基于普通数字影像的近景摄影测量技术研究与应用_图文

1、河海大学硕士学位论文基于普通数字影像的近景摄影测量技术研究与应用摄影地 质编录信息系统开发姓名:杨彪申请学位级别:硕士专业:摄影测量与遥感指导教师:李浩20040330摘要普通数码影像(在本文中主要指采用普通非量测数码相机获得的数码影像的 出现,解决了现场快速获取影像的问题,且降低了近景摄影测量作业对设备及技 能的要求,并使摄影测量过程成为全数字流程,但现有的对普通数字影像的量测 处理算法均是基于直接线性变换或光线束理论的,存在像控点要求多、分布要求 高、不适宜应用的缺点。为了提高普通数码相机应用于数字近景摄影测量的适用 性和作业精度,本文对基于普通数字影像的近景摄影测量技术、方法进行了研究,

2、 具体包括以下几个方面:1.试验和研究普通数码相机的量测化可行性、量测化方法和量测化性能。其 中包括普通数码影像畸变差的改正、数码相机内方位元素的检定、数码近 景摄影机的研制及外方位元素改正值的确定、普通数码相机量测化性能评 价:2.普通数码影像的单像空问后交算法研究及其精度评价;3.普通数码影像的立体测量方法研究,其中包括对普通数字影像的相对定向 方法、绝对定向方法、影像匹配方法的研究及其相应精度的评价;4.基于DSM的数字投影转绘方法研究;研究及实验表明,论文所述的普通数码相机量测化改造方法可行有效,研究 及改进的适用于普通数字影像的近景摄影测量基本算法正确可靠,基于普通数码 相机的量测化

3、作业方法可以在中等精度要求的工程中广泛应用。为将上述基于普通数字影像的近景摄影测量技术方法研究成果应用于实践,本 文结合水利水电工程建设需求,论述了数字摄影地质编录信息系统的研究开发。 主要内容包括:1.具有精度控制体系的快速摄影地质编录理论方法;2.数字摄影地质编录图像处理算法及编录算法;3.影像地质编录信息系统设计开发;论文研究开发的数字摄影地质编录信息系统,集成了数字近景摄影测量技术、 数字图像处理技术和GIS技术,已在龙滩等大型水电工程建设中得到初步应用, 有望改变工程地质编录传统落后的作业模式,为水利水电工程施工地质编录带来 技术变革。【关键词】:近景摄影测量;数码相机;数字图像处理

4、;工程地质编录地理信息系统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第一章绪论1.1论文研究及技术应用开发背景1.1.1数字摄影测量技术的发展数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、 影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法,提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信 息的摄影测量学的分支学科p J。随着计算机技术及其应用的发展、数字图像处理、模式识别、 人工智能专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展,数字摄影测量的内涵已远远超

14、过了传 统摄影测量的范围。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于:它处理的原始信 息不仅可以是像片,更主要的是数字影像或数字化影像;它最终是以计算机视觉代替人眼的 立体测量,因而它所使用的仪器最终将只是通用计算机及其相应外部设备,工作站的发展为 数字摄影测量的发展提供了广阔的发展空间:其产品是数字化形式的,传统的产品只是该数 字产品的模拟输出。数字摄影测量与传统的摄影测量技术相比,在测绘过程的数字化、自动 化方面表现出了巨大优势,代表着当代摄影测量发展的方向。但因量测用大像幅数字相机尚 未普及,故数字影像大多通过对光学影像的数字化获取,这使目前数字摄影测量的研究与应 用集中在航测领域。

15、显然,数字摄影测量技术也将给近景摄影测量的发展带来新的机遇,尤 其在实时测量、自动控制、自动绘图方面更为突出。 .1.1.2普通数码相机的应用自1995年起,数码相机的发展可谓一日千里。数码相机的出现不但改变了人们长达i00年来使用胶卷的摄影习惯,更是图像处理正式踏入数码化阶段的里程碑。普通数码相机的出 现,一方面为把数字摄影测量技术引入非地形领域提供了有利条件冈,另一方面,用普通数 码相机所获得的数字影像(亦称普通数字影像不具备可控的精度和可量测性,限制了其在 测量中的应用。特别是在工程监测领域,由于精度要求,普通数码相机的使用受到很大限制。 传统的光学近景摄影机是量测相机,相机内方位是己知

