第四章立体观察和立体量测4

第四章双像立体测图基础与立体测图第一节人眼的立体视觉原理与立体量测一、人眼观察物体的远近人眼是一个天然的光学系统，结构复杂。瞳孔角膜虹膜水晶体视网膜网膜窝视神经摄影测量中，正是根据人眼的立体视觉，对同一个地区要在两个不同摄站点上拍摄两张像片，构成一个立体像对，进行立体观察与量测。那么，人的双眼为什么能观察景物的远近呢？由于两点在眼中构像存在着生理视差σ，此种由交会角不同而引起的生理视差，通过人的大脑就能作出物体远近的判断。二、人眼的分辨能力与观察能力单个人眼观察两点间的分辨力为45´´，线状地物的分辨率为20，双眼观察精度比单眼要高，观察点状物体的分辨力约为30´´，观察线状物体的分辨力约为12´´。人眼要分辨出物体两点的远近，就要使交会角的差异能在人眼辨别：rrrfbLbrLL22σ为生理视差，fr为眼主距。人造立体视觉一、人造立体视觉的产生自然界中，当用两眼同时观察空间远近不同的A与B两个物点时，如图，由于远近不同而形成的交会角的差异，便在人的两眼中产生了生理视差，得到一个立体视觉，能分辨出物体远近。根据这一原理，在P1与P2两个位置上，用摄影机摄得同一景物的两张像片，这两张像片称为立体像对。这种观察立体像对得到地面景物立体影像的立体感觉称为人造立体视觉。按照立体视觉原理，我们只要在一基线的两端用摄影机获取同一地物的一个像对，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测量的理论基础。二、观察人造立体的条件摄影测量中，人造立体的观察必须满足形成人造立体视觉的条件。归纳如下：1、由两个不同摄站点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。（分像条件）3、两眼各自观察同一景物的左、右影像点的连线应与眼基线近似平行。4、像片间的距离应与双眼的交会角相适应。三、立体效应的转换满足条件的基础上，两张像片有三种不同放置方式，因而产生了三种立体效应：正立体、反立体和零立体效应。1、正立体效应如图（a），把左方摄影站摄得的像片P1放在左方，用左眼观察；右摄影站摄得的像片P2放在右方，用右眼观察，就得到一个与实物相似的立体效果，称为正立体。2、反立体效应把左方摄站摄得的像片P1放在右方，用右眼观察；右方摄站摄得的像片P2放在左方用左眼观察，如图（b）。这种立体效应称为反立体。或是在组成正立体效应后，将左右像片各旋转180°，如图（c），同样可得到一个反立体效应。3、零立体效应将正立体情况下的两张像片，在各自的平面内按同一方向旋转90°，使像片上纵横坐标互换了方向。像片上原来的纵坐标y轴转到与基线平行，此时生理视差变为像片的y方向的视差，因而失去了立体感觉成为一个平面图像。这种立体视觉，称为零立体效应。四、立体观察与立体量测建立人造立体视觉时，要求观察立体像对的双眼分别只能观察其中的一张像片，俗称分像。观察时，一种是直接观察两张像片，构成立体视觉，是借用立体镜来达到分像。另一种是通过光学投影，将两张像片的影像重叠投影在一起，称为分像法的立体观察。1、用立体镜观察立体立体镜的主要作用是一只眼睛能清晰地只看一张像片的影像。最简单的立体镜是桥式立体镜，如下图所示：航摄像片像幅较大，为了便于航摄像片对的立体观察，而设计的一种立体观察工具称为反光立体镜，如下图：用立体镜观察立体时，看到的立体模型与实物不一样，主要是在竖直方向夸大了，这种变形有利于高程的量测，但由于量测像点坐标没有变化，所以不会影响量测结果。2、重叠影式观察立体1、互补色法原理如右图所示：是光线照射透明的左右像片，并使其影像叠印在同一个承影面上，然后通过某种方式使得观察者左右眼分别只看到一张像片的影像，从而得到立体效应。常用的方法有互补色法、关闸法、偏振光法，液晶闪闭法。