于數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測量技術(shù)研究

1、東北大學(xué)博士學(xué)位論文 獨(dú)創(chuàng)聲明 獨(dú)創(chuàng)聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示誠摯的謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽 字 日 期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、交流。（如作者和導(dǎo)師同

2、意網(wǎng)上交流，請?jiān)谙路胶灻悍駝t視為不同意）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo) 師 簽 名：簽 字 日 期： 簽 字 日 期：- I -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 基于數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測量技術(shù)研究關(guān)鍵詞：摘 要 - II -東北大學(xué)博士學(xué)位論文Key words： Abstract Camera Based Abstract - III -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 目 錄獨(dú)創(chuàng)聲明 . I 摘 要 . II Abstract. III 目 錄 . IV第一章 緒論 . 11.1 引言 . 11.2 近景攝影測量的起源和發(fā)展 . 21.3 近景攝影測量的應(yīng)用 . 41.4 數(shù)字近景攝影測量的現(xiàn)狀及本文研

3、究的主要內(nèi)容 . 9第二章 近景攝影測量的基礎(chǔ)理論 . 122.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與坐標(biāo)變換 . 122.1.1 世界坐標(biāo)系 . 122.1.2 攝象機(jī)坐標(biāo)系 . 122.1.3 圖象坐標(biāo)系 . 122.1.4 像素陣列坐標(biāo)系 . 122.1.5 歸一化坐標(biāo)系 . 132.1.6 坐標(biāo)變換 . 132.2 攝象機(jī)模型 . 132.2.1 針孔模型和透視投影 . 142.2.2 攝象機(jī)外參數(shù) . 152.2.3 攝象機(jī)內(nèi)參數(shù)和歸一化攝象機(jī) . 162.2.4 攝象機(jī)模型 . 182.3 空間點(diǎn)的三維重構(gòu) . 18第三章 數(shù)碼相機(jī)及其標(biāo)定 . 213.1 數(shù)碼相機(jī) . 21- IV -東北大學(xué)博士學(xué)位論

4、文 目 錄 3.1.1 數(shù)碼相機(jī)的工作原理 . 213.1.2 數(shù)碼相機(jī)的性能指標(biāo) . 213.1.3 數(shù)碼相機(jī)的鏡頭 . 223.1.4 數(shù)碼相機(jī)鏡頭的特點(diǎn) . 233.1.5 數(shù)碼相機(jī)鏡頭的類型 . 283.1.6 數(shù)碼相機(jī)選擇的標(biāo)準(zhǔn) . 283.2 攝像機(jī)定標(biāo)基本方法 . 293.3 基于二維棋盤狀參照物的定標(biāo)原理 . 31第四章 自動標(biāo)定計(jì)算 . 344.1 引言 . 344.2 棋盤格模板內(nèi)部角點(diǎn)的特征分析 . 354.3 棋盤格模板內(nèi)部角點(diǎn)的識別 . 364.3.1 棋盤格模板圖像角點(diǎn)的檢測 . 364.3.2 棋盤格模板黑白方格交點(diǎn)的識別 . 374.3.3 棋盤格模板柵格線交點(diǎn)

5、的識別 . 394.4 棋盤格模板內(nèi)部角點(diǎn)的定位 . 414.4.1 內(nèi)部角點(diǎn)陣列的確定 . 414.4.2 棋盤格模板參考坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)的確定 . 424.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 . 444.6 結(jié)論 . 46第五章 近景攝影測量中的攝影技術(shù)與方法 . 485.1 攝影技術(shù) . 485.1.1 視場 (f.o.v) . 485.1.2 聚焦 . 495.1.3 曝光 . 495.2 測量原理攝影測量的第二核心部分（攝影測量過程） . 495.2.1 三角測量法 . 50- V -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 5.2.2 后方交會 . 515.2.3 自我標(biāo)定 . 515.2.4 成組調(diào)整（前方交會

6、） . 525.2.5 影響測量精度的因素分析 . 535.2.6 確定攝影測量的比例 . 545.3 攝影測量過程（步驟） . 555.3.1 制定測量計(jì)劃 . 555.3.2 定義物體空間坐標(biāo)系統(tǒng) . 565.4 攝影測量方法 . 565.4.1 測量方法的分類 . 565.4.2 制訂不同類型的測量方案 . 59第六章 對應(yīng)點(diǎn)的確定 . 706.1 引言 . 706.2 雙目立體視覺中的極線約束 . 716.3 匹配算法 . 736.4 匹配方案的決策性討論 . 78第七章 精度與誤差分析 . 827.1 影響精度的主要因素 . 827.2 誤差仿真分析 . 837.2.1 計(jì)算機(jī)仿真模