16、的,构像几何精度高。因此,现有的 数字近景摄影测量一般仍采用传统的专业近景摄影机进行作业。但近景摄影机价格昂贵,仪 器笨重,进行外业拍摄时不方便,而且基于胶片摄影,需要经过冲片、晒印等繁琐的处理过 程。与此相比,非量测数码相机则有如下优点:(1、一般非量测相机是不能提供内方位元素的,然而由于数码相机是以数字方式存储像片 的,对于每一张像片而言,像素点的数目及排列都是一定的,这就使得在微机上所量 测得到的像平面坐标系参考点全都相同,精确度甚至超过了带有框标的普通相机。这 样,在像片量测之前,实际上可以将x0、YO作为已知数据输入。(2、软片压平误差是普通量测相机的主要系统误差之一。如果量测时采用

17、冲洗、放大的复 制片,像片变形误差的影响将会更加显著。而数码相机摄影不需要底片,因此不存在 此项误差。(:3、采用普通相机,需要冲洗底片、放大像片。这样不仅消耗人力物力,而且数据处理周 期较长,效率低,信息反馈慢,以致在许多_程中不能应用。而数码相机采用存储卡 存储影像,可直接与计算机连接,因而效率高,信息处理周期短,适用于工程监测。 (4、由于数码相机影像数据处理过程是通过计算机直接从相机上读取像片,在计算机上进 行像片量测处理,自动化程度高,可直接进i数字化处理。(5全固体化,体积小,重量轻,适应性强,在环境复杂地区进行外业拍摄具有很强的机动 灵活性。但是,普通数码相机的量测化应用存在以F

18、不足。首先,普通数码相机的内方位元素是 未知的,其次影像存在较大的构像畸变差,这使得普通数码相机应用于近景摄影测量时不甚 方便或达不到理想的精度。当前,基于普通数字影像的量测算法主要是直接线性变换算法或 光线束算法,但这两种算法在应用时需布设较多的物方控制点,且对控制点的空间分布要求 也较高,鉴于工程中复杂甚至恶劣的施工环境,往往难以得到实际应用。因此,为提高基于 普通数码相机摄影测量作业的适用性和精度,本文试验和研究了普通数码相机的量测化可行 性、量测化方法和量测化性能,研究了适用于普通数字影像的近景摄影测量基本算法,并应 用于摄影地质编录信息系统的研究开发。1.1.3地质编录技术施工地质编

19、录是水电工程建设设计中的极其重要一环,其成果主要为工程施工设计、岩 体稳定性分析、工程加固措施等多方面服务。传统的地质编录都是以地质素描为主,依靠人 工野外现场勘测,画出地质构造线,量测其产状8¨“】。这种作业方式工作量大、工作强度高、 受施工干扰大,且编录的几何精度低、信息反馈慢,同时编录结果不易于统计分析和查询。 此外,在高边坡、洞室、竖井等处进行地质编录有一定危险。传统的手工作业方法已极不适 应现实生产力的发展和信息化施工对施工现场地质信息快速响应的需要。因此,探讨快速、 高效、准确并便于成果管理、查询的地质编录方法,就成为该领域急待研究解决的重要课题。 目前趋于采用基于近景摄

20、影测量原理的数字摄影测量方法。为此,许多学者和专家在这方面 也做出了努力,提出了基于数字影像的各种编录方案或设想,但都没有在编录精度方面克服 普通数字影像量测性能差的缺点上有较大突破,特别是尚未能较好的结合GIs技术,形成一 个较为完善的摄影地质编录信息系统。例如,有水电勘测部门对摄影地质编录方法进行了多 年的研究,此项目亦被列为国家863项目,现已耗资达几百万元,但由于技术难题,其目前 达到的水平还较低,仅仅在典型洞室、平直边坡编录中能生成正射展示影像,但对于较复杂 洞室摄影地质编录、非平面摄影地质编录等技术难点没有提出解决方案,特别是尚未形成基于 影像的快速编录方法和编录信息的管理方法,针

