近景摄影测量

Posted 2020-08-27 2008nmj

步骤：

（1）求相机的内外方位元素：三维检校场，二维检校场（单反相机变焦镜头设置为定焦模式[数码相机没有变焦一说]-->拍摄像片-->根据特征点匹配定位(二维平面检校)）

（2）建立坐标系：相对坐标系

（3）拍摄两张立体相对图像

（4）提取相对坐标：摄影测量空三

 

近景摄影测量（Close-range Photogrammetry）是摄影测量与遥感（Photogrammetry & Remote Sensing）学科的一个分支，它通过摄影手段以确定目标的外形和运动状态。主要包括地形、古文物古建筑、工业、生物医学等几个部分。

 跟航空摄影测量基本原理相同。

不同点：第一点，测量目的不同。航空摄影测量以测制地形、地貌为主，注重其绝对位置；近景摄影测量以测定目标物的形状、大小和运动状态为目的。第二点，目标物不同。航空摄影测量目标物以地形、地貌为主；近景摄影测量目标物各式各样、千差万别，大到寺庙、飞机、海轮，中到汽车、脚印，小到青蛙、手腕骨、弹壳撞击孔甚至花粉。第三点，目标景深与摄影距离之比不同。航空摄影中要求地形最大高差与相对航高之比不得大于1/6；近景中较大，景深变化造成的影像变形。第四点，摄影方式不同。航空摄影为近似竖直摄影方式；近景摄影除正直摄影方式外，还有交向摄影方式、多基线旋转摄影方式等等。第五点，获取设备不同。航空摄影以航摄仪为主；近景摄影除各种量测摄影机外，还有各类非量测摄影机，如X光机、普通相机、CCD相机等。第六点，控制方式不同。航空摄影测量的控制方式以控制点为主，且多为明显的地面点；近景摄影测量除控制点方式外，还有相对控制方式，且常常使用人工标志。第七点，近景适用于动态目标。第八点，特殊理论与处理方法。相对控制及特殊标志点、直接线性变换DLT、相机检校、大倾角（旋偏）、影像定向。

 现有的三维测量：

1. 基于测距测角的工程测量：适用于稀疏目标点高精度测量，不适用于目标点密集测量、运动姿态测量、水下目标和微观目标测量等。

2. 三维坐标量测仪：设备精密，原理简单；但设备昂贵、仅能测量小于它的静态物体、成本高。

3. 基于光干涉原理：原理简单，适用于动态对象；但仅适用于表面起伏不明显、色调较一致的平缓目标。

4. 全息技术：全息技术是一种同时记录光波的振幅（光强）和相位信息并使光波重现的技术。

5. 光截面\\结构光摄影测量

6. 基于磁力场的量测技术：利用电磁转换技术，在被测物体周围生成磁力场，用一手工操作的触杆逐点量测非金属目标的三维空间坐标。

7. 三维激光扫描技术

摄影测量的优缺点：

1. 优势

瞬间获取被测目标的大量几何和物理信息，适合于测量点数众多的目标；非接触测量手段，可在恶劣条件下作业；适合于动态目标测量；成本相对较低，精度较高；适用于各行各业。

2. 缺点

技术含量高，需专门技术人员；并不一定适用于所有测量对象：无法获取质量合格的影像、待测点少。

 

精度评定及影响因素

1. 精度评定

估算精度：按理论的估算公式计算得到。

内精度：模型本身的计算精度，与摄影测量网形有关。

外精度：检查点验证精度，精度低于内精度，更加可靠。

2. 影响因素

影像获取设备：检校精度、相机成像性能（分辨率等）；

摄影方式：摄影比例尺、摄站数量和分布、基高比、影像视数等；

控制质量：控制点精度、数量和分布；相对控制强度等；

物体自身条件：照明条件、纹理特征等；

后续处理软硬件：图像处理及摄影测量处理方法、量测仪器性能等；

 

基础知识回顾

1. 摄影测量常用坐标系

2. 共线条件方程

 

(1)影像内、外方位元素(重要组成部分)

(2)点的坐标变换(方程推导主线)

(3)方程式推导（数学表达式）

>>影像内、外方位元素

>>点的坐标变换

>>方程式的推导

回顾：摄影测量中的数字投影基础；单像空间后方交会；空间前方交会严密解；光束法平差的基本数学模型；利用DEM制作数字正射影像图；求像底点坐标；利用DEM进行单张像片测图；影像模拟。

近景摄影测量作业流程：

（1）制定整体计划及实施方案：流程、设备选择、精度评估

（2）影像获取：照明、摄影方式、控制、影像拍摄

（3）摄影测量处理：影像处理、像片解析、初级产品生成

（4）应用：建模、挖方计算、变形分析、运动分析

 

