第4章-立体测图的原理与方法

立体测图原理与方法《摄影测量学》第4章模拟法立体测图这是用立体型的航测仪器，模拟摄影过程的反转，所以称为模拟摄影测量。70年代后，由于电子技术的发展，这类仪器已被解析测图仪代替。这种仪器测绘的地形图都是线划产品，用于建立地理基础信息库时，还需将地图进行数字化，增加了工作量。因此，目前这类仪器都在进行技术改造，增加计算机与接口设备，用计算机辅助测图，提高测图效率，并使产品具有线划与数字两种形式。可直接进入地理信息库。4－1概述解析法立体测图这是1975年以后，随着电子技术的发展而形成的一种测图方法。所用仪器为解析测图仪。像片安置在像片盘上，按前面介绍的计算公式进行解析相对定向，解析绝对定性等，求解建立立体模型的各种元素后，存储于计算机中。测图时，软件自动计算模型点对应左右像片的同名点坐标，并满足共线方程求解切准的模型点坐标，进行立体测图。这种方法精度高，不受模型法的某些限制，适用于各种摄影资料，比例尺测图任务。数字化立体测图所用仪器为数字摄影测量系统。透明底片或像片经数字化后，转变成数字形式的影像，利用数字相关技术，代替人眼观测，自动寻找同名像点并量测坐标。采用解析计算的方法，建立数字立体模型，由此建立DEM，自动绘制等高线，制作正射影像图。提供地理基础信息等。半自动的人机交互形式为主。1、模拟法立体测图原理地面点反射出的光线，通过摄影物镜记录在感光材料上，经摄影处理得到摄影底片。地面点A,M,C,D等发出的光线，通过相邻两摄影机物镜S1和S2，分别构像在左右像片上重叠范围内，成为两个摄影光束。两摄影站S1和S2的距离是空间摄影基线B。光线AS1和AS2，CS1和CS2等都是相应的同名光线。且同名光线对对相交。根据摄影过程的可逆性，将底片P1与P2装回到与摄影机相同的两个投影镜箱内，保持两投影机的方位与摄影时方位相同；但物镜间的距离缩小；此时投影基线为SS’＝b。在投影器上，用聚光灯照明，则两投影器光束中所有同名光线仍对对相交，构成空间的交点，所有这些交点的集合，构成与地面相似的光学立体模型这个过程称为摄影过程的几何反转。这就是模拟法立体测图的原理。4－2模型法立体测图原理与方法S1S2：摄影中心S1′S2′：投影中心B：摄影基线b：投影基线摄影时关键（条件）：恢复测绘时投影光束的方位，使其与摄影时的方位相同，从而建立立体模型进行测图S1a1AS2a2AB三个矢量要共面模拟时也要三线共面即保证所有同名光线对对相交。实质：确定一张像片的空间位置要知道它的内、外方位元素。每片左片：右片：00SSSfxyXYZ111111SSSXYZ222222SSSXYZ立体测图仪上的定向（三个定向）在立体测图仪上建立起一个与实地完全相似的立体模型的过程。一、内定向1.恢复两像片的内方位元素（恢复光线束）2.像片坐标与仪器坐标一致。二、相对定向目的：恢复两像片的相关位置，达到同名光线对对相交，建立与实地相似的相对立体模型。三、绝对定向目的：确定两像片经相对定向建立的立体模型的绝对位置，即将相对立体模型纳入到地面摄影测量坐标系内。作用：直接量测与地面完全相似的立体模型，测绘地物地貌，代替野外实地量测。四、模拟测图仪上的主要部件安片框：安放像片基线架：安放bxbybz。（使投影基线与野外BXBYBZ成比例）投影器：把光线投下来。每个投影器上面有六个螺丝（自由度）。投影器的各种微小运动引起承影面上投影点变化的规律：dbx：X方向动一动，Y方向没动。dby：Y方向动一动，X方向没动。dbz：升高、降低。H：投影高度（投影中心到桌面的距离）dκ：整张像片绕中心转，中间不动。dφ：投影器绕y轴倾斜。dω：投影器绕x轴倾斜。五、相对定向的定向点：1.个数：至少五个（五对同名点）一般选六个或以上。2.性质：只要是同名像点，与地面坐标无关。（无需已知地面点）3.