21、对形形色色复杂的工程环境,必定难以在生 产中得到应用。目前:也有些软件公司为此付诸努力,但数字摄影地质编录信息系统的开发 不但要求开发者具有较好的摄影测量、地质、GIS专业基础,而且,开发必须非常紧密地与 工程实际情况相结合,力求解决工程建设中出现的诸多问题,所以,至今尚未成功地推出一 套摄影地质编录系统。1.1.4地理信息系统技术近年来,地理信息系统技术发展迅速,其主要的原动力来自日益广泛的应用领域对地理 信息系统不断提出的要求。另外,计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具 和手段,许多计算机领域的新技术,如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术 都可直接应用到地理信息系

22、统中。随着全球化、网络化和知识经济蓬勃发展,地理信息系统 的产业化和应用的社会化是其发展的必然趋势c“。1.2本文研究的目的和意义本文的研究目的是:(1、为了将普通数码相机更广泛地引入近景摄影测量作业。本文研究了将普通数码相机当 作量测相机作业的近景摄影测量技术方法,即利用量测化的普通非量测数码相机(CCD 相机作为近景摄影机进行拍摄,并试验和改进了一系列算法来提高普通数字影像处 理的可靠性和精度,使之能在一定范围代替量测相机进行生产作业,促进近景摄影测 量技术在工程建没中的应用。(2、将数字近景摄影测量技术引入水电工程建设的施工地质编录中,将本文所研究的近景 摄影测量技术方法应用于实际生产作

23、业,并对技术可行性进行检验和评定;将该技术 与GIS技术集成,开发数字摄影地质编录信息系统,改变传统落后的地质编录作业模 式,全面提高地质编录的工作效率,实现编录成果的信息化管理。研究意义是:在摄影测量理论基础上,数字摄影测量虽然发展迅速,但是基于普通数字影像的摄影测 量技术及应用尚待深一步探讨。而一些水利水电工程单位,对基于普通数字影像的数字摄影 测量技术及其相应的技术产品需求非常迫切。为了促进普通数字影像在近景摄影测量领域的 应用,促进近景摄影测量技术在工程建设中的应用,本文结合“数字摄影地质编录信息系统” 的开发,研究了基于普通数字影像的摄影测量技术方法,其中包括对普通数码相机的量测化

24、改造方法的试验研究、应用数字摄影测量理论方法处理普通数字影像、生成目标正射影像展 示图、立体像对定向及空间建模等关键技术研究;基于这些技术方法的数字摄影地质编录信 息系统的开发,是为了适应当代大中型水电工程建设的需要,提高地质编录的内业与外业工 作效率,促进可变更设计与信息化施工等新技术的推广和应用。基于普通数字影像的近景摄 影测量技术的在该领域的广泛应用,将为水利水电工程施工地质编录方法带来技术变革。1.3本文研究的主要内容本文研究了基于普通数字影像的数字近景摄影测量技术方法,并理论联系实际,结合数 字近景摄影测量在水电工程施工地质编录中的应用,论述摄影地质编录信息系统的ti3f.g与开 发

25、,主要内容归纳如下:1.3.1基于普通数字影像的近景摄影测量技术方法研究其中包括:数码相机的量测化改造方法及其引入工程摄影测量中的应用。其中包括普通数码相机 构像畸变系数的确定、内方位元素的确定、数码近景摄影机的研制、外方位元素改正 值的测定;普通数字影像的单像片空间后方交会方法:普通数字影像的立体测量方法;基于DSM的数字投影转绘方法;1.3.2数字摄影地质编录信息系统研究与开发其中包括:从软件工程思想出发,结合结构化和面向对象方法,进行系统总体结构设计、功能模 块设计、影像代码设计、数据库设计、界面设计等;数据采集方式和作业模式的确定。研究采用像方控制模式获取洞室影像和采用物方控 制模式获

26、取边坡、基坑影像的作业方法体系;研究数字摄影地质编录图像处理算法,包括影像增强、影像纠正、影像镶嵌。得到洞 室、边坡、基坑的J下射影像镶嵌展示图;基于影像的地质编录方法体系。主要包括基于影像展示图的编录成果图的生成,以及 通过F射影像量测法、立体像对量测法,计算以岩层走向、倾向和倾角等要素表示的 产状: 研究模型的三维可视化技术。利用OpenGL:1具和VRML(虚拟现实构造语言对程形态建立三维模型,实现了:i维立体可视化和编录信息的三维奄洵分fri_;地质编录数据的管硝¨j商询。将地质编录要崇分别存贮于图像库、罔形荤、属性库,在空削数据库管理系统下,实现编录信息的高效管理;Auto