7、型的建立 . 847.2.2 仿真分析 . 847.2.3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果 . 857.3 提高精度的措施 . 93第八章 雙目數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng) . 958.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 . 958.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 . 958.3 系統(tǒng)的主要功能 . 95- VI -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 8.3.1 攝象機(jī)標(biāo)定 . 978.3.2 雙目結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定 . 998.3.3 目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算 . 1018.3.4 其它功能 . 103第九章 總結(jié)與展望 . 104 參考文獻(xiàn) . 105 致謝 . 106- VII -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 第1章 緒論1.1 引言攝影測量可以在不

8、接觸被測對象的情況下，瞬間獲取被測對象的高密度信息，有著其它測量方法所不能比擬的優(yōu)勢。非接觸測量對被測物體不用加以任何干擾限制，因此可以獨(dú)立地、客觀地對被測物進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的測量。這使得許多不能在被測物上附加傳感器的測量成為可能，而且更客觀和直觀。攝影測量可從不同角度進(jìn)行分類。按攝影距離的遠(yuǎn)近分，可分為航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量、近景攝影測量和顯微攝影測量。按處理的技術(shù)手段分，有模擬法攝影測量、解析法攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量。按用途分類，有地形攝影測量與非地形攝影測量。地形攝影測量主要用于測繪國家基本地形圖，工程勘察設(shè)計(jì)和城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地等部門的規(guī)劃與資源調(diào)查用圖和相應(yīng)的數(shù)據(jù)

9、庫；非地形鑷影測量用于解決資源調(diào)查、變形觀測、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察、彈道軌跡測量、爆破以及工業(yè)、建筑、考古、地質(zhì)工程、生物醫(yī)學(xué)等方面的科學(xué)技術(shù)問題。傳統(tǒng)攝影測量中，信息源是一幅圖像或圖像序列，其記錄介質(zhì)主要是各種感光膠片，包括靜態(tài)測量的照相底片和動態(tài)測量的各種規(guī)格的電影膠片。以往對攝影圖像主要是由人工進(jìn)行處理。例如直接在照片上使用直尺、腳規(guī)等工具進(jìn)行測量，或用投影儀將膠片放大到屏幕上再對目標(biāo)進(jìn)行判讀測量。這種采用人工判讀處理的方式，不但需要專門的判讀設(shè)備，而且耗時費(fèi)力，易出錯，精度低，從而限制了攝影測量的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，攝影測量已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字?jǐn)z影測量時代。數(shù)碼影像因其便于計(jì)算機(jī)處

10、理、存儲和通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用，數(shù)字圖像或數(shù)字圖像序列取代傳統(tǒng)的底片和膠片已經(jīng)成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢。利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理分析技術(shù)對攝影圖像進(jìn)行處理和分析就形成了數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)。該技術(shù)使得攝影測量方法有了質(zhì)的飛躍，增強(qiáng)了攝影測量的手段，擴(kuò)大了攝影測量的應(yīng)用范圍，有效提高了測量精度。數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)與傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)相比有以下幾個突出優(yōu)點(diǎn)：（1）提高圖像的質(zhì)量。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對圖像進(jìn)行各種處理，如圖像- 1 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 增強(qiáng)、邊緣銳化、濾除噪聲等。（2）提高測量的精度。利用提高攝像機(jī)、掃描儀等圖像采集設(shè)備的硬件分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭放大倍數(shù)等方法，

11、使獲得的圖像目標(biāo)點(diǎn)比傳統(tǒng)方法更多、更精確。同時利用各種圖像目標(biāo)模式定位方法，特別是亞像素定位技術(shù)，可以明顯地提高圖像目標(biāo)的定位精度。（3）可測量傳統(tǒng)方法不易測量的物理量。許多肉眼無法分辨的物理量，如干涉條紋的亮度變化量，某異形區(qū)域的面積，某連續(xù)變化的亮度場、色彩場、條紋方位場等，都可以利用數(shù)字圖像處理分析技術(shù)來進(jìn)行測量。（4）對成象系統(tǒng)的高精度標(biāo)定和誤差修正。（5）自動化程度高。隨著數(shù)碼相機(jī)的廣泛應(yīng)用，其性能越來越高、價(jià)格越來越低，數(shù)碼相機(jī)在攝影測量的應(yīng)用將是攝影測量發(fā)展的必然趨勢。1.2 近景攝影測量的起源和發(fā)展攝影的像就是物體在底片平面上的中心投影或物體的透視成像。透視成像方法早在遠(yuǎn)古時候