标准点：（影响最大）①x1=0x2=-by1=y2=0②x1=bx2=0y1=y2=0③x1=0x2=-by1=y2=y④x1=bx2=0y1=y2=y⑤x1=0x2=-by1=y2=-y⑥x1=bx2=0y1=y2=-y(第6个点做检查)实际点：在标准点附近选取横向线状地物影像同名点。xy1y2模拟法立体测图过程模拟立体测图仍是通过相对定向和绝对定向两个步骤来恢复投影光束的方位，恢复像片的内方位元素之后，利用投影器的运动使同名光线对对相交，完成相对定向，建立相对立体模型。然后仍借助机械螺旋的运动．将相对立体模型进行平移、旋转、缩放，纳入到地面测量坐标系中，并规划为规定的比例尺，这就是绝对定向。（1）相对定向（光学投影器）两相邻像片任意放置在投影器上．恢复内方位元素以后，光线经投影物镜投影到承影面上成像。这时，同名光线不相交，即与承影面的两个交点不重合，这个不重合其实就是存在左右视差和上下视差。当升降测绘台时，左右视差可以消除，只存在上下视差，因此，上下视差是衡量同名光线是否相交的标志，或者说．若同名像点上存在上下视差，就说明没有恢复两张像片的相对关系，即没有完成相对定向，根据这一原则，我们可以通过运动投影器，消除同名点上的上下视差，达到相对定向的目的。仪器上表现：⒈左右视差P不影响相对定向，只影响交点（模型点）高低。⒉上下视差Q只有当Q＝0时，两条同名光线相交。因此，相对定向完成与否的标志是Q＝0。相对定向标准点位示意图，模拟测图仪上相对定向就是通过左右两个投影器的运动，消除标准点位附近6个同名点的上下视差，以达到相对定向的目的。xy1y2Q＝Y2-Y1方法1.单独像对相对定向2.连续像对相对定向单独像对相对定向元素取垂直于X轴方向单独像对相对定向元素单独像对相对定向元素单独像对相对定向元素在这样的坐标系下：单独像对相对定向元素：注意：①这里的与外方位角元素不同。②b只确定模型大小。与两像片相关位置无关。（纳入到绝对定向元素）③这样坐标系对于某像对是独立的，与其他像对无法简单连接。保持投影器基本不动，左投影器只动1，右投影器只动2。12122连续像对相对定向元素连续像对相对定向元素连续像对相对定向元素左片右片连续像对相对定向元素在这样的坐标系下：连续像对相对定向元素：注意：①这里的并不是真正的外方位角元素。②BX与两像片相关位置无关,只决定模型大小。因此纳入到绝对定向元素中。③与单独像对不同的是：五个元素中有两个直线元素BYBZ。一般是以一个投影器为基准，固定不动，而运动另一个投影器的5个螺旋，来完成相对定向。222XYZBBB222YZBB连续像对相对定向元素两个直线元素BYBZ也可以表达为角元素所以连续像对的相对定向元素也可以表达为：YXZXBtgBBtgB2221S2SXBYBZB五、仪器上实际操作：立体观测下，利用移动投影器自由度（螺丝）逐点消除同名点上的上下视差，如果五对定向点上的Q＝0，说明整片各点上的Q＝0，即相对定向完成。原则：①在定向点上某自由度影响最大。②动后一自由度时，对前一个影响最小（破坏性小）。步骤：⒈单独像对时⑴在1点上动dК2即用dК2消除1点上的Q1⑵在2点上动dК1，消除Q2⑶在3点上动dφ2,消除Q3⑷在4点上动dφ1,消除Q4⑸在6点上动dω2,过度改正(加快定向的完成速度)⑹重复⑴～⑸如果Q6还不为0，则再过度改正。⑺用5点做检查（5、6点可互换）直至Q1=Q2=Q3=Q4=Q5=Q6=0相对定向完成。说明两张像片上所有同名像点都对对相交。⒉连续像对（平坦地区）步骤：⑴用dby消除2点Q2＝0⑵用dК2消除1点Q1＝0⑶用dbz消除4点Q4＝0⑷用dφ2消除3点Q3＝0⑸用dω2在6点上作过度改正再重复至Q1=Q2=Q3=Q4=Q5=Q6=0（用5点作检查）注意：⒈实际操作时，无需计算，就观察同名像点上的上下视差。⒉步骤中的⑴与⑵、⑶与⑷可以对调。⒊3/4点可与5/6点对调。⒋过度改正倍数一般为1.5倍（经验）。