27、CAD辅助制图。在AutoCAD二次开发环境下生成符合相关规程规范和技术精度 要求的旌工地质成果图并可返回数据库存档。研究内容包括以下原创点:l、具有精度控制体系的快速摄影地质编录理论方法2、数字摄影地质编录图像处理算法3、基于普通数码相机的摄影经纬仪的研制4、影像地质编录信息系统设计开发还具有以下创新点:1、数码相机的量测化改造方法及引入工程摄影测量中应用2、适应普通数字影像的量测算法试验和改进3、地质编录信息的自动化管理与应用1.4技术路线本文的研究以工程应用为目的,研究成果以技术可行、工程安全和经济合理为前提,理 论、技术、方法紧密结合应用和摄影地质编录信息系统开发及工程实践开展。技术路

28、线如下: (1、理论与实验结合近景摄影测量发展动态和工程建设需求,以摄影测量理论为基础,研究基于普通数 字影像的数字近景摄影测量技术方法,并构建实验体系建立室内精密平面和三维控制场, 经过室内反复实验,检验这些技术方法的可行性,分析其应用范围和应用的价值。(2、系统开发综合利用数字摄影测量技术、数字图像处理技术和地理信息系统技术开发摄影地质编录 信息系统。系统开发从软件工程思想出发,结合结构化和面向对象方法,并深入分析工程应 用的需求,进行系统总体结构设计、功能模块设计,构建系统框架,把一个复杂的系统分成 7大模块,分别为:洞室编录、边坡编录、基坑编录、系统维护、系统数据库查询、成果AutoC

29、AD 环境输出和系统帮助。每一个模块保持一定的功能独立性,各模块在协同工作时,通过相互 之间的接口完成实际的任务。其次进行数据库设计、代码设计、界面设计等,开发利用Uaplnfo 的集成开发环境,以VB,VC+十为主要开发平台,集AutoCAD的VBA技术、Excel的VBA技术、 数据库技术、COM组件技术、OPENGL技术、VRML等技术为一体,总体路线为: 以VB、VC+、DelPhi为开发平台,开发系统各部分公用控件、动态链接库及其它模块。 建立地质编录图形、图像、属性数据库。建立数据库服务器。开发数据库查询、维护、输出系统。利用AutoCAD的二次开发VBA编程,开发系统的图形、属性

30、数据双向查询、输出子系统。 以VC+为开发平台,利用OPENGL技术,开发DTM地形数据三维显示模块。 开发动态生成VRML代码并显示VRML三维场景的模块,实现编录对象的三维可视化查询。 以VB作为开发平台,集成Maplnfo的开发环境,整合系统。系统帮助制作。(3、调研与实践研究紧密结合工程实际,本人先后远赴福建、广西龙滩等多个水电站现场调研并采集数 据,立足于龙滩水电工程,与专家和用户多次讨论,集思广益,让研究成果在实践中得到客 观评定,不断完善系统,致力于解决各种实际刚题,争取让本文研究的技术和开发成果在实 际乍产作业中得到应用和推广,并转化为实际型:产力。1.5相关技术简介1.5.1

31、数字摄影测量技术数字摄影测量作为摄影测量发展至今的最高阶段口】,具有模拟或解析摄影测量技术所无 法比拟的优势和特点:1、处理的原始信息来源广泛;2、采用的投影方式为数字投影。即完全由计算机来建立坐标量测系统,并进行坐标转换 和一系列计算;3、使用的仪器设备简单,主要为计算机及其相应外部设备,计算方便、快捷;4、内业处理自动化程度高:5、最终产品是数字形式的,便于对其进行编辑或其他操作。数字摄影测量处理的原始信息主要的是数字影像,目前,得到数字影像常用的方法是对 专业光学摄影机拍摄的像片进行扫描数字化。专业摄影机的影像具有明确的几何位置关系, 但近景摄影机的影像采用航空胶片或干板记录,因而使用不

