第4章双像立体测图基础与立体测图

第四章双像立体测图基础

与立体测图双像立体测图是指利用一个立体像对重建地面立体几何模型，并对该几何模型进行量测，直接得到符合规定比例尺地形图或建立数字地面模型等，也称为立体摄影测量。4.1人眼的立体视觉原理与立体量测4.2立体像对与双像立体测图4.3立体像对的相对定向元素与模型的绝

对定向元素4.1人眼的立体视觉原理

与立体量测一、双眼观察的天然立体视觉虹膜虹膜瞳孔角膜视神经网膜窝视轴巩膜脉络膜视网膜水晶体玻璃体韧带盲斑人眼的结构2.双眼观察用双眼观察空间物体时，可以容易地判定物体的远近，这种现象称为人眼的天然立体视觉。人眼的观察方式：1.单眼观察不能判断物体的远近单眼观察人眼视角：左右1600上下1200清晰视角：左右1.50人眼视轴活动范围：左右±450上下+300，-500利用单眼观察去决定物体的远近是比较困难的。双眼观察双眼观察特点交会作用交会作用与调节作用的一致性空间影像的形成生理视差是产生立体感觉的生理基础。近似式交会角变化与距离变化及生理视差的关系：交会角提高双眼分辨远近能力的方法：

扩大眼基线

使眼的生理视差的分辨力增大

利用放大系统观察，相当于缩小实际

的L值人眼能够观察到具有立体感的客观世界，其原理是一对眼睛在观察物体时，物体在两眼的视网膜上产生的影像之间存在生理视差。二、人造立体视觉借助空间物体的构像信息而在视觉上感受出空间物体的存在，称为人造立体视觉。

像对是从不同角度摄制的同一地物的一对影像，因此存在类似生理视差的影像视差，叫做左右视差。当双眼分别观察这一对像片时，存在左右视差的像片会反映到眼睛的视网膜上，构成生理视差，由此便产生了与观察实物时一样的立体视觉效果。通常称这种认为条件下，对立体像对进行观察，而获取立体感觉为人造立体观察。立体观察条件①两张像片必须是从不同摄影站摄取的。②两眼各看一张像片，即必须分像。③必须使同名像点的连线与眼基线平行，以保证两视线在同一个视平面内。④比例尺基本一致（比例尺的差异小于比例尺的16%）视模型：利用人造立体视觉观察获得的景物立体景像。视模型随人眼位置的不同而不同。三、立体效应立体模型与实物相同立体模型与实物相反（正立体效应基础上左右像片旋转180度）零立体：起伏的视模型变平(正立体效应基础上左右像片旋转90°)用光学仪器或肉眼对一定重叠率的像对进行观察，获得地物和地形的光学立体模型，称为像片的立体观察，它的原理是根据人对物体的双眼观察。

分像条件违背了人眼立体观察的本能，必须采取一定的措施达到。四、立体观察与立体量测1.立体观察方法立体观察方法——（分像方法）直接对像对进行目视观察时，立体观察条件中，最难满足的是？①观察工具与立体量测观察设备②互补色法③偏振光法④交替光阑法（闪闭法、光闸法）立体观察方法：立体镜式：借助光学系统使得人眼分别观察其中的一张像片重叠影像式：将左右两像片影像投影在同一个承影面上，然后通过一些措施使得两眼各看一张像片1）立体镜观察法

桥式立体镜：简单但观察的范围小在一个桥架上安置两个相同的简单透镜透镜光轴平行，间距约为眼基距，高度等于透镜主距

反光立体镜扩大眼基线，可对大像幅进行立体观察竖直夸大fc：像片距人眼的距离f:航摄像片的主距竖直夸大有利于对高程差的判识，而对量测无影响。①立体镜视模型与实地相似一般立体镜的主距为250mm视模型将要夸大实物的远近凸凹深度超高感2）叠映影像立体观察法互补色法光谱中两种颜色的光混合在一起会变成白色，这两种光称为互补色光。品红+绿白蓝+黄白光学混合光学混合②互补色法同步闪闭法由液晶眼镜和红外发生器组成，使用时红外发生器的一端与通用的图形显示卡相连，图像显示软件按照一定的频率交替显示左右图像，红外发生器则同步地发射红外线，控制液晶眼镜交替闪闭，从而达到左右眼睛各看一张像片的目的。在两投影光路中各安装一光闸（一个打开、一个关闭）观测者双眼分别带上与投影器光闸同步的光闸眼镜光闸起闭频率>10Hz偏振光法在一对像片的投影光路中，放置一对偏振平面相互垂直的偏振器，以两组横向光波波动成相互垂直的偏振光，将影像投影在特制的承影面上，观测者戴上偏振光眼镜，两镜片的偏振平面也相互垂直，从而达到分像的目的。

