第4章-双像立体测图基础与立体测图课件

第四章双像立体测图基础

与立体测图

双像立体测图：利用一个立体像对重建立体几何模型，量测该几何模型，绘制地形图

立体像对：相邻两站对同一地物摄取的有一定重叠的两张像片同名像点：地面上一点在相邻两张像片上的构像第四章双像立体测图基础

与立体测图双像立体测14.1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4.4模拟法立体测图4.5解析法立体测图本章内容4.1人眼的立体视觉原理与立体量测本章内容24.1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32.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2.双眼观察人眼的观察方式：1.单眼观察4

1833年，惠斯通（英）证实，人眼分辨远近的本质是由于生理视差的存在。设远近不同的两点A、B在人眼视网膜上产生的生理视差为σ人眼的观察方式：1833年，惠斯通（英）证实，人眼分辨远近的本质是由5近似式

交会角变化与距离变化及生理视差的关系：交会角近似式交会角变化与距离变化及生理视差的关系：交会角6

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值提高双眼分辨远近能力的方法：扩大眼基线提高双眼分辨远近能力的方法：7人造立体视觉定义：空间景物在感光材料上构像，人眼观察构像的像片产生生理视差，所产生的空间景物的立体视觉（也就是说，重建了景物间的立体视觉）。

所看到的立体模型---------称为视模型二、人造立体视觉二、人造立体视觉8人造立体视觉必须符合的条件：

1.两张像片必须是在两个不同摄站对同一景物摄取的立体像对；

2.每只眼睛只能观察像对中的一张像片，这一条件称之为分像条件；

3.两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼基线应大致平行；

4.两像片的比例尺相近(差别<15%)人造立体视觉必须符合的条件：9第4章--双像立体测图基础与立体测图ppt课件10三、立体效应1.正立体效应2.反立体效应左右右或右左左右旋180度三、立体效应1.正立体效应2.反立体效应左右右或右左左右旋111

用光学仪器或肉眼对一定重叠度的像对进行观察，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。

但是立体观察要求两眼进行分像观察，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.立体观察方法用光学仪器或肉眼对一定重叠度的像对进行观察，获得12立体观察方法的两类模式：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，从而达到分像的条件；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。立体观察方法的两类模式：131）立体镜观察法可以观察23—30cm边长的大像幅立体像对

桥式立体镜：简单但观察的范围小1）立体镜观察法可以观察23—30cm边长的大像幅立体像对142）双目镜观测光路的立体观察

用两条分开的观测光路将来自左右像片的光线分别传送到观察者的左右眼睛中，每条观测光路由物镜、目镜和其他光学装置组成。采用的设备：模拟测图仪解析测图仪坐标量测仪2）双目镜观测光路的立体观察采用的设备：153）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3）互补色法光谱中两种颜色的光混合在一起会变成白色，16左眼右眼左眼右眼174）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。4）同步闪闭法由液晶眼镜和红外发生器组成，使用时红外18第4章--双像立体测图基础与立体测图ppt课件195）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。5）偏振光法在一对像片的投影光路中，放置一对偏振平面201）单测标量测法用一个真实的测标量测测标与地面点相切时，测标的位置就代表空间点的位置。这样的测标称为浮游测标形状一般有点状和线状2.立体量测1）单测标量测法用一个真实的测标量测2.立体量测212）双测标量测法是利用放入光路中的两个单独的实测标分别切准立体像对上的同名像点进行立体量测。2）双测标量测法是利用放入光路中的两个单独的实测标分别切准立22左右测标分别切准左右同名像点两单测标相当于同名像点，构成立体测标T测标T与立体模型表面M点重合同名像点：地面上一点在相邻两张像片上的构像左右测标分别切准左右同名像点同名像点：地面上一点在相邻两张像23一、立体像对（stereopair)1.定义从不同摄站摄取的具有重叠影像的一对像片。

立体摄影测量（双像测图）也就是以立体像对为测量单元的4.2立体像对与双像立体测图一、立体像对（stereopair)4.2立体像对与双24[一]立体像对的基本概念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立体摄影测量（双像测图）也就是以立体像对为测量单元的[一]立体像对的基本概念S2S1o1o25航空摄影获取的立体像对航空摄影获取的立体像对26航空摄影获取的彩色立体像对航空摄影获取的彩色立体像对27地面摄影获取的立体像对地面摄影获取的立体像对28是立体像对吗？为什么？是立体像对吗？为什么？292.立体像对上的点、线、面[一]立体像对的基本概念2.立体像对上的点、线、面[一]立体像对的基本概念30

