《摄影测量学下》课件

《摄影测量学下》课程简介本课程是摄影测量学的下半部分，重点介绍摄影测量的基本原理、数学模型、数据获取和处理,以及在工程测量、文物保护、医疗等领域的广泛应用。课程内容丰富,涵盖了摄影测量的理论和实践,为学生全面理解和掌握该领域知识奠定基础。T.byTRISTravelThailand.摄影测量学的定义摄影测量学是一门综合性的学科,它结合了摄影学、光学、计算机视觉等多个领域的知识,利用摄影技术对物体进行三维空间测量和分析。它通过分析和处理摄影图像数据,准确计算出目标物体的位置、尺寸、形状等几何参数。摄影测量学的发展历程119世纪初摄影测量学的前身—摄影学诞生220世纪初立体摄影技术的出现31950年代航空摄影技术的广泛应用41960年代数字化摄影测量技术发展521世纪虚拟现实等新兴应用领域摄影测量学作为一门交叉学科,其发展历程伴随着摄影学、光学、计算机视觉等多个领域的不断进步。从19世纪初的摄影学初步应用,到20世纪航空摄影的广泛应用,再到当今数字化和虚拟现实技术的快速发展,摄影测量学的内涵和外延都不断丰富和拓展。摄影测量学的应用领域工程测量摄影测量技术广泛应用于基础设施建设、道路规划和管线检测等工程测量领域,可以快速精确地获取目标物体的三维信息。文物保护摄影测量能够记录和重建古建筑、文物等的精确三维模型,为文物保护提供科学依据,助力遗产保护工作。医疗诊断利用摄影测量技术可以快速、无创地获取人体各部位的三维数据,应用于矫形器设计、肿瘤体积测量等医疗领域。虚拟现实摄影测量能够准确捕捉现实世界的三维信息,为虚拟现实和增强现实技术提供底层数据支持,增强沉浸感和真实感。摄影测量的基本原理基于几何原理摄影测量利用摄像机的成像原理,借助几何关系来测量目标物体的三维信息。利用多角度拍摄可以获得更全面的信息。数学建模通过数学模型对摄像机的内外参数进行精确建模,结合影像数据可得到目标物体的位置、尺寸等几何属性。自动化处理现代摄影测量技术高度自动化,利用计算机视觉算法对影像进行特征提取、匹配和重构,大幅提高工作效率。摄影测量的基本要素成像系统摄影测量的基础是摄像机的成像原理,包括像素传感器、光学镜头等关键部件。这些构成了捕获影像数据的基础硬件系统。坐标系统摄影测量需要建立多个坐标系统,如世界坐标系、相机坐标系和像平面坐标系,用于描述物体、相机和影像之间的几何关系。数学模型通过数学模型可以对摄像机内参数和外参数进行精确建模和优化,为后续的三维重建和测量提供数学基础。数据处理摄影测量需要对影像数据进行特征提取、匹配、重建等一系列计算机视觉处理,才能从中提取出目标物体的三维信息。摄影测量的坐标系世界坐标系定义目标物体所处的三维空间坐标系,通常以地理坐标或工程测量坐标为参考。相机坐标系描述相机本身的三维空间位置和姿态,用于建立相机和物体之间的几何关系。像平面坐标系表示二维影像平面上的坐标系,与相机坐标系通过投影关系相连。摄影机的成像原理摄影测量的基础是摄像机的成像原理。摄像机通过光学镜头将三维物体投射到二维图像平面上,形成数字化的影像数据。这一过程涉及光线的反射、折射等光学原理,以及成像传感器的光电转换等技术。摄像机的成像特性可以通过内参数进行精确建模,如焦距、主点位置、畸变系数等。这些参数决定了物体在图像平面上的投影位置和形状,为后续的测量计算奠定基础。摄影机的几何模型1透视投影模型摄影机可以通过透视几何模型进行描述,它将三维空间中的物体投影到二维图像平面上。这种投影关系可以通过数学公式精确描述。2针孔相机模型针孔相机是最简单的成像模型,它假设相机的光圈可以视为一个无限小的孔,光线通过此孔成像。这种模型忽略了镜头的光学特性。3畸变校正实际相机镜头会产生各种光学畸变,如径向畸变和切向畸变。通过数学模型对这些畸变进行校正,可以获得更精确的成像结果。摄影机的参数化内参数摄影机的内参数描述了相机自身的几何和光学特性,如焦距、主点位置、畸变系数等。这些参数决定了物体在二维图像上的投影位置和形状。通过精确建模这些参数,可以实现更准确的三维重建。外参数摄影机的外参数描述了相机在三维空间中的位置和姿态,即相机坐标系相对于世界坐标系的变换关系。这些参数为将二维影像与三维空间进行几何对应奠定了基础。摄影测量的数学模型1透视投影模型摄影测量利用透视投影的几何关系,通过数学公式将三维物体坐标映射到二维影像平面上。