 因。針對(duì)這些情況,在目前數(shù)碼相機(jī)攝影測(cè)量應(yīng)用中,使用最廣的是直接線(xiàn)性變換方法。公 式如下(式2一1:。一芻墨±芻蘭±芻蘭±芻:oL9X+Llo】,+三IIZ+1v一LsX+L6Y+LTZ+L8:0。島X+LloY+厶lz+1(式2.1這種方法直接建立像平面坐標(biāo)與物方坐標(biāo)間的關(guān)系,攝影過(guò)程中的內(nèi)、外方位元素均包 含在11個(gè)系數(shù)中,不需要直接實(shí)驗(yàn)測(cè)出相機(jī)內(nèi)方位元素。但這種方法需布設(shè)較多的物方控制 點(diǎn),另外對(duì)控制點(diǎn)的空問(wèn)分布要求也

42、較高,鑒于工程中復(fù)雜甚至惡劣的施工環(huán)境,往往難以 得到實(shí)際應(yīng)用。因此,本文提出對(duì)數(shù)碼相機(jī)的可量測(cè)化改造,改造的主要目標(biāo)是使數(shù)字影像 具有可控的精度和可量測(cè)性。其主要內(nèi)容包括:1.量測(cè)化模型及參數(shù)解算方法,包括相機(jī)構(gòu)像畸變檢校、內(nèi)方位元素檢測(cè)和攝影經(jīng)緯儀 的外方位元素的改正數(shù)的確定。2.量測(cè)化改造的精度評(píng)價(jià)3.量測(cè)化參數(shù)穩(wěn)定性研究2.1.2數(shù)碼相機(jī)構(gòu)像畸變系數(shù)的確定數(shù)字影像處理是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù),數(shù)字影像的質(zhì)量直接決定了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的精度。尤其是對(duì) 于簿通CCD數(shù)碼相機(jī),對(duì)數(shù)字影像的各項(xiàng)誤蒡處理是必不可少的過(guò)稗。由于數(shù)碼相機(jī)在加1:、安裝過(guò)程 中都存在一+定的殘余誤差,這一殘差會(huì)引起構(gòu)像

43、畸變IS31陽(yáng)J。普通數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)光學(xué)攝影測(cè)鼙專(zhuān)業(yè)相機(jī) 相比,一個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)就是由相機(jī)自身引起的畸變差較人。*通數(shù)字影像的土要構(gòu)像誤差來(lái)自丁畸變 誤等,據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)反復(fù)統(tǒng)計(jì),普通數(shù)碼相機(jī)像幅為1800+1200左右像素的中等分辨率影像,其周邊的畸 變著一般達(dá)到了20.25個(gè)像元左右(對(duì)丁粹通相機(jī),鏡頭張角為40度左也,如果拍攝趼離為10米,拍攝 對(duì)象的實(shí)際誤差可達(dá)到10公分左矗,像幅為640t480像素的影像,其周邊的畸變籌股達(dá)劍r 1015個(gè) 像7c。¨J見(jiàn),畸變著是一項(xiàng)不可忽視的誤差源,影像的畸變校I J:臼然是數(shù)字圖像處理中必不可少的一個(gè)環(huán) 為J,段iF相機(jī)的構(gòu)像畸變差,

44、本文設(shè)計(jì)了新的算法.以避免像片方位厄糶和畸變校jr參數(shù)在整體解算時(shí)因相關(guān)性造成求解精度下降的不足。其原理如下:建立一個(gè)高精度的平面控 制網(wǎng),利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝;考慮到相機(jī)的像平面與控制網(wǎng)平面不能?chē)?yán)格平行,根據(jù) 控制點(diǎn)的物方坐標(biāo),利用投影變換計(jì)算出控制網(wǎng)中每個(gè)控制點(diǎn)的理論像片坐標(biāo)(無(wú)誤差的像 片坐標(biāo);將拍攝影像導(dǎo)入輸入計(jì)算機(jī),對(duì)控制點(diǎn)像片坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè):根據(jù)控制點(diǎn)的理論坐標(biāo) 與實(shí)際量測(cè)值的差值,采用合理的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行改正,以達(dá)到所有控制點(diǎn)的理論坐標(biāo)與 實(shí)際量測(cè)值的差值的平方和最小。處理步驟如下:2.121方格網(wǎng)的建立在平坦的墻面上設(shè)計(jì)如下方格網(wǎng):整個(gè)方格網(wǎng)10+16格,每格150mm+1