（相对定向是在像空间辅助坐标系下进行的，模型大小没定，也可能左歪或右歪）立体模型的绝对定向实质：把相对定向建立起来的立体模型（像空辅内）纳入到地面摄影坐标系内，并规化为测图比例尺。坐标变换通式：现：绝对定向元素（7参数）：：模型角元素。SSSXxXYRyYZzZtpStpStpSXXXYRYYZZZSSSXYZ将控制点按其平面坐标及测图比例尺展绘在图纸上后，利用图纸的平移，旋转，使其中一个控制点在承影面上的投影与图纸上同名控制点相重合，并通过调整测绘台的起始读数使该点的高程读数与实测高程相等。然后以此控制点为中心旋转图纸，使其与另一控制点的连线与图纸上同名点连线相重合。解求3个平移量XYZ和旋转角K。调整模型比例尺是模型达到规定的图比例尺，即沿着基线方向改变投影基线的长度。这为确定模型比例尺。表示模型有倾斜，需要利用控制点将模型置平。步骤：⒈模型比例尺缩放①准备工作，制作图底（通常在像对的四个角各选一个已知地面平高点）。将已知地面点按坐标依成图比例尺展绘出来②将图底置于仪器承影面（桌面）上，用测标使（N1）垂直对准N1（可以拖动图纸）说明x、y已经对准，（N1）与N1的起点一致。【解决了XS、YS】③测标对准（N4）垂直下来，图底上垂足落在N1N4的连线（或延长线）上（转动图纸）（以N1点为圆心，解决了整个模型的转动）【解决了K】④动bx使（N4）与N4垂直方向重合（即使N1(N4)=N1N4）【解决了λ】2.模型置平：①航向置平：取去底图，用测绘台测标升（降）切准模型上的（N1）点，读高程读数Z(N1)扭动读数盘，使Z(N1)=ZN1=H1/M【解决了Zs】再用测标切准（N2）升降Φ螺丝，直至Z(N2)=ZN2＝H2/M【解决了Φ】②旁向置平：用测标切准（N3），升(降)Ω螺丝直至Z(N3)=ZN3=H3/M【解决了Ω】这时就相当于把野外实景搬到了屋内，根据建立的几何模型测绘地形图。四、地物与地貌的测绘测图时，要立体切准某一控制点，调整高程读数的起始位置，是仪器上的高程读数为该点的实测高程。如要记录平面位置，还需安置XY的读数，即调整零位置，是等于该控制点的坐标。观测任意模型点，读取该点地面三维坐标。（1）测绘地物（2）测定高程注记点（3）描绘等高线（4）检查接边（5）清绘成图五、立体测图的主要仪器设备按投影方式的不同，分为光学投影仪、机械投影仪和光学机械投影仪。主要组成部分：（1）投影系统（2）观测系统（3）绘图系统由于计算机自动控制技术、模数转换技术的发展，UV.Halava于1957年提出了数字投影的概念，即利用计算机通过严格的数学解算方法保证像片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，同样也可完成对被摄目标的立体量测。4-3解析法立体测图解析测图仪是由一台精密立体坐标量测仪、一台电子计算机、数控绘图桌、相应的接口设备以及软件系统组成的测图系统。其基本组成部分如图1所示。接口设备有编码器和伺服系统。一、解析测图仪的基本组成解析法立体测图仪的特点（1）精度高（2）功能强（3）效率高（4）具有机助绘图功能，使测图过程半自动化（5）便于实现测图自动化（6）便于建立地图数据库解析法立体测图的几个主要步骤（1）内定向在解析测图仪上像片是任意安放在像片架上的。像片坐标与像片架坐标间的关系依靠内定向软件来建立，通过量测四个（或8个）框标点的像片架坐标，其像片坐标认为是理论值。用最小二乘法解算就可求出内定向元素。（2）相对定向解析法立体测图系统能自动依次驱动车架到达通常的六个标准点位，作业员每次只需消除观察点处的上下视差，用按钮将它们记入计算机。全部点位观测完毕后，计算机就用最小二乘法解算定向方程，并显示出定向参数和点位的余差，由作业员判定是否需要重测。（3）绝对定向用户预先输入地面控制点坐标值。操作过程中立体切准控制点，记入控制点观测的模型坐标，然后按最小二乘法