这一模型考虑了相机内部参数和外部位姿等因素,为三维重建奠定基础。2线性解算法基于透视投影模型,可以使用线性代数方法对相机参数进行解算。通过大量的影像数据和控制点信息,可以得到相机的内外参数及目标物体的三维坐标。3非线性优化为进一步提高精度,需要采用非线性优化方法对上述初始解进行迭代优化。常用的算法包括bundle调整等,可以最小化重投影误差,提高测量精度。摄影测量的数据获取多角度拍摄摄影测量通常需要使用专业相机设备,如DSLR相机、三脚架等,从多个角度拍摄目标物体以获取全面的三维信息。航空摄影在一些大范围的测量任务中,使用无人机等航空平台进行航拍可以快速获取广阔区域的三维数据。三维扫描除了常规摄影,摄影测量还可利用激光扫描、结构光等三维扫描技术,直接获取目标物体的高精度三维点云数据。数据处理获取的影像数据需要通过专业的摄影测量软件进行特征提取、匹配、重建等一系列数字图像处理步骤。摄影测量的数据处理特征提取从获取的影像数据中自动提取出关键的几何特征点、边缘、纹理等,为后续的影像匹配和三维重建奠定基础。影像匹配利用特征匹配算法,将不同角度拍摄的影像中对应的物体特征关联起来,为三维重建建立联系。三维重建根据已知的相机参数和两张或多张影像中的对应特征,通过三角测量原理重建出目标物体的三维坐标点云。数据处理将上述步骤集成到专业的摄影测量软件中,实现自动化的数据处理流程,快速得到目标物体的三维模型。摄影测量的精度分析数据质量摄影测量的精度首先取决于影像数据的质量,包括分辨率、清晰度、像素深度等。高质量的影像数据是精确测量的前提。系统校准相机的内部参数、外部位姿等需要通过精细的标定和优化来获得,才能建立准确的几何模型。校准误差会直接影响最终的测量精度。控制点精度利用测量已知坐标的控制点是提高摄影测量精度的关键。控制点的布设和测量质量直接决定了三维重建的精度。数据处理算法特征提取、影像匹配、三维重建等数据处理步骤中使用的算法的准确性也会影响最终的测量结果质量。算法的优化很关键。摄影测量的误差源1相机内参误差相机的焦距、主点位置、畸变系数等内部参数存在一定误差,会影响投影关系的准确性。2相机外参误差相机的位置和姿态测量含有误差,会导致物体在空间坐标系中的定位不准确。3影像测量误差从影像中提取特征点、进行匹配等过程中会产生一定的测量误差。4控制点测量误差用作三维重建参考的控制点测量也存在误差,会传播到最终结果中。摄影测量的误差补偿标定优化通过对相机内外参数进行精细标定及优化算法的运用,可以有效降低相机几何模型误差。控制点测量采用高精度的测量方法如全站仪等,结合合理的控制点布设策略,可以大幅提高控制点坐标的精度。数据融合校正整合多源数据如GNSS、惯性测量等,利用数据融合技术可以对摄影测量结果进行全面校正。算法优化持续研发更优秀的特征提取、影像匹配、三维重建等算法,不断提高数据处理环节的精度。摄影测量的自动化全自动扫描通过机器人手臂等自动化设备,可以对复杂或大型目标物体进行全面、精准的三维扫描。大大提高了数据收集效率。智能算法处理先进的计算机视觉算法能自动提取影像特征、进行影像匹配和三维重建,无需繁琐的人工干预,大幅提升数据分析效率。无人机航测利用自主导航的无人机进行航空摄影测量,可快速获取大范围区域的高质量三维数据,应用于地形测绘、工程监测等领域。全流程自动化从数据采集、处理到最终结果输出,整个摄影测量流程都可实现自动化操作,大幅提升工作效率和结果质量。摄影测量的应用实例工程测量在建筑、道路、桥梁等工程项目中,摄影测量技术可以进行高精度的三维扫描和变形监测,为工程设计和质量管控提供重要数据支持。文物保护摄影测量可以快速获取文物实体的高精度三维模型,为文物的数字化保护、修复与展示提供依据,在文物保护领域广泛应用。医疗领域摄影测量技术在人体三维重建、矫形设计、整容手术规划等医疗领域广泛应用,为诊疗提供可视化的定量数据支持。虚拟现实利用摄影测量获取的三维模型数据,可以构建高保真的虚拟场景和数字孪生,在游戏、电影等领域有广泛应用前景。数字摄影测量的发展趋势三维传感技术随着激光扫描、结构光、时间飞行等三维传感技术的不断进步,未来摄影测量将更多地利用高精度的三维数据源。这将提升三维重建的精度和效率。智能化算法基于深度学习等先进的人工智能算法,摄影测量的特征提取、影像匹配、三维建模等关键环节将实现全自动化,大幅提升整体的数据处理效率。