摄影基线：摄取立体像对时，相邻摄站间的连线

同名光线：同一地面点向不同摄站的投射光线

同名像点：同一地面点在不同像片上的构像

核面：过摄影基线与地面点的平面

主核面：包含像主点的核面

垂核面：包含像底点的核面

核线：核面与像片平面的交线

核点：摄影基线与像片平面的交点摄影基线：摄取立体像对时，相邻摄站间的连线31S2

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（核点是谁的合点？）核线（垂核线、主核线）[一]立体像对的基本概念S2S1AP1a2a1P2BWAo1o32二、立体摄影测量的基本原理立体摄影测量（又称双像立体测图），是利用一个立体像对，在恢复内外方位元素后，重建与地面相似的几何模型，并对该模型进行量测的一种摄影测量方法。上图过程就是摄影测量的几何反转---也是摄影测量的基本原理S1S2ABCDS’2二、立体摄影测量的基本原理立体摄影测量（又称双像立体测图），33即：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

双像立体测图实质：重建摄区立体模型，在立体模型上进行量测1、如何重建模型？也就是恢复像对的内、外方位元素=也就恢复了B、同名光线、同名像点与地面点的几何关系。三、双像立体测图概述即：双像立体测图实质：重建摄区立体模型，在立体模型上进行量测342、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（已知的）。

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（没有完全恢复外方位元素-大小、空间方位是任意的）。

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（恢复模型的大小和空间方位）。

立体测图：用量测工具量测立体模型，测制地形图。（不同的测量工具有不同的立体测图方法）2、双像立体测图步骤353.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。3.双像立体测图的方法363.双像立体测图的方法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。3.双像立体测图的方法373.双像立体测图的方法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。3.双像立体测图的方法384.3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1、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。4.3立体像对的相对定向元素一、立体像对的相对定向与相对定39相对定向只能确定两张像片的相对位置几何模型与实际地表之间关系?相似关系：比例尺、方位不确定相对定向只能确定两张像片的相对位置几何模型与实际地表之间关系40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，方位任意外方位元素相对方位元素绝对方位元素相似模型411、相对定向就是在立体像对中，确定两像空系之间方位关系所需的元素。SoaxyxyxyzSoaxyxyzSoxyxyxyzaSoxyxyzaA问题提出确定两像空系之间方位关系需有几个元素？都哪些元素？比例尺任意（基线长度任意）确定基线的方向一、立体像对的相对定向与相对定向元素1、相对定向就是在立体像对中，确定两像空系之间方位关系所需的42以基线坐标系为基础的相对方位元素系统=单独像对相对定向以左像空系为基础的相对方位元素系统=连续像对的相对定向2、三种相对方位元素系统

以地面摄影测量坐标系为基础的相对方位元素系统（了解）一、立体像对的相对定向与相对定向元素以基线坐标系为基础的相对方位元素系统=单独像对相对定向以43建立像空间辅助坐标系方法：将左片置平，以左片的像空间坐标系作为像对的像空间辅助坐标系。也就是以左方像片为基准，或者说左像片的外方位元素已知。1.连续像对的相对定向元素一、立体像对的相对定向与相对定向元素建立像空间辅助坐标系方法：1.连续像对的相对定向元素一、立体44S1S2u1v1w1u2v2w2bbubvbw连续法相对定向元素：1.连续像对的相对定向元素以左像空间坐标系为基础，右像片相对于左像片的相对方位元素2线元素决定了摄影基线的方向，三个角元素决定了右光束对于左光束的旋转方位S1S2u1v1w1u2v2w2bbubvbw连续法相对定向45S1S2u1v1w1u2v2w2bbubvbw1.连续像对的相对定向元素以左像空间坐标系为基础，右像片相对于左像片的相对方位元素特点：固定一个光束，移动和转动另外一个光束，便可以确定两个光束间的相对方位。这种相对方位元素系统被称为连续像对系统。S1S2u1v1w1u2v2w2bbubvbw1.连续像对的46建立像空间辅助坐标系方法：

将摄影基线置平，像空间辅助坐标系的原点为S1，基线B为u轴，垂直于左核面的轴为v轴，右手法则建立平面直角坐标系S1-U1V1W1。2.单独法相对定向元素建立像空间辅助坐标系方法：2.单独法相对定向元素472.单独法相对定向元素2单独法相对定向元素：1