12、就被發(fā)現(xiàn)，不過當(dāng)時還是以幾何學(xué)為基礎(chǔ)的。比較詳細(xì)闡明這一透視成像的幾何原理是學(xué)者廉翁獨(dú)大維契(1452-1519年)。1839年達(dá)蔡爾發(fā)明了攝影學(xué)，隨之在1858年由巴黎攝影師納達(dá)首先從空中對地面進(jìn)行了攝影試驗(yàn)。十九世紀(jì)中，法國人Laussedat研究應(yīng)用量測相機(jī)拍攝地面像片來繪制地形圖。1901年德國的Pulfrich和1903年南非的Fourcado分別研究并制出了立體坐標(biāo)量測儀，發(fā)展為地面立體攝影測量。1838年Wheatstne發(fā)明了立體鏡。到1907年Jena Zeiss廠設(shè)計(jì)了第一臺立體自動測圖儀，使測圖方法得到進(jìn)一步完善。地面立體攝影測量與平板儀測圖相比，成圖質(zhì)量高，勞動強(qiáng)度低。

13、許多部門對小范圍山地和山區(qū)中局部陡峭的地段，仍然在應(yīng)用地面立體攝影測量測制地形圖。只是在1911年發(fā)明飛機(jī)以后，航空攝影測量方法得到迅速的發(fā)展。航空攝影測量早己成為世界各國測繪地形圖的主要方法，這種方法在二十世紀(jì)初，由于受到攝影條件和儀器精度的限制，一般僅用于在中、小比例尺(1: 10萬一1: 2.5萬)的地形圖測繪上。直到- 2 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 六十年代，各種精密立體測圖儀的大量出現(xiàn)，攝影測量就被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各種大比例尺測圖工作中。自1957年U.Helava發(fā)表“攝影測量測圖儀的新原理”，首次提出解析測圖儀的設(shè)計(jì)思想以來，到目前已出現(xiàn)十幾種解析測圖儀。隨著電子

14、計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，解析測圖儀也已發(fā)展到自動化的解析測圖儀。近年來攝影像片數(shù)字化有了很大的發(fā)展，主要是攝影像片影像(密度)變成數(shù)字或是把大量像點(diǎn)坐標(biāo)記錄下來，然后用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，自動繪制等高線，用繪圖儀繪成線劃圖或是直接用數(shù)字形式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，這就是數(shù)字?jǐn)z影測量。攝影測量從七十年起，由于科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，使它完全突破了測繪地形圖的范圍，因而發(fā)展出來一個新的分支非地形攝影測量或稱為近景攝影測量，其實(shí)質(zhì)就是攝影測量在各個學(xué)科中的應(yīng)用。近景攝影測量最早是在建筑上應(yīng)用。就建筑攝影測量的任務(wù)而言，不只是記錄建筑物和紀(jì)念碑，還要考慮到損壞后的重建工作，以及測定其變形等工作。目前，全世界在建筑學(xué)上已廣

15、泛應(yīng)用近景攝影測量。直到第一次世界大戰(zhàn)，近景攝影測量的發(fā)展幾乎和攝影測量的發(fā)展是一樣的。二者都是從地面站拍攝像片，使用的方法和儀器也相同。到1920年攝影測量己經(jīng)主要使用航空像片了。同時為使用航空像片而發(fā)展了立體測圖儀器，這些儀器是用光學(xué)、機(jī)械辦法來恢復(fù)被攝地區(qū)的立體模型。這些儀器主要用于測制地形圖，而有些儀器的設(shè)計(jì)也可適用于地面攝影測量和近景攝影測量。從1920年到1960年期間，發(fā)展了使用固定基線的立體量測相機(jī)，這種相機(jī)的測圖系統(tǒng)能用于建筑、考古、工程、采礦和事故等方面，這些都是近景攝影測量的重要發(fā)展。當(dāng)時近景攝影測量所使用的模擬儀器主要有三種類型:(1) 專為近景攝影測量所設(shè)計(jì)的正直攝影