可用互补色法观测立体的航摄像片2、光闸法优点：投影光线的亮度很少损失缺点：振动与噪音不利于工作3、偏振光法在两张影像的投影光路中，放置两个偏振平面相互垂直的偏振器，在承影面上就能得到光波波动方向相互垂直的两组偏振光影像。偏振光可用于彩色影像的立体观察，获得彩色的立体模型。像对的立体量测一、双测标量测法双测标量测法，是用两个刻有量测标记的测标放在两张像片上，或放置在左右像片的观察光路中，当立体观测像片对时，左右两个测标构成一个空间测标，当左、右测标分别在左右像片的同名地物点上时，就构成测标与该地物点相贴。此时，移动像片或观测系统的手轮可直接读出该点量测坐标系中的坐标x1、y1与x2、y2。或者以测标切到某一高程，用左右手轮运动，保证测标沿立体模型表明紧贴移动，即可带动测图设备绘出等高线。二、单测标量测法单测标法是用一个真实测标去量测立体模型，如图像点坐标量测仪器用解析方法处理摄影的像片时，都要首先量测出像点的坐标x，y。量测这些数据的专用一起，称为立体坐标量测仪。蔡司（耶拿）StecometerC型立体坐标量测仪蔡司（上科恩）PSK型立体坐标量测仪HCZ-1型立体坐标量测仪第二节立体像对与双像立体测图一、立体像对的点、线、面摄影基线同名像点同名射线核面核线核点主核面左右主核面垂核面二、双像立体测图：内定向/相对定向/绝对定向/测图摄影时摄影基线、同名射线、同名像点与地面点间有固定的几何关系，若能恢复像片的内外方位元素，即可建立起立体模型，其过程是：1.恢复像片对的内方位元素，内定向。2.恢复像片对的外方位元素。分两个步骤：相对定向（相对定向元素）和绝对定向（绝对定向元素）摄影测量双像立体测图方法有：1.模拟法立体测图模拟型立体测图仪，建立立体模型时不用解析计算相对定向与绝对定向元素，而完全是机械运动来模拟。主要为线画产品2.解析法立体测图。解析测图仪解析计算相对定向与绝对定向元素，由计算机计算人眼寻找同名像点。适用于各种摄影资料和各种比例尺，成果为数字产品。3.影像数字化立体测图。数字摄影测量系统确定一个立体像片对需要12个外方位元素：一类为相对方位元素，另一类为绝对方位元素。相对方位元素用来确定两相邻像片的相对位置和姿势；绝对方位元素是确定立体像对在规定坐标系中的位置和姿势。相对方位元素由于选取像空间辅助坐标系的不同，其相对定向元素也有所不同。第三节立体像对得相对定向元素与模型的绝对定向元素独立像对相对定向系统：摄影基线固定水平连续像对相对定向系统：左像片置平或位置固定不变选取不同的像空间辅助坐标系，有不同的相对定向元素1、连续法相对定向系统当像空间辅助坐标系的原点取在摄站点上，其坐标轴系保持与立体像对中左片的空间坐标系的轴系分别重合，则左片对像空间辅助坐标系的外方位元素的角元素为零，两像片外方位元素的相对差为：1212ssyssxYYBXXB其中By，Bz，Δω，Δκ就是五个相对定向元素。而Bx只决定立体模型的大小，不影响相对方位。采用这组相对定向元素的相对定向方法称为连续法像对定向。它在完成相对定向建立立体模型的过程中，像片对中的左片的方位始终保持不变，而右片只相对于左片作五个相对运动。2、单独法相对定向系统当选定适当的像空间辅助坐标系使两像片的外方位元素保持的相对关系。这时左、右像片作相对变化的元素为φ1，κ1，φ2，ω2，κ2。同样B只决定模型的比例尺，不改变相对方位。这五个元素φ1，κ1，φ2，ω2，κ2称为单独法相对定向的相对定向元素。0,,12121ssssZZYY三、模型的绝对定向元素第四节模拟法立体测图一、模拟法立体测图原理利用光学投影或机械投影来模拟摄影时的反转过程，用双像建立立体模型，需在特定的模拟型立体测图仪上进行。内定向，人工在测图仪上安置有关数据，主距和像片等。二、模拟法相对定向在测图仪上进行，通过移动测图仪上投影器的有关小螺旋，使同名光线对对相交。1.