45、50mm,在方格上 布29個(gè)點(diǎn),以中一tl,點(diǎn)0(1350,1050為原點(diǎn),建立右手坐標(biāo)系,可得到每點(diǎn)的坐標(biāo)值。如圖 2一l所示:Y1723181314910821320X121l1617如 M 196圖2-1室內(nèi)控制場(chǎng)控制點(diǎn)分布示意圖2.1.22投影變換系數(shù)的計(jì)算對(duì)墻面進(jìn)行拍攝,由于拍攝時(shí)不能保證相機(jī)與墻面嚴(yán)格平行,這會(huì)引起像點(diǎn)構(gòu)像透視變 形。為獲得構(gòu)像畸變差,先將墻面上的格網(wǎng)點(diǎn)通過(guò)透視變換公式投影到成像平面上,其與相 應(yīng)格網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)像位置的差可認(rèn)為是物鏡構(gòu)像畸變差。透視變換公式為:經(jīng)變換后為 X:!蘭±12羔±!alx+a 8Y+1J,:旦j!±!§

46、;!±! (式22 aIx+a 8Y+I一口8Y一(a 7一y×(a 317/8X口8X一(口2一dIx×(a6一口8Y (式23 一口IY一(口7一r×(口2一口lX(a 2一口IXx(d 6一d 8Y一(a sdl J,×(口3一口8X設(shè)A=(a 4一X×(d 5一口lY一(a 7一Y×(口:一aIXB=(口2一alX×(17/6一口8r一(口54lY×(口3一口8XC=(a 4一Xx(d 6一a 8y一(a 7一Yx(a,一口3XD=(口5一dlY×(。,一a 8X一(口2一al,r

47、15;(口.,一asr由于要對(duì)像片坐標(biāo)進(jìn)行改正,所以以像片坐標(biāo)X,Y為觀測(cè)值,對(duì)(式2.3進(jìn)行線(xiàn)性化 一S一占【(x一“4×Y+(d 7一yx卜一×y×(3一口8一爿×(竺a sy】業(yè)二型二!墜!二!i! B o Oa 6a口,旦旦一-A x(al Y-a 5 03B 2c3y 一口【(Jd。】一A×【一(d,一a 8】知5B! (2一口lB da g 口2/×【_Y X(口2一alx+爿x(口5一dIy且2二【二墊二!墊二!:蘭!D 2D卜(。一y一C(d 5一aIy1C【(a】一d 8D (口3一a BXD缸 一c【一(d。一n。

48、r一=:一 Oa 2D 20x (6一8r旦!【二!二蘭!蘭:!二!M二!【二蘭!二!二!查D 2理論上,要用沒(méi)有構(gòu)像畸變差的控制點(diǎn)像片坐標(biāo)來(lái)反算8個(gè)投影變換系數(shù),但由于沒(méi)有 畸差的控制點(diǎn)像片坐標(biāo)不可得,又由于在像片中心附近的控制點(diǎn)的構(gòu)像畸變差比較小,可選 取格網(wǎng)上四個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn),因?yàn)閷?duì)稱(chēng)關(guān)系有利于抵消構(gòu)像畸變差對(duì)解算8個(gè)透視變換參數(shù)的影響。 同時(shí),對(duì)稱(chēng)點(diǎn)也不要選在太靠格網(wǎng)外圍的位置,因?yàn)殡x中心點(diǎn)越遠(yuǎn),其構(gòu)像畸變差也越大。 如圖2-1,可取9、lO、11、12號(hào)點(diǎn),求出8個(gè)投影變換系數(shù)的初始值【dl(o 目2(o a3(o 口4(o 口5(o 口6(o 7(o 口8(oJ列出線(xiàn)性化后的誤差方程式:

49、,+1、y=B XL 、n。 其中:B hf(x;上=l x,一,(x1llL求出8個(gè)投影變換系數(shù)的最4"-乘解,如(式25所示:r 肚竹 h(船25一 r 1f 1., L甄一j【q az q a4as ao島asJ2hq固0氣?；?quot;咆q 47oJ龜rqJ+爿12.1.23畸變系數(shù)求解根據(jù)求得的8個(gè)投影變換系數(shù),就可以確定控制場(chǎng)物方坐標(biāo)與像方坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即 利用這8個(gè)投影變換系數(shù),根據(jù)控制點(diǎn)的物力坐標(biāo),利用(式23便可計(jì)算出每個(gè)控制點(diǎn)的 像片一陋標(biāo)州淪值,控制點(diǎn)的理論像片坐標(biāo)與實(shí)際量測(cè)的像片坐柄;差值一、1+認(rèn)為是物鏡構(gòu) 像畸變差。根據(jù)畸變萎的特點(diǎn),即:(1、物鏡構(gòu)像