非量测摄影机（胶片）

非专为量测目的而设计，内方位元素未知，光学畸变差大，无底片改正格网，无外部定向装置等等；

包括普通135、120型照相机、一步照相机、普通立体相机、全景摄影机、电影摄影机、电影经纬仪、高速摄影机、水下摄影机、X射线机、鱼眼物镜摄影机等等；

特点：自动曝光、自动对焦、对焦距离更近、镜头配备更丰富、可与GPS集成、水下摄影、感光材料更丰富；

摄像设备：近景摄影测量的摄像设备是各类固态摄像机，可以直接获取被测目标的数字影像。

固态摄像机的核心部分是光敏元件，主要包括：

1. CCD

2. CID

3. PSD

4. CMOS

光敏元件与物镜系统结合构成固态摄像机。

摄像设备的特点：

1. 全固化，体积小，重量轻；

2. 像元几何位置精度高，且不会变动（不需要框标标定内方位元素，不需要格网改正底片变形）；

3. 具有快速的影像获取速度，普通CCD摄像机可达到25-30幅/每秒；

4. 可与计算机相连，进行实时处理；

5. 可选取不同传感器，探测不同波长的发光物体；

6. 像幅小：一般:1/2～1/3英（12.7mm~8.47mm对角线长度）；中等大小:1.25英寸(31.75mm)；较大幅面:3.34英寸(84.84mm)；->全画幅（24mm×36mm）。

7. 像元大小固定—CCD单元大小；

8. 存在电学误差；

 

CCD摄影设备的分类：

按结构：线阵CCD相机；面阵CCD相机。

按性能：标准视频幅面摄像机；高分辨率电视摄像机；静止视频画面照相机。

其中，线阵CCD相机是指CCD感光单元有序排列成一线的传感器。为摄得景物影像，一般用机械的方法，使被摄景物与线阵CCD图像传感器间产生相对移动。

面阵CCD相机属于框幅式相机。

 

标准视频幅面摄像机：对角线长度一般1/3~1/2英寸（8.5mm~12.7mm），相应的芯片有效面积4.9mm×3.7mm~6.4mm×4.8mm(按4:3)。

高分辨率电视摄像机：一般用于科研或特殊用途，分辨率达到几百万像素以上，甚至达到几千万像素；

静止视频画面照相机：数码相机，分辨率多种，功能多寡不一。

 

摄像方式

1.正直摄影方式

摄影时两摄影机主光轴相互平行且垂直于摄影基线的摄影方式。

2.交向摄影方式

摄影时两摄影机主光轴大体位于同一平面内，且不平行、不同时垂直于摄影基线的摄影方式。

常采取100%重叠方式。

 单模型交会方式：不能兼顾近景和远景地物变形、交会精度

>>模型基高比较小情况：近景被摄物体具有合适交会角，影像变形也不大；但是对于远景被摄物体，交会角太小，测量精度有限；

>>模型基高比较大情况：远景被摄物体具有合适交会角，影像变形也不大；但是对于近景被摄物体，交会角可能太大，影像变形太大，不利于自动化匹配；

>>交会角、影像变形、自动化匹配和测量精度几个关键因素相互制约，是地面近景摄影测量需要解决的关键问题；

可以采用多重交向摄影方式

多基线旋转摄影方式

 

 

正直摄影方式的精度估算式

以左摄影中心为原点，两摄影中心的连线（摄影基线）作为X轴；设物方有一点A（X,Y,Z），在两张像片上的对应像点为a1（x1,y1,）,a2(x2,y2)；设航高H、主距f、基线B、左右视差p，左右视差中误差mp、像点x方向中误差mx、y方向中误差my；

 

 1. 以（x,y,p）为观测值的估算式

在不考虑摄影基线m 和主距误差m，而仅以（x，y，p）为误差源的情况下:

根据误差传播律可得：

 其中，k1=H/B称为构形系数，与交会图形有关；k2=H/f为摄影比例尺分母；

则上述中误差可简化为：

 

以（x1,y1, x2,y2）为观测值的估算式

>>因为左右视差p=x1-x2，则dp=dx1-dx2；

>>根据误差传播规律

>>像点量测误差在x、y方向相同：mx=my=m;mp=√(2).m

代入立体观测估算式，有：

 在实施之前需要根据估算式估算精度，具体要求如下:

>>应尽可能缩小比例尺分母系数k2，即尽可能缩小摄影距离或者选择较大的摄影主距；

>>尽可能缩小构形系数k1，即加大基高比；

>>为了提高物方点的测量精度，应提高像点位置的量测精度和去除影响像点位置的各类误差；

>>一般情况下，深度方向的误差M 最大，即用下式来评价摄影测量精度；

 

景深与曝光时间的确定

1. 有关概念

（1）调焦距D：摄影中心与调焦最清晰点间的距离。通俗的说即为物距。

 

近景摄影测量的控制：借助控制点或相对控制，把近景摄影测量网纳入给定的物方空间坐标系。

 

基于共线条件方程式的近景像片解析处理方法

>>模拟法近景摄影测量

>>解析法近景摄影测量（基于共线条件方程式、前方交会、后方交会、直接线性变换解法、基于共面条件方程式）

>>数字近景摄影测量

 一、基于共线条件方程式的像点坐标误差方程的一般式