上下视差QQ同名光线投影在承影面上有两种情况：一仅在X方向有偏离，可通过升降承影面使同名光线相交一点。二仅在Y方向有偏离，为Q，当Q＝0时则完成了相对定向，否则用投影器的螺旋运动消除。2.投影器微小移动引起承影面上投影点的移动规律2.投影器的六个螺旋分别移动一微小量引起的点位变化规律3.上下视差与相对定向元素的关系式4.在模拟测图仪上进行相对定向当在5个同名点上都消除了上下视差，那么像对中其他投影点也不存在上下视差了，就完成了相对定向。但为了检核，一般选取六个标准点位进行。模拟法绝对定向解析法立体测图一、解析测图仪的组成：（CompositionofAnalyticalStereoplotter）◆解析测图仪是由一台精密立体坐标量测仪、电子计算机、数控绘图桌、相应的接口设备和伺服系统、软件系统以联机方式组成。电子计算机是它的核心。用数学方式解算立体像对上像点坐标与相应模型点的三维坐标，通过数学模型，建立像点、投影中心、物点三点共线，完成点位、断面、地物与等高线的量测任务。成果记录在磁带上，是一种数字化产品，通过数字绘图桌绘出图解式地形原图。二、解析测图仪的优点：（MeritsofAnalyticalStereoplotter）◆与各种模拟测图仪比较，解析测图仪有如下明显的优点：1.精度高。由于解析测图仪光机部分构造简单，机械运动少，易于做成稳定的结构。偶然误差的影响可通过平差配赋。仪器的最小读数为1~2。2.功能强。3.效率高。4.具有机助绘图功能。5.便于实现测图自动化。6.便于建立地图数据库。三、解析测图仪的原理：（PrincipleofAnalyticalStereoplotter）●解析测图仪是用计算机进行解算，但输入坐标的方式有两种：一是输入物方坐标，用计算机解算相应的像点坐标，并驱使像片盘达到像点的位置。二是用坐标仪输入像点坐标，计算机求出相应物点的坐标。实践证明，输入物方坐标更加灵活实用，所以大多数解析测图仪都属于这一类。图8——17为输入模型坐标计算像点坐标的解析测图仪工作原理。像片放在像片盘上后，由观测者在键盘上把摄影机主距、物镜畸变差、大气折光差、地球曲率等必要的数据输入，并输入像片四个框标的理论值。单像观测每个像片的四个框标，计算机即可进行内定向，确定像主点位置，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。解析解析测图仪的硬件与软件一、解析测图仪的硬件：（HardwareofAnalyticalStereoplotter）解析测图仪的硬件是指光、机、电各部分结构的实体，主要包括精密立体坐标量测仪、接口设备、电子计算机等。1.精密立体坐标量测仪。机械结构的要求偏重于稳定、简单。增设DOVE旋像棱镜与ZOOM变倍系统。增高与电子计算机的接口设备。2.接口设备。解析测图仪接口设备的功能，是有坐标量测仪、绘图桌、计算机及操作台之间沟通信息。3.计算机。解析测图仪也可以认为是一个联机的数据采集处理系统，电子计算机（包括微处理机）是它的核心，它担负着全部数据的计算与管理，4.数控绘图桌。用解析测图仪进行数字测图时，可将数据采集与绘图分开进行，即数据采集后要经过编辑加工后输入数据库。当需要绘图时，再从库中取出相应的数据进行机控绘图。二、解析测图仪的软件1.计算机操作系统。这是由厂家提供的软件，与一般计算机的组成中的操作系统概念一致。解析测图仪的实时程序与应用程序由它负责管理和支持。2.摄影测量系统。它包括实时程序和应用程序。（1）实时程序的计算速度应大于每秒30周，即从极高的频率实现重复计算。在各类解析测图仪上，通常可达到30-100周/秒。实时程序由厂家编写，一般用机器码语言，由时钟控制，用户一般难以修改。（2）应用程序是用来完成用户各种要求的摄影测量作业任务的软件，这部分一般用高级语言编写，由作业员操作