工程光学课件-摄影测量学_第3章_双像立体测图

《摄影测量学》第三章双像立体测图主要内容：1、人眼的立体视觉和立体观察2、立体像对空间前方交会3、立体像对相对定向4、单元模型的绝对定向5、立体影像对光束法严密解在摄影测量中，利用单幅影像是不能确定物体上的空间位置的，在单张像片的内、外方位元素已知的条件下，它也只能确定被摄物体点的摄影方向线。要确定被摄物体点的空间位置，必须利用具有一定重叠的两张像片，构成立体模型来确定被摄物体的空间位置。按照立体像对与被摄物体的几何关系，以数学计算方式来解求物体的三位坐标，称为双像解析摄影测量。一、人眼的立体视觉人眼单眼观察时，不能直接获取空间感视觉，而只能凭简介因素来判断景物的远近。只有用双眼观察时，才能感觉出景物有远近凸凹的视觉，称为立体视觉。摄影测量中，正是根据这一原理，对同一地区，在两个不同摄站拍摄两张像片，构成一个立体像对，进行立体观察与量测。第3章双像立体测图§3-1人眼的立体视觉和立体观察为什么双眼能观察景物的远近呢？当双眼凝视物点A时，两眼的视轴本能地交于该点此时的交向角为γ。当观察附近的B点时，交向角为γ+dγ。由于B点的交向角大于A点，所以A点较B点远。人眼怎么观察出这两个交向角的差异呢？A点在两眼中的构像为a和aˊ，B的构像为b和bˊ。由于交向角的存在，和不相等，其差称为生理视差，生理视差通过神经传到大脑，通过大脑综合，作出景物远近的判断。因此，生理视差是判断景物远近的根源。ab''abab''ab二、人造立体视觉自然界中，当双眼观察远近不同的A、B两点时，由于交向角的差异，在人眼中产生了生理视差，产生里立体视觉，能分辨物体远近。如果在双眼前分别放置感光材料P和Pˊ，则景物分别记录在感光材料上。当移开实物AB后，仍进行双眼观察，仍能看到与实物一样的空间景物A和B。这就是人造立体视觉效应。按照立体视觉原理，在一条基线的两端用摄影机获取同一地物的一个立体像对，观察中就能重现物体的空间景观，测绘物体的三维坐标。这是摄影测量进行三维坐标量测的理论基础。根据这一原理，规定在摄影测量中，像片的航向重叠要求达到60％以上，是为了获取同一景物在两张航片上都有影像，以构成立体像对进行立体量测。人造立体视觉必须符合自然界立体观察的四个条件1、由两个不同摄站摄取同一景物的一个立体像对2、一只眼睛只能观察像对中的一张像片。这一条件称为分像条件。3、两像片同名点的连线与眼基线近似平行。4、像片间的距离与双眼间的交向角相适应。以上四个条件中，第一条在摄影中应得到满足。第三、四条是人眼观察中生理方面的要求，在第三条中，如果左右影像上下错开太大，则形不成立体，不满足第四条则形不成交会角，这两条可通过放置像片位置来达到要求。而第二条在观察时要强迫两眼分别只看一张像片，这与观察自然景物时人眼的交会本能相违背，其次人造立体观察的是像平面，凝视条件不便，而交会的是视模型，随模型的远近而不同，这也破坏了人眼观察时的调焦与交会相统一的凝视本能。因此要经过训练才能裸眼立体观察，即使如此，眼睛容易疲劳，需要借助立体观察仪器来执行。三、像对的立体观察建立人造立体视觉时，都采用立体观察仪器来满足立体观察的4个条件。1、立体镜法立体镜反光立体镜2、互补色法混合在一起成为白色光的两种色光称为互补色光。品红和蓝绿是两种常见的互补色。如图在暗室中，用两投影器分别对左右片进行投影。在左投影器插入红色滤光片，右投影器中插入绿色滤光片。观察者带上左红右绿的眼镜就可以达到分像的目的，而观察到立体了。3、光闸法在投影的光线中安装光闸，两个光闸一个打开，一个关闭相互交替。人眼带上与光闸同步的光闸眼镜，这样就能一只眼睛只看一张影像了。这是由于影像在人眼中能保持0.15秒的视觉停留，只要同一只眼睛的再次打开的时间间隔小于0.15秒，眼睛中的影像就不会消失。这样虽然这只眼睛没有看到影像，但大脑中仍有影像停留，仍能观察到立体。4、偏振光法光线经过偏振器分解出来偏振光只在偏振平面上传播，设此时的光强为I1，当通过第二个偏振器后光强为I2，如果两个偏振器的夹角为α,则I2=I1cosα。利用这一特性，在两张影像的投影光路中分别放置偏振平面相互垂直的偏振器，得到波动方向相互垂直的两组偏振光影像。观察者带上与偏振器相互垂直的偏振眼镜，这样就能达到分像的目的，从而可以观察到立体。5、液晶闪闭法它由红外发生器和液晶眼镜组成。使用时红外发生器一端与显卡相连，图像显示软件按照一定的频率交替显示左右影像，红外发生器同步发射红外线，控制液晶眼镜的左右镜片交替地闪闭，达到分像的目的，从而观察到立体。应用单像空间后方交会求得像片的外方位元素后，欲由单张像片上的像点坐标来求取地面点的坐标，仍然是不可能的。因为已知外方位元素，只能确定地面点所在的空间方向。而使用像对上的同名点，就能得到两条同名射线在空间的方向，两射线相交必然是地面点的空间位置。第3章双像立体测图§3-2立体像对空间前方交会从共线方程也可说明这一点。每个同名点分别按共线方程列两2个方程，一对同名点可列4个方程，从而解算地面坐标(X,Y,Z)3个未知数。由立体像对左右影像额内、外方位元素和同名像点的影像坐标确定该点物方空间坐标的方法称为立体像对的空间前方交会。一、利用点投影系数的空间前方交会如右图，当恢复两张航片的内、外方位元素后，同名像点a1和a2的光线必然交于地面点A。两像空辅坐标相互平行，两像点的像空辅坐标分为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，地面点A在两框标系中的坐标分别为(U1,V1,W1)和(U2,V2,W2)。