32、便;普通胶片相机的数据采集方 法简便灵活,但无几何控制,不易满足工程监测的精度要求。特别是,上述两种方法均基于 胶片摄影,需要冲片、晒印,难以直接进行工程应用的的影像处理、机助识别、信息管理、 查询和机助制图。与此相比,数字摄影测量中,尤其在数字近景摄影测量领域,数码相机表 现出了巨大的优势。但非量测数码相机在使用前,要对其进行一系列的改造,恢复摄影中心 与像片间的相对关系。为此,必须知晓相机的内方位元素和各项构像畸变改正系数,使之成 为近景摄影机。1.5.2数字图像处理技术由于数字计算机技术及其相应的信号处理技术的飞速发展,近些年数字图像处理技术发 展迅速。本文研究中采用三维图像处理技术的投

33、影算法纠正原始影像,并将其投影到不同的 目标面;通过对影像的构像畸变校正、几何纠正和镶嵌,生成目标展示影像;采用图像增强 功能突出原始影像上地质构造要素的信息,增强目视判读性;采用数字图像匹配技术代替传 统的人工观测取点,完成空间建模前期立体像对的量测工作,即完成在相对定向、绝对定向 和DSM原始数据采集中寻找同名像点的过程。1.5.3地理信息系统技术地理信息系统(Geographic Information System简称GIS是一项以计算机为基础的新兴技 术,围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科,是管理和研究 空间数据的技术系统,在计算机软硬件支持下,它可以对空

34、间数据按地理坐标或空间位置进 行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合分析, 它可以迅速地获取满足应用需要的信息,并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果口5l ¨“。地理信息系统的核心功能包括空间数据的输入、管理、分析以及表现,并且这些功能形 成了一个比较完全的数据处理流程。将GIS技术和数字摄影测量技术集成,数字摄影测量数 掘作为GIS的信息源,GIs作为数字摄影测量数据的处理、表现、查询、统计、分析工具, 可以提取各种有用信息,以进行决策支持。1.5.4AutoCAD VBA技术CAD技术赴存个复杂的环境系统下,实现【程设计的理沦和厅陵、计

35、算分析、优化、 绘图等的相关技术。AutoCAD软件提供厂强大的图形设H功能。VBA(Visual Basic Application是AutoCAD应用程序集成rI:发研、境,VBA开发环境是个可视化丌发环境,它提供了高质量的用户化编程能力,能够使得AutoCAD数据与其它应用程序如Microsoft Office等软件直接共享。本文所开发的摄影地质编录信息系统的输出模块之一,便是通过 AutoCAD的VBA编程,对AutoCAD进行二次丌发的产品。1.5.5COM组件技术COM(Component Object Model,组件对象模型是Microsoft创建的一种二进制和网络 标准,是基

36、于组件的软件解决方案的基础。把一个庞大的应用程序分成多个模块,每一个模 块保持一定的功能独立性,在协同工作时,通过相互之间的接口完成实际的任务,这样的模 块又称为组件o”。COM组件技术指将复杂的程序设计成一些小的、功能独立的组件模块, 组件之间可以跨进程、跨机器、跨语言甚至跨操作平台进行通信。CoM既是规范又是实现, 作为规范,它定义怎样以一种独立于语言和独立于位置的方式调用对象,怎样定位和标识组 件,以及怎样创建对象。作为实现(COM库主要包含在0LE32.DLL和RPcSS.EXE中,它提供 了系统服务,这些系统服务完成包括定位组件和将组件装入内存,执行进程通讯和远程通讯 等一些实际工作

37、。将本文研究和采用的数字近景摄影测量各种主要算法和图像处理算法封装 在COM组件中,通过集成,成为摄影地质编录信息系统的重要组成部分。1.5.6虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality是当前计算机图形学的热点,首先应用在军事和航空领 域,在技术产业化后,才被广泛应用到各个领域。虚拟现实技术的发展速度可以与电脑技术 的发展速度相比拟。虚拟现实技术是三维可视化的主要应用技术,也将成为三维GIS的可视 化核心。虚拟现实的个重要目的是准确地模拟和再现观测物的三维景观,以一种直接的、 易于理解的形式来表示三维信息。它是由计算机生成具有临场感觉的环境,是一种全新的人 机交互系统。0penG

38、L被计算机工业界看作当今最先进的三维图形应用编程界面(API,目前它已成为 开放式的国际图形标准,OrenGL应用编程界面是图形硬件的软件界面,由约120个0penGL 命令函数组成。这些函数分别属于基础库、实用库和辅助库。它提供了很强的绘制二维或三 维图形的能力,包括基本图元、造型、着色、光照、景深、阴影、混合、动画、明暗处理、 消隐、反走样、纹理映射、图像处理等功能。0penGL实质上是一种多平台、高性能的三维图 形开发系统。程序员利用0penGL命令可以创建三维彩色图形的交互式程序,并能控制计算机 图形技术来产生真实感图形、或利用富于想象力的方法产生虚构的艺术创作。本文利用虚拟现实技术,