，

1，2，2，21u1x1v1w1S1y1v2w2S2y2u2x2B在以左摄影中心为原点、左主核面为XZ平面、摄影基线为X轴的右手空间直角坐标系中，左右像片的相对方位元素2212.单独法相对定向元素2单独法相对定向元素：1，48

特点：在不改变两投影中心位置的情况下，通过两个光束旋转来确定相对方位，适用于单独像对的作业，因此又称为单独像对系统。21u1x1v1w1S1y1v2w2S2y2u2x2B2212.单独法相对定向元素特点：在不改变两投影中心位置的情况下，通过两个光束旋49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5个？外方位元素相对方位元素绝对方位元素相似模型5个？50

A

A二、模型的绝对定向和绝对定向元素问题提出1、定义确定几何模型的比例尺和它在地面坐标系中空间方位的元素。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？AA二、模型的绝对定向和绝对定向元素问题151二、模型的绝对定向和绝对定向元素

关系式：共有七个参数

三个平移量、三个旋转角、一个比例尺系数二、模型的绝对定向和绝对定向元素共有七个参数52

小结：1）第四章的内容，虽然有点凌乱，但却是本门课程的总领。2）学习本章，我们除了要掌握双像解析的点、线和面、相对定向元素、绝对定向元素外，主要要理解和掌握摄影测量的整个基本流程与技术发展路线。3）本章中有关模拟摄影测量的内容，虽然不是我们学习的重点，却是我们理解摄影测量基本原理的关键。小结：53§4－4模拟法立体测图§4－5解析法立体测图

这两节要求大家一定要详细看。认真研读理解摄影测量的基本原理，对学好这门课程具有十分重要的意义。在阅读的同时，理解以下两个问题：

1.为什么说模拟摄影测量是一门“利用光学和机械原理，避免了复杂计算”的学问？

2.模拟摄影测量与解析摄影测量到底有什么不同？结合数字摄影测量的概念，把握摄影测量学的技术进展的脉络，使知识前后融会贯通。§4－4模拟法立体测图54一、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。4.5模拟法立体测图一、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55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。方法：内定向、相对定向、绝对定向56第4章--双像立体测图基础与立体测图ppt课件57多倍仪上的投影器多倍仪上的投影器58二、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。二、模拟法相对定向1.基本思路59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。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602.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61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’总位移X方向位移62（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’（2）微动bv的影响总位移X方向位移63（3）微动bw

的影响S’S位移分量：Hdbw（3）微动bw的影响S’S位移分量：Hdbw64（4）微动

的影响位移分量：总位移X方向位移Y方向位移（4）微动的影响位移分量：总位移X65（5）微动

的影响位移分量：（5）微动的影响位移分量：66（6）微动

的影响位移分量：总位移X方向位移Y方向位移（6）微动的影响位移分量：总位移X67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68（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。（1）连续像对相对定向公式连续像对相对定向的特点X2、Y269（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。（2）单独像对相对定向公式单独像对相对定向的特点X1、Y1704.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。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71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。相对定向步骤：（连续法相对定向）1)

转动bv消除2点的72三、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。三、模拟法测图中模型的绝对定向1.准备工作将相对定向73N4N3N1N22.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。N4N3N1N22.确定模型比例尺1）将图底置于承影面上，743.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。3.模型置平3）求出N2、N3两点相对于N1的实际高差，75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765.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。5.如果，则说明模型在Y方向已置平，否77四、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。781.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。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793.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3.地貌测绘80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解析法立体测图利用电子计算机，通过严格的数学解算方法保4.6解析法立体81一、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

计算机数控绘图仪一、解析测图仪的结构立体坐标量测仪作业员计算机数控82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。硬件834、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。4、接口设备84解析立体测图仪(WILDAC1)解析立体测图仪(WILDAC1)85二、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1-3um二、解析测图仪的优点（与模拟测图仪相比）862、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2、功能强3、效率高4、可产生数字测绘产品，便于成果进入GI87三、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）三、解析测图仪的工作原理88立体坐标量测仪计算机绘图桌数控XYZXMYM立体坐标量测仪计算机绘图桌XYZXMYM891、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。1、定向过程中90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。输入模型坐标的工作过程：91(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，作业中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(x，y)。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。(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92