50、畸變有兩利t:徑向畸變?nèi)澓蚅J向畸變差【5“,侄向畸變位以像主點(diǎn)為中心 盤(pán) 旦慨 眠一眠饑一 墮吶盟%甄一弧饑一氓 %一眠砒一眠 眠一峨饑一毗 墮眠盟氓 墮咄盟鴨 %一眠秈一眠的輔射線(xiàn)上是對(duì)稱(chēng)型畸變,而切向畸變差是一種非對(duì)稱(chēng)型畸變。(2、距離像片中,fl,像元越近,構(gòu)像畸變差越小,誤差基本上關(guān)于中,fl,像元呈對(duì)稱(chēng)分布。 綜合上述構(gòu)像畸變差的特點(diǎn),采用如下數(shù)學(xué)模型對(duì)原始影像進(jìn)行畸變校正:Ax=(xxo(七l+七2r 2+七3,44-Pl(,2+2(xxo。+2p2(xXo(YYo,寸1、IAy;(YYo(七l+七2r 2+七3r44-P2(r 2+2(yYo2+2p1(xX0(yYo其中Ax,

51、Ay為像片坐標(biāo)改正值,Y。為像主點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo),r為像點(diǎn)的徑 向半徑,即為像片上像點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離r=0一Xo2+(_y一蜘2,kl,如,屯為徑向畸變系數(shù), 也稱(chēng)對(duì)稱(chēng)型畸變系數(shù),P,P,為非對(duì)稱(chēng)型畸變系數(shù)。利用任意三個(gè)控制點(diǎn)列出五個(gè)方程,計(jì)算畸變系數(shù)k.,k:,k,P。,P,的初始值,然后根據(jù) 所有點(diǎn)列出誤差方程式,求出k.,k,k,P.,P,的最小二乘解。2.1.2.4畸變系數(shù)的交替解算方法由于求畸變系數(shù)過(guò)程中,必須用到投影變換系數(shù),而投影變換系數(shù)的值是利用本身就帶 有畸變差的控制點(diǎn)像片坐標(biāo)反算,這會(huì)導(dǎo)致最小二乘平差所得到的畸變系數(shù)不準(zhǔn)確,所以, 求畸變系數(shù)的計(jì)算過(guò)程中必須采用畸變

52、系數(shù)的交替解算方法,即:(1、用方格網(wǎng)上4個(gè)以上點(diǎn)的物方及像方坐標(biāo)按式(2-2,計(jì)算8個(gè)投影變換系數(shù)。(2、利用這8個(gè)投影變換系數(shù)和5個(gè)以上方格網(wǎng)點(diǎn)的物方坐標(biāo),反算格網(wǎng)點(diǎn)的像方坐標(biāo),進(jìn)而求出其與量測(cè)的像片坐標(biāo)的差值c、y。(3、利用上述點(diǎn)的畸變差改正值血、y,進(jìn)行最小二乘平差,求出畸變系數(shù)。(4、利用畸變系數(shù)對(duì)步驟(1中所用點(diǎn)的像方坐標(biāo)進(jìn)行畸變改正,利用改正后的像方坐標(biāo)和已知的物方坐標(biāo)重新計(jì)算投影變換系數(shù),然后重復(fù)(2、(3步驟,直到像片坐標(biāo) 改正值的變化相對(duì)穩(wěn)定。表2.1為計(jì)算得到的三套畸變參數(shù)。相機(jī)型號(hào)像幅 Kj 船 K3PJ P2nji MX一29001800×1200.643

53、7E-037.610E-08-3.205E.143213E.071.008E.06FUJI MX一2900800×6001.483E.0249431E.07-1.2570E-12l 49lE一05l 648E.05Cannon 2272×17044.265E.034031E-08.9599E-15.1.502E-06-l 965E.06表2-I數(shù)碼相機(jī)畸變系數(shù)(洼:同一型號(hào)相機(jī)在采用不同像幅拍攝時(shí),其畸變系數(shù)也不同如圖2.2某一次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果所示,上述交替解算一般情況下都收斂,而且,經(jīng)多次試 驗(yàn)表明,畸變系數(shù)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。喲登彖蟊rz【1u。lS I:jE 2005;O 3

54、5IO蚌,0稿BO 6;1口"/5=譚蚪":削2-2畸變系數(shù)迭代汁笄收斂結(jié)累u_U 耄|戳 一求出七l,女:,女,n,p:五個(gè)畸變系數(shù)后,就可以對(duì)原始影像進(jìn)行畸變校J下,如圖2-3所示, 利用(式2-6可對(duì)影像上任一像點(diǎn)(x,y計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)改正值血、妙,x+缸、y+妙就 是經(jīng)畸變差改正后的像點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)畸變校正后的影像坐標(biāo)對(duì)原始影像所有像素重排,經(jīng)過(guò) 重采樣,生成校F后的影像(如圖2-4.。 圖2.3原始影像 圖2,4畸變校正后影像2.1.3數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素的測(cè)定 .2.131三維控制場(chǎng)的建立在利用單張像片進(jìn)行空間后方交會(huì)解算相機(jī)內(nèi)方位元素時(shí),需用到空間分布合理的高精 度