在数字摄影测量系统中，在计算机屏幕上安装偏振屏，当计算机屏幕上分别交替显示左、右影像时，屏幕前的偏振光屏就会产生不同的偏振方向，观测者戴上偏振光眼镜，就能获得立体影像。像对的立体量测S1S2e1e2视模型与几何模型？？找同名像点（难）像对立体观察浮游测标切准视模立体量测2.立体量测左影像右影像2.立体量测测标的种类2.立体量测双测标法两个真实测标视觉测标（虚测标）同名像点视模型点虚测标视模型点测标同名像点读出像点的坐标值像对立体量测目的：找出同名像点，获取同名像点的坐标2.立体量测测标：一对光点移动测标固定测标2.立体量测量测的内容：像点坐标量测、左右视差量测、左右视差较量测、上下视差量测。借助于有测量标志的量测工具或仪器进行。测标的作用测标的种类立体量测原理双测标量测法S2

S1

o1o2Aa1a21、立体像对的定义（StereoPair）由不同摄站获取的，具有一定影像重叠的两张像片。4.2立体像对与双像立体测图航空摄影获取的立体像对S2

S1

AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J1

2、立体像对的点、线、面同名像点(a1,a2)同名光线(AS1,AS2)摄影基线(S1S2)核面（垂核面、主核面）核点核线（垂核线、主核线）a(x1,y1)a’(x’2,y’2)立体像对的基本概念核心问题：寻找同名像点同名像点寻找问题？人工方法：人工立体观测（如何提高效率）自动方法：数字影像匹配－数字摄影测量核心问题立体像对的基本概念立体像对的基本概念S1S2ABCDS’2定义:根据摄影过程的几何反转原理，恢复了立体像对的内方位和相对方位后，所有同名光线成对相交。由无数同名光线相交交点构成的与实地相似的几何表面。3、几何模型问题提出几何模型与实际地表之间关系?相似关系：比例尺、方位不确定外方位元素相对方位元素绝对方位元素立体像对实际地面几何模型相似模型比例尺任意，方位任意1.像对摄影过程的几何反转分别恢复两像片的内、外方位元素像对的相对定向和绝对定向实质：重建摄区立体模型，在立体模型上进行量测三、双像立体测图概述2.双像立体测图步骤内定向：恢复像片的内方位元素，建立与摄影光束相似的投影光束。相对定向：恢复两张像片的相对方位，建立与地面相似的立体模型。绝对定向：将立体模型纳入到地面坐标系中，并归化模型的比例尺。立体测图：用量测工具量测立体模型，测制地形图。3.双像立体测图的方法模拟法立体测图利用模拟测图仪，像片，人工寻找同名像点解析法立体测图利用解析测图仪测图，像片，人工寻找同名像点。核心是计算机。影像数字化立体测图利用数字摄影测量系统。数字影像或数字化影像，利用数字相关技术，自动寻找同名像点并量测坐标。采用解析计算方法，建立数字立体模型。4.3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素一、立体像对的相对定向与相对定向元素确定一个立体像对两张像片相对位置和姿态的元素称为相对定向元素。相对定向只能确定两张像片的相对位置完成相对定向的唯一标准是两像片上同名光线对对相交。立体像对中，确定两像空系之间方位关系所需的元素。2、两种相对方位元素系统以左像空系为基础的相对方位元素系统以基线坐标系为基础的相对方位元素系统o2B1.连续像对的相对定向元素以左像空间坐标系为基础

bv、bw决定了摄影基线的方向，决定了右光束对于左光束的旋转方位。像空间辅助坐标系原点：左摄站点坐标系：左片像空系特点：左像片位置和姿态已知，移动和转动右像片，便可以确定两张像片的相对方位。这种相对定向元素系统被称为连续像对相对定向系统。2.单独像对相对定向元素21u1x1v1w1S1y1v2w2S2y2u2x2B221以基线坐标系为基础像空间辅助坐标系：原点：左摄站点X0轴：摄影基线左主核面为X0Z0面，Z0轴向上为正，Y0轴按右手法则来确定的坐标系。