39、采用VC+为平台,开发0penGL应用程序,实现摄影地质编录 三维数据的可视化。1.5.7OLE自动化技术OLE(Object Linking and Emdedding,对象链接和嵌入是一个基于对象但不是面向对象 的服务环境,它把相关的一类服务以接口的形式提供给用户,是一个服务可定制、结构可扩 展、旨在集成构建的、基于对象的、统一的服务环境。OLE自动化是在自己的应用程序中控 制源文档,支持OLE自动化的应用程序向其它应用程序提供自己的对象。第二章普通数码相机的量测化2.1数码相机的量测化改造方法2.1.1数码相机量测化改造的原因随着计算机技术的进步和数字图像处理、模式识别等学科的不断发展,

40、数字摄影测量已发 展成为摄影测量的主流技术。数字摄影测量的首要任务是获取原始数字影像。数字影像获取 方式一般分为二种:第一种是由量测摄影机或普通相机拍摄获得像片后,用扫描仪将像片数 字化,再输入计算机并对像片进行变形改正得到数字影像:第二种是由CCD数码相机直接获 得数字影像,数字影像可直接输入计算机进行处理。显然第二种方法更简便,省去了摄影胶 片冲片、晒印、扫描数字化、变形改正等繁琐的处理像片的过程。不仅如此,量测摄影机价 格昂贵,仪器笨重,外业拍摄时很不方便,与此相比,CCD数码相机表现出了很大的优势。 但普通数码相机内方位元素是未知的,并且影像存在较大的物镜构像畸变差。普通数字影像的畸变

41、差影响了摄影目标构像的共线条件,导致许多摄影测量迭代算法不 收敛和计算结果不准确,是影响基于普通数字影像的摄影测量作业精度和可靠性的最主要原 因。针对这些情况,在目前数码相机摄影测量应用中,使用最广的是直接线性变换方法。公 式如下(式2一1:。一刍墨±刍兰±刍兰±刍:oL9X+Llo】,+三IIZ+1v一LsX+L6Y+LTZ+L8:0。岛X+LloY+厶lz+1(式2.1这种方法直接建立像平面坐标与物方坐标间的关系,摄影过程中的内、外方位元素均包 含在11个系数中,不需要直接实验测出相机内方位元素。但这种方法需布设较多的物方控制 点,另外对控制点的空问分布要求也

42、较高,鉴于工程中复杂甚至恶劣的施工环境,往往难以 得到实际应用。因此,本文提出对数码相机的可量测化改造,改造的主要目标是使数字影像 具有可控的精度和可量测性。其主要内容包括:1.量测化模型及参数解算方法,包括相机构像畸变检校、内方位元素检测和摄影经纬仪 的外方位元素的改正数的确定。2.量测化改造的精度评价3.量测化参数稳定性研究2.1.2数码相机构像畸变系数的确定数字影像处理是数字摄影测量中的关键技术,数字影像的质量直接决定了数字摄影测量的精度。尤其是对 于簿通CCD数码相机,对数字影像的各项误蒡处理是必不可少的过稗。由于数码相机在加1:、安装过程 中都存在一+定的残余误差,这一残差会引起构像

43、畸变IS31阳J。普通数码相机与传统光学摄影测鼙专业相机 相比,一个不可忽视的缺点就是由相机自身引起的畸变差较人。*通数字影像的土要构像误差来自丁畸变 误等,据我们的实验反复统计,普通数码相机像幅为1800+1200左右像素的中等分辨率影像,其周边的畸 变著一般达到了20.25个像元左右(对丁粹通相机,镜头张角为40度左也,如果拍摄趼离为10米,拍摄 对象的实际误差可达到10公分左矗,像幅为640t480像素的影像,其周边的畸变筹股达剑r 1015个 像7c。¨J见,畸变著是一项不可忽视的误差源,影像的畸变校I J:臼然是数字图像处理中必不可少的一个环 为J,段iF相机的构像畸变差,