11111111112222222222SAUVWNSaXYZSAUVWNSaXYZ式中N1和N2为左右同名像点的投影系数。由相似三角形可知由图知，联立上面两式可知：121212,,XYZUBUVBVWBW112211221122XYZNXBNXNYBNYNZBNZ解上面的第1、3式，可得：22112121121212XZXZBZBXNXZZXBZBXNXZZX上式就是利用立体像对，确定地面点空间位置的空间前方交会公式。前方交会的计算过程如下：1、由已知的外方位元素和同名像点坐标，变换得到同名像点像空辅坐标(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)。112211122212XXY,YZZxxRyRyff212121,,XSSYSSZSSBXXBYYBZZ2、由外方位元素的线元素，计算基线分量BX、BY、BZ。3、由前方交会公式求出投影系数N1和N2。4、求A点在像空辅中的坐标U、V、W。U=NX,U=NY,W=NZ5、在U、V、W加上外方位元素的线元素，求得地面点在物方坐标系中的坐标。二、利用共线方程的严格解由共线方程111333222333()()()()()()()()()()()()ASASASASASASASASASASASASaXXbYYcZZxfaXXbYYcZZaXXbYYcZZyfaXXbYYcZZ333111333222[()()()][()()()][()()()][()()()]ASASASASASASASASASASASASxaXXbYYcZZfaXXbYYcZZyaXXbYYcZZfaXXbYYcZZ变形为：二、利用共线方程的严格解上式整理为XA,YA,ZA的函数为：12345600AAAxAAAylXlYlZllXlYlZl113213313111333423523623222333,,,,xSSSSSSySSSSSSlfaxalfbxblfcxclfaXfbYfcZxaXxbYxcZlfayalfbyblfcyclfaXfbYfcZyaXybYycZ其中，对左右影像上的一对同名点，按上式可列4个方程，可按最小二乘法解求地面点的3个未知数。若n幅影像中含有同一空间点，则可列2n个线性方程解求3个未知数。这是一种严格的、不受影像数约束的空间前方交会。通过后方交会-前方交会原理，可由像点坐标求得地物点的摄影测量坐标，这是摄影测量解求地面坐标的第一套方法。摄影测量的第二套方法是通过像对的相对定向-绝对定向来实现的。立体像对的相对定向先恢复像对之间的相对几何关系，使同名射线对对相交，建立起地面的立体模型，模型的参数（位置、姿态、比例尺等）是随意的。再通过平移、旋转和缩放，将模型纳入到地面坐标系中，这就是模型的绝对定向。第3章双像立体测图§3-3立体像对相对定向一、相对定向元素与共面方程1、相对定向元素相对定向就是要恢复摄影时相邻两影像摄影光束的相互关系，使同名光线对对相交。相对定向有两种方法：一种是连续像对相对定向，它以左片为基准，采用右片的直线运动和角运动实现相对定向，其定向元素为(bY,bZ,φ2,ω2,κ2)。另一种是单独像对相对定向，它采用两幅影像的角运动实现相对定向，其定向元素为(φ1,κ1,φ2,ω2,κ2)。这些定向元素作为未知数，是需要解求的。2、共面条件方程式如图表示一个立体模型实现正确相对定向的示意图.同名光线为S1a1和S2a2，M模型点。正确定向后，基线S1S2与两条同名光线共面，用三个矢量B，R1和R2的混合积表示：1112220XYZbbbFXYZXYZ请问，利用共面条件怎么解求定向元素呢？二、连续像对相对定向1、解算公式连续像对相对定向以左片为基准，求出右片相对于左片的相对方位元素，通常假定左片水平或其方位元素已知，选定左片的像空间坐标系作为像空辅，过S2左与左像空辅平行的右方像空辅坐标系。此时左片的相对方位元素都为0，右片的相对方位元素为bX,bY,bZ,φ,ω,κ是需要解求的。bX只影响到定向后建立模型的大小，在定向中可给予定值。此时设同名像点a1和a2在各自的像空辅坐标为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)可表示为：1122112212,XxXxYyYRyZfZf式中，R为右片相对像空辅坐标系的三个角元素φ,ω,κ组成的旋转矩阵。这样共面条件方程中的相对定向元素有5个，为bY,bZ,φ,ω,κ，是未知数。为了计算统一单位，常把bY和bZ两个线元素化为角度表示：,YXZXbbbb11222110XFbXYZXYZ由于共面条件方程式关于未知数(定向元素)是非线性的，需按泰勒级数展开，取小值一次项，得0(,,,,)0FFFFFdddFdFd式中，F0是将相对定向元素的近似值带入共面条件公式求得的F的值，dμ,dν,dφ,dω,dκ为定向元素初始值的改正数，为未知数，蓝色的为偏导系数。下面来求各偏导系数。F对线元素求偏导，有：1111122222010xxZXFbXYZbZXXYZ1111122222001xxXYFbXYZbXYXYZ推导过程仅考虑小值一次项，故坐标变换可用旋转矩阵的小值一次项来表示，为：22222111XxYyZf上式分别对φ，ω，κ求偏导为：22222001000100XxYyZf22222000001010XxYyZf22222010100000XxYyZf则F对角元素求偏导，有：1111112222110xxFbXYZbXYZXYZfx1111112222110xxFbXYZbXYZXYZfy