特点：在不改变两投影中心位置的情况下，通过两张像片的旋转来确定相对方位，适用于单独像对的作业，因此称为单独像对相对定向系统。

A

A问题提出确定几何模型的比例尺和它在地面坐标系中空间方位需要哪些元素？二、模型的绝对定向和绝对定向元素确定相对定向所建立的几何模型的比例尺和空间方位的元素。共有七个参数。从数学角度看，实际上是两个三维空间直角坐标变换，即将相对定向所建立起来的模型上的点的坐标转换至地面摄影测量坐标系中。绝对定向需要借助地面控制点完成。为模型的绝对定向元素。一、模拟法立体测图原理用光学投影或机械投影的方法实现摄影过程的几何反转，建立与实地相似的几何模型。需要在模拟型立体测图仪上完成。4.4模拟法立体测图T形支架主梁投影器多倍仪上的投影器方法：内定向—相对定向—绝对定向模拟测图仪上的内定向是人工在测图仪上安置有关数据，如安置摄影机主距，并且使像片主点与测图仪像片盘主点重合。二、模拟法相对定向1.基本思路通过微动投影器的定向螺旋，消除承影面上同名点的上下视差来完成相对定向。有左右视差所有同名光线对对相交，即同名点的上下视差为零时，则相对定向完成。2.投影器的微小运动对承影面上投影点位的影响投影器距承影面的高度为H。假设像片近似水平，选取像片上的九个像点来考察投影点位的变化规律。点位分布如下：像主点总位移X方向位移Y方向位移位移分量：（1）微动bu

的影响XYdbuSS’（2）微动bv

的影响总位移X方向位移Y方向位移位移分量：XYdbvSS’（3）微动bw

的影响S’S位移分量：Hdbw（4）微动

的影响位移分量：总位移X方向位移Y方向位移（5）微动

的影响位移分量：（6）微动

的影响位移分量：总位移X方向位移Y方向位移把以上各种位移分量相加得到3.相对定向与上下视差的关系式同名点的上下视差为：相对定向的目的模拟测图仪上相对定向的基本关系式（1）连续像对相对定向公式

连续像对相对定向的特点公式左投影器不动，只动右投影器，则X2、Y2为右投影点相对于右方主点的坐标。（2）单独像对相对定向公式

单独像对相对定向的特点公式X1、Y1为左投影点相对于左方主点的坐标，X2、Y2为右投影点相对于右方主点的坐标。4.模拟测图仪上的相对定向标准定向点位用五个相对定向螺旋消除五个定向点上的上下视差，第6个点用于检核。相对定向步骤：（连续法相对定向）1)

转动bv消除2点的上下视差；2)

转动bw消除4点的上下视差；3)

转动κ2消除1点的上下视差；4)

转动ψ2消除3点的上下视差；5)

用ω2在6点上作过度改正；6)

用bv消除2点的上下视差；7)用bw

消除4点的上下视差。检查5点的上下视差。三、模拟法测图中模型的绝对定向1.准备工作制作图底：将控制点根据其平面坐标按图比例尺展绘在图纸上。将相对定向后建立的立体模型纳入到地面坐标系中，并归化模型的比例尺，这一过程称为模型的绝对定向。N4N3N1N22.确定模型比例尺1）将图底置于承影面上，在立体观察情况下，使其中一个控制点与其相应的模型点的投影重合，取N1。2）以N1为中心旋转图底，使对角线上的另一控制点N4的模型点的投影落在相应两控制点N1N4的连线上。3）调整模型比例尺。沿投影基线方向移动一个投影器，改变投影基线的长度，直到两模型点的投影正好与图底上相应控制点重合。3.模型置平1）任取一点如N1为高程起始点，调整高程起始读数，使N1的高程读数等于实测高程。2）用测标立体切准N2、N3两点，读出相应的高程读数，并计算出相对N1的高程差。3）求出N2、N3两点相对于N1的实际高差，并化成按成图比例尺计算的高差。然后使用仪器的相应螺旋，使整个投影系统绕仪器的Y轴旋转此角度，这就是模型的航向置平。4.如果，则说明模型在X方向已置平，否则按下式计算出模型绕仪器Y轴旋转的角度：表示图上两点间的距离5.如果，则说明模型在Y方向已置平，否则按下式计算出模型绕仪器X轴旋转的角度：然后使用仪器的相应螺旋，使整个投影系统绕仪器的X轴旋转此角度，这就是模型的旁向置平。6.最后用N1、N4点进行检查。四、在模拟测图仪上测图测绘地物和等高线都是在立体观察下进行。多倍仪上的测绘台1.测绘地物将测标照准在模型的相应点上，不断升降和移动测标，在测标与立体模型表面保持相切的情况下，使测标沿地物轮廓移动，测绘出地物。2.测绘高程注记点根据成图要求，测定高程注记点。密度为图上每100cm25-20个。3.地貌测绘先绘地性线，再勾绘等高线。4.接边像对与像对、航线与航线、图幅与图幅之间都要进行接边。5.检查内容包括：高程注记点位置是否合理、均匀，数量是否合适，高程注记点的高程与等高线有无矛盾是否有丢漏山头、鞍部；少绘或多绘曲线；地貌有无变形等高线与水系的关系是否合理地物、地貌要素是否测绘齐全、正确6.清绘、整饰利用电子计算机，通过严格的数学解算方法保证像点坐标和模型点坐标之间满足共线关系，建立被摄目标的数字立体模型，同样可以完成对被摄目标的立体量测。4.6解析法立体测图数字投影一、解析测图仪的结构解析测图仪是由精密立体坐标量测仪、计算机、数控绘图仪、接口设备及相应软件组成的立体测图系统。立体坐标量测仪作业员