44、本文设计了新的算法.以避免像片方位厄粜和畸变校jr参数在整体解算时因相关性造成求解精度下降的不足。其原理如下:建立一个高精度的平面控 制网,利用数码相机对其进行拍摄;考虑到相机的像平面与控制网平面不能严格平行,根据 控制点的物方坐标,利用投影变换计算出控制网中每个控制点的理论像片坐标(无误差的像 片坐标;将拍摄影像导入输入计算机,对控制点像片坐标进行量测:根据控制点的理论坐标 与实际量测值的差值,采用合理的数学模型对其进行改正,以达到所有控制点的理论坐标与 实际量测值的差值的平方和最小。处理步骤如下:2.121方格网的建立在平坦的墙面上设计如下方格网:整个方格网10+16格,每格150mm+1

45、50mm,在方格上 布29个点,以中一tl,点0(1350,1050为原点,建立右手坐标系,可得到每点的坐标值。如图 2一l所示:Y1723181314910821320X121l1617如 M 196图2-1室内控制场控制点分布示意图2.1.22投影变换系数的计算对墙面进行拍摄,由于拍摄时不能保证相机与墙面严格平行,这会引起像点构像透视变 形。为获得构像畸变差,先将墙面上的格网点通过透视变换公式投影到成像平面上,其与相 应格网点的实际构像位置的差可认为是物镜构像畸变差。透视变换公式为:经变换后为 X:!兰±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设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由于要对像片坐标进行改正,所以以像片坐标X,Y为观测值,对(式2.3进行线性化 一S一占【(x一“4×Y+(d 7一yx卜一×y×(3一口8一爿×(竺a sy】业二型二!坠!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【二垫二!垫二!:兰!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!二兰!兰:!二!M二!【二兰!二!二!查D 2理论上,要用没有构像畸变差的控制点像片坐标来反算8个投影变换系数,但由于没有 畸差的控制点像片坐标不可得,又由于在像片中心附近的控制点的构像畸变差比较小,可选 取格网上四个对称点,因为对称关系有利于抵消构像畸变差对解算8个透视变换参数的影响。 同时,对称点也不要选在太靠格网外围的位置,因为离中心点越远,其构像畸变差也越大。 如图2-1,可取9、lO、11、12号点,求出8个投影变换系数的初始值【dl(o 目2(o a3(o 口4(o 口5(o 口6(o 7(o 口8(oJ列出线性化后的误差方程式:

49、,+1、y=B XL 、n。 其中:B hf(x;上=l x,一,(x1llL求出8个投影变换系数的最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岛asJ2hq固0气。蛔"咆q 47oJ龟rqJ+爿12.1.23畸变系数求解根据求得的8个投影变换系数,就可以确定控制场物方坐标与像方坐标的对应关系,即 利用这8个投影变换系数,根据控制点的物力坐标,利用(式23便可计算出每个控制点的 像片一陋标州沦值,控制点的理论像片坐标与实际量测的像片坐柄;差值一、1+认为是物镜构 像畸变差。根据畸变萎的特点,即:(1、物镜构像

50、畸变有两利t:径向畸变荤和LJ向畸变差【5“,侄向畸变位以像主点为中心 盘 旦慨 眠一眠饥一 堕呐盟%甄一弧饥一氓 %一眠砒一眠 眠一峨饥一毗 堕眠盟氓 堕咄盟鸭 %一眠籼一眠的辅射线上是对称型畸变,而切向畸变差是一种非对称型畸变。(2、距离像片中,fl,像元越近,构像畸变差越小,误差基本上关于中,fl,像元呈对称分布。 综合上述构像畸变差的特点,采用如下数学模型对原始影像进行畸变校正: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为像片坐标改正值,Y。为像主点在像平面坐标系中的坐标,r为像点的径 向半径,即为像片上像点到像主点的距离r=0一Xo2+(_y一蜘2,kl,如,屯为径向畸变系数, 也称对称型畸变系数,P,P,为非对称型畸变系数。利用任意三个控制点列出五个方程,计算畸变系数k.,k:,k,P。,P,的初始值,然后根据 所有点列出误差方程式,求出k.,k,k,P.,P,的最小二乘解。2.1.2.4畸变系数的交替解算方法由于求畸变系数过程中,必须用到投影变换系数,而投影变换系数的值是利用本身就带 有畸变差的控制点像片坐标反算,这会导致最小二乘平差所得到的畸变系数不准确,所以, 求畸变系数的计算过程中必须采用畸变