多源融合定位将摄影测量数据与GNSS、惯性测量等其他传感器数据进行融合,可以实现更加精准的定位和建模,应用于工程测量、无人驾驶等领域。虚拟现实应用高精度的三维模型数据可以为虚拟现实、增强现实、数字孪生等前沿技术提供支撑,在游戏、设计、培训等领域创造更沉浸式的体验。3D建模技术在摄影测量中的应用历史文物数字化利用3D扫描等技术,可以高精度地获取文物实体的三维模型数据,为文物的数字化保护和虚拟展示提供支撑。工业设备建模在工程测量领域,3D建模可以精确地捕捉复杂工业设备的几何特征,用于设计、维护、监测等方面。医疗影像重建结合3D扫描技术,摄影测量可以实现人体的高精度三维重建,应用于矫形设计、整容手术规划等医疗领域。数字孪生城市通过大范围的航空摄影测量,摄影测量可以构建高保真的数字孪生城市模型,为城市规划、管理、仿真等应用提供基础。航空摄影测量技术高空俯瞰视角航空摄影测量利用固定翼飞机、直升机或无人机等从空中拍摄影像数据,通过广阔的俯瞰视角可以高效采集大范围区域的地形、地物等信息。高精度测绘配合先进的三维成像传感器和定位系统,航空摄影测量技术可以生成高分辨率、高精度的数字地形模型和地理信息数据,应用于地理测绘、工程监测等领域。自动化操作无人机等自主航行的飞行平台,结合智能化的航线规划与影像采集系统,实现了航空摄影测量的全自动化采集与处理,大幅提升了工作效率。多传感融合将航空摄影测量数据与卫星遥感、地面激光扫描等多源数据进行融合处理,可以更加全面地获取区域的三维信息,为复杂应用场景提供支持。近景摄影测量技术精细扫描近景摄影测量利用高分辨率相机,在近距离拍摄目标物体,可以获得极其细节丰富的三维数据,适用于工业零件、文物珍品等精密对象的测量与建模。全面覆盖通过多角度、多位置的影像采集,近景摄影测量可以对目标物体进行全面的三维扫描,确保每一个细节都能准确捕捉。高效便捷相比传统接触式测量,近景摄影测量无需与目标物理接触,操作更加快捷方便,适用于难以接近或易损坏的对象。广泛应用近景摄影测量广泛应用于工业制造、文物保护、医疗影像等领域,为精密测量、数字化保护、虚拟仿真等提供支撑。特种摄影测量技术1近红外成像利用近红外光谱的成像技术,可以获取目标物体内部结构、材质成分等隐藏信息,广泛应用于文物修复、医疗诊断等领域。2多光谱扫描通过采集可见光、红外、紫外等不同波段的影像数据,可以实现对目标物体的多维度分析,用于农业遥感、环境监测等专业应用。3高速动态摄影高帧率、高分辨率的高速摄影技术,可以捕捉瞬间变化的物体运动过程,应用于机械运转分析、运动生物学研究等领域。摄影测量技术在遥感领域的应用高空遥感结合航空摄影测量技术,利用卫星和无人机等平台可以获取广域地理信息数据,应用于土地利用分析、灾害监测等遥感领域。多光谱分析通过多光谱影像数据的采集与处理,可以实现对地物的成分、状态、变化等信息的定量分析,广泛应用于农林、环境等专业领域。动态监测利用摄影测量技术获取的时间序列影像数据,可以准确监测和分析地表、建筑物、农作物等目标的动态变化,支撑城市规划、农业管理等决策。摄影测量技术在工程测量领域的应用精准三维扫描摄影测量可以高效获取建筑物、基础设施等工程对象的高精度三维模型数据,为建设规划、设计施工、质量监控等提供可靠的数据支持。变形监测利用多时相摄影数据,可以精确测量和分析桥梁、高楼等关键工程设施的变形情况,为提前预防事故隐患提供依据。施工管理无人机航测等可以实时采集工地全貌的三维数据,结合BIM技术支持工程施工进度管理、安全监控等,提高项目执行效率。管线测绘采用地面三维激光扫描或无人机航拍等技术,可以快速获取管线设施的精细三维模型,为管线维护、管网规划提供数据基础。摄影测量技术在文物保护领域的应用精细数字化保护摄影测量技术可以以高度精确的三维扫描,记录文物实体的细节形态,为数字化保护和虚拟展示提供高质量的数据基础。历史遗产修复对比新旧两期的摄影测量数据,可以准确分析文物损毁程度,为文物修复提供依据,以最大限度还原其原貌。监测变化动态定期采集摄影测量数据,可以持续监测文物保护状况,及时发现风化、自然灾害等因素导致的变化,为保护措施提供依据。摄影测量技术在医疗领域的应用医疗影像重建通过高精度的三维扫描技术,摄影测量可以准确重建人体各部位的立体结构,为医疗诊断、手术规划等提供可视化数据支持。康复辅助结合3D建模技术,摄影测量可以为假肢、矫形器等助康设备的设计和制作提供量身定制的数据基础,提