计算机数控绘图仪硬件1.精密立体坐标量测仪立体观察和立体量测2.电子计算机核心部件，实现解析测图仪的实时计算与摄影测量作业的计算及数据管理。3.数控绘图桌在计算机控制下，绘出地形图及各种图件。4.接口设备电子计算机与立体坐标量测仪及数控绘图桌连接与信息沟通。包括编码器：进行模/数转换（A/D），使仪器的机械位移量转化为计算机能接受的数字量。伺服系统：进行数/模转换（D/A），将计算机给出的数字信息转化成仪器的机械位移量，驱动部件至应有的位置。解析立体测图仪(WILDAC1)二、解析测图仪的优点（与模拟测图仪相比）1、精度高光机部分简单，结构稳定；改正系统误差,平差偶然误差；（系统误差可通过计算机软件加以改正，偶然误差通过平差解决）像点坐标量测精度可达1-3um2、功能强作业不受摄影方式及仪器活动范围限制，可处理各类航片或卫片资料可完成多种测绘工作取得多种测绘成果3、效率高具有机助绘图功能实现测图过程的半自动化4、可产生数字测绘产品，便于成果进入GIS

管理应用三、解析测图仪的工作原理以共线条件方程为基础解析测图仪有两种方式实现数字投影运算：输入物方空间坐标（物方空间解析测图仪）物方坐标可以是：模型坐标、地面坐标、地理坐标。常见的是输入模型坐标。输入像方空间坐标（像方空间解析测图仪）立体坐标量测仪计算机绘图桌数控XYZXMYM终端物方型通过改变物方坐标找到要量测的点并记录物方坐标1、定向过程中在仪器上，经像对定向（包括解析内定向、解析相对定向、解析绝对定向）后，建立起物像对应关系。2、测绘过程中从手轮、脚盘读出模型的地面摄测坐标（X,Y,Z)

输入计算机算得相应的像平面坐标由伺服系统驱动测标运动到对应像点位置作业员观察到测标在立体模型上的位置

以上步骤由实时程序控制，以高频率自动重复执行，作业员即可观测到连续、完整的立体模型。输入模型坐标的工作过程：(1)

作业员把摄影机主距、物畸变差、大气折光差、地球曲率等必要数据输入计算机中，并输入像片框标坐标。(2)

像片放在像片盘上后，测标逐次对准像片的每个框标，计算机即可进行内定向，确定像片位置，进行像片坐标与仪器架坐标之间的换算，以及底片变形参数的计算。(3)解析相对定向，立体观测六个或更多标准点位定向点的像点坐标，计算机按设计好的相对定向程序解算出相对定向元素。(4)输入控制点坐标后，观测控制点的像点坐标，即可进行解析绝对定向，从而求出航摄像片的六个外方位元素。（5）有了内、外方位元素后，作业员操纵手轮和脚轮输入模型坐标X、Y、Z，计算机按照共线条件方程计算出理论的像点坐标。在顾及像点的各项改正后，转换为实际的像点坐标，然后转换成像片架坐标。由伺服系统控制两像片架运动，使测标对准相应的像点。立体观测中，测标应与该模型点相切。（6）与此同时，计算机进行模型坐标与地面坐标的换算，这时要顾及到地球曲率与大气折光的改正。（7）联机绘图作业时，实时将模型坐标与图面坐标进行转换，由伺服系统驱动绘图笔进行绘图。（8）当把脚盘安置在某一等高线高程值时，转动手轮X，Y，只要保持测标在模型表面运动，在绘图桌上就可绘出相应的等高线。四、解析测图仪的软件

1、计算机操作系统

2、摄影测量软件

(1)实时程序为了保证随着手轮与脚轮的运动使作业员观测到连续的、完整的立体模型，计算机必须以极高的频率根据输入的坐标量的变化进行重复的数值计算，这种计算称为实时计算。由厂家编写好的。(2)应用程序解析内定向确定像片坐标与像片架坐标的转换关系。通过量测4-8个框标点的像片架坐标，与输入的像片框标理论值，用最小二乘法解算出内定向元素。一般采用仿射变换。解析相对定向当该程序启动后，能自动依次地驱动车架到达相对定向的六个标准点位，作业员只需消除观察点上的上下视差，用按钮将它的坐标记入计算机中。全部点观测完毕后，计算机用最小二乘法解算相对定向公式，此外，显示出计算的定