55、的物方控制點(diǎn)的坐標(biāo),因此需建立一個(gè)高精度而穩(wěn)定的三維控制場(chǎng),用以鑒定相機(jī)的內(nèi)方 位元素及研究近景攝影測(cè)量的精度?？刂茍?chǎng)的建立要求:(1分三層分布,每層點(diǎn)的分布要 考慮對(duì)稱(chēng)性,并保證控制場(chǎng)前方一定位置能看到所有的控制點(diǎn):(2控制點(diǎn)數(shù)要達(dá)到一定的 數(shù)目;(3控制點(diǎn)必須穩(wěn)定、清晰;(4控制場(chǎng)的長(zhǎng)、寬、高適合拍攝成像。本系統(tǒng)研究中 建立的控制場(chǎng)如圖2.5所示。 幽2-5室內(nèi)=維控制場(chǎng)為了得到控制點(diǎn)的物方坐標(biāo),利用在控制場(chǎng)前方同時(shí)架設(shè)的兩臺(tái)經(jīng)緯儀觀測(cè)所何控制點(diǎn) 經(jīng)緯儀】i:與變會(huì)和:j角高程法獲得備點(diǎn)坐|可i。公式如下(以p點(diǎn)為例:I Xp 2l-dsinfl sin(90一a/sin(180一口一rp

56、=,dsinflcos(90一口/sin(180一t2"一 (式27I印=卻2+昂2tgr式中f為基線(xiàn)規(guī)化系數(shù),d,盧分別為兩測(cè)站觀測(cè)同一點(diǎn)的方向角,y為P點(diǎn)的豎直角,d為兩 測(cè)站間的距離。由兩點(diǎn)法前方交會(huì)精度公式及本次檢測(cè)的實(shí)際情況(兩測(cè)站是已知的可知P點(diǎn)的量測(cè) 精度為:Mp=±Mr a2+b2/(sinrp (式2_8其中a,b分別為兩測(cè)站到P點(diǎn)的距離,r為p點(diǎn)交會(huì)夾角,Mr為測(cè)角中誤差,Up為P點(diǎn)的 點(diǎn)位中誤差。因?yàn)椴捎玫腡2經(jīng)緯儀方向中誤差(基線(xiàn)方向?yàn)?#177;24,所以Mr=垃2”?；€(xiàn)長(zhǎng)度精度為0.1mm,再由所有控制點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的平均值,計(jì)算得到坳=O.3mm

57、。即控 制場(chǎng)的平面點(diǎn)位精度為0.3mm,這為內(nèi)方位元素的測(cè)定精度提供了保障。2.1.3.2內(nèi)方位元素的解算首先利用以上求得的畸變系數(shù)對(duì)量測(cè)得到的三維控制場(chǎng)各控制點(diǎn)的像方坐標(biāo)進(jìn)行構(gòu)像畸 變差改正,然后根據(jù)構(gòu)像共線(xiàn)方程l。一,0=-廠 lYyO=-f .a . .1. .(. .X . .-. .X . ,.s . . . .+. .b . .j . .(. .Y . .-. .Y . .s . . . .+. .c . ., . .(. .Z . .-. .Z . .s a口3,(Xx-一X船s+b63,(Yy-一Y糊s+cc3,(Zz-一Z壓s (式2.9 口2(X一.婦+62fyy+c2(zZ, 、。77口3(xXs+b3(YYs+c3(ZZs1Vy=呸p船+嗚2yn嘎西+嗎卻+呸5+呸舡+嗚礦+嗎p%+呸輒一ly。武小lu由測(cè)量平差理論可知,未知數(shù)的精度可表示為M,=M。Q。M。為觀測(cè)值單位權(quán)中誤JM,=0.7×43.689=1.3(像元Mx。=0.7×9.339=2.1(像元I“.=o.7x11248=23(像元2.1.3.4內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性為了防止數(shù)碼相機(jī)在每次使用時(shí)產(chǎn)生不同的內(nèi)方位元素,固定調(diào)焦距,并在實(shí)驗(yàn)中多次 重復(fù),測(cè)出每次的內(nèi)方位元素。經(jīng)過(guò)多次比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)方位比較穩(wěn)定,其圖像能 夠進(jìn)行量測(cè)。