52、系数的交替解算方法,即:(1、用方格网上4个以上点的物方及像方坐标按式(2-2,计算8个投影变换系数。(2、利用这8个投影变换系数和5个以上方格网点的物方坐标,反算格网点的像方坐标,进而求出其与量测的像片坐标的差值c、y。(3、利用上述点的畸变差改正值血、y,进行最小二乘平差,求出畸变系数。(4、利用畸变系数对步骤(1中所用点的像方坐标进行畸变改正,利用改正后的像方坐标和已知的物方坐标重新计算投影变换系数,然后重复(2、(3步骤,直到像片坐标 改正值的变化相对稳定。表2.1为计算得到的三套畸变参数。相机型号像幅 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数码相机畸变系数(洼:同一型号相机在采用不同像幅拍摄时,其畸变系数也不同如图2.2某一次试验计算结果所示,上述交替解算一般情况下都收敛,而且,经多次试 验表明,畸变系数计算结果稳定。哟登彖蟊rz【1u。lS I:jE 2005;O 3

54、5IO蚌,0稿BO 6;1口"/5=谭蚪":削2-2畸变系数迭代汁笄收敛结累u_U 耄|戳 一求出七l,女:,女,n,p:五个畸变系数后,就可以对原始影像进行畸变校J下,如图2-3所示, 利用(式2-6可对影像上任一像点(x,y计算像点坐标改正值血、妙,x+缸、y+妙就 是经畸变差改正后的像点坐标,根据畸变校正后的影像坐标对原始影像所有像素重排,经过 重采样,生成校F后的影像(如图2-4.。 图2.3原始影像 图2,4畸变校正后影像2.1.3数码相机内方位元素的测定 .2.131三维控制场的建立在利用单张像片进行空间后方交会解算相机内方位元素时,需用到空间分布合理的高精 度

55、的物方控制点的坐标,因此需建立一个高精度而稳定的三维控制场,用以鉴定相机的内方 位元素及研究近景摄影测量的精度。控制场的建立要求:(1分三层分布,每层点的分布要 考虑对称性,并保证控制场前方一定位置能看到所有的控制点:(2控制点数要达到一定的 数目;(3控制点必须稳定、清晰;(4控制场的长、宽、高适合拍摄成像。本系统研究中 建立的控制场如图2.5所示。 幽2-5室内=维控制场为了得到控制点的物方坐标,利用在控制场前方同时架设的两台经纬仪观测所何控制点 经纬仪】i:与变会和:j角高程法获得备点坐|可i。公式如下(以p点为例: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=却2+昂2tgr式中f为基线规化系数,d,卢分别为两测站观测同一点的方向角,y为P点的竖直角,d为两 测站间的距离。由两点法前方交会精度公式及本次检测的实际情况(两测站是已知的可知P点的量测 精度为:Mp=±Mr a2+b2/(sinrp (式2_8其中a,b分别为两测站到P点的距离,r为p点交会夹角,Mr为测角中误差,Up为P点的 点位中误差。因为采用的T2经纬仪方向中误差(基线方向为±24,所以Mr=垃2”。基线长度精度为0.1mm,再由所有控制点各项指标的平均值,计算得到坳=O.3mm

57、。即控 制场的平面点位精度为0.3mm,这为内方位元素的测定精度提供了保障。2.1.3.2内方位元素的解算首先利用以上求得的畸变系数对量测得到的三维控制场各控制点的像方坐标进行构像畸 变差改正,然后根据构像共线方程l。一,0=-厂 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压s (式2.9 口2(X一.妇+62fyy+c2(zZ, 、。77口3(xXs+b3(YYs+c3(ZZs1Vy=呸p船+呜2yn嘎西+吗却+呸5+呸舡+呜矿+吗p%+呸辄一ly。武小lu由测量平差理论可知,未知数的精度可表示为M,=M。Q。M。为观测值单位权中误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内方位元素的稳定性为了防止数码相机在每次使用时产生不同的内方位元素,固定调焦距,并在实验中多次 重复,测出每次的内方位元素。经过多次比较,发现数码相机的内方位比较稳定,其图像能 够进行量测。