16、測圖儀；(2) 兼用于航空攝影和地面攝影的全能型儀器，這種儀器具有相當(dāng)大的傾斜范圍、景深、主距和基線安置范圍；(3) 專為航空攝影測圖所設(shè)計(jì)的全能型儀器，使用垂直和近似垂直航攝像片，但有時也可用來進(jìn)行近景攝影測量。由于電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及高精度立體(平面)坐標(biāo)儀的生產(chǎn)，因而使解析法- 3 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 得到應(yīng)用，人們認(rèn)真研究了解析空中三角測量，進(jìn)行電算加密，不但提高了加密點(diǎn)的精度，同時也減輕了野外體力勞動。這是航空攝影測量的重大發(fā)展。為提高地面攝影測量的精度，以適應(yīng)非地形攝影測量日益廣泛的應(yīng)用需要，人們己將空中解析三角測量的基本原理應(yīng)用到地面攝影測量中，亦即所謂解析

17、地面攝影測量。70年代初己進(jìn)一步發(fā)展到直接線性變換DLT的解算方法，使近景攝影測量的應(yīng)用有了更大的靈活性，并在實(shí)際應(yīng)用中己取得了令人滿意的成果。為解決活動目標(biāo)及快速變化物體的有關(guān)問題，儀器制造也有了新的發(fā)展，其特點(diǎn)是：兩部攝影機(jī)快門的同步化并能自動連續(xù)拍攝以及帶有時標(biāo)的高速攝影機(jī)等。實(shí)際應(yīng)用中的一個重大發(fā)展，不但使用量測攝影機(jī)(即有框標(biāo)與定向設(shè)備)，而且已廣泛使用非量測攝影機(jī)，亦即所謂的普通業(yè)余照相機(jī)，普通業(yè)余照相機(jī)不但價(jià)錢便宜，而且具有較大的靈活性。特別是數(shù)字相機(jī)的出現(xiàn)，以及其精度的不斷提高和價(jià)格的不斷降低，使得數(shù)字近景攝影測量在實(shí)際中得到廣泛地應(yīng)用。1.3 近景攝影測量的應(yīng)用近年來發(fā)展迅速

18、的非地形攝影測量就是為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)各部門的需要，由地面攝影測量而發(fā)展起來的。目前己經(jīng)在許多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用非地形攝影測量的方法解決某些特定的問題。例如在一些科學(xué)技術(shù)工作中，往往要知道所研究對象的變化規(guī)律或變化軌跡，非地形攝影測量不但能測量目標(biāo)物的位置、形狀、大小，而且可以得到更多標(biāo)量，例如面積、周長、重心、容積、角度和不均勻度、并能測得速度、加速度和變形時間等研究其三維或四維的空間變化。在這方面，非地形攝影測量是一種高速、精確甚至有時無法用其它途徑所能取代的量測方法。近景攝影測量可采用構(gòu)成影像數(shù)學(xué)模型的中心投影光束，也可采用掃描確定影像(方向和距離)的平行投影和其他投影方式等，其傳感系統(tǒng)不單使用

19、照相機(jī)和軟片，也可使用X射線，掃描和電傳輸顯微鏡或帶有模擬數(shù)字輸出的光電二極管。近景攝影測量應(yīng)用范圍很廣，如變形攝影測量、建筑攝影測量、工程攝影測量、工業(yè)攝影測量、考古攝影測量、生物醫(yī)學(xué)攝影測量、水中攝影測量、事故攝影測量、波浪攝影測量以及特殊攝影測量等。以下就近景攝影測量在許多方面應(yīng)用情況進(jìn)行介- 4 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 紹和總結(jié):(一) 變形攝影測量用近景攝影測量方法量測物體的變形，主要是確定在像片上被測求點(diǎn)的坐標(biāo)與其實(shí)際的坐標(biāo)的較差(或與設(shè)計(jì)的已知數(shù)據(jù)比較)，從而確定某個方向的變形，或確定幾個方向的變形。例如用近景攝影測量方法觀測高層建筑物的變形。高層建筑物變形觀測工作

20、是工程測量的一個重要工作。由于高層建筑(如高層大樓、高煙囪、高塔、大油罐、冷卻塔等)用傳統(tǒng)的大地測量方法作業(yè)比較困難，而要測定各個部位的變形情況，應(yīng)用近景攝影測量方法就比較有利，許多國家近年來在這方面做了不少研究工作，并己取得不少實(shí)際成果。例如西德Darmstadt工程院發(fā)表了他們對高142m的43層大樓進(jìn)行變形觀測的研究成果。采用了大地測量和攝影測量綜合測定點(diǎn)位的方案。使用的攝影機(jī)是Wild BC4型彈導(dǎo)攝影機(jī)，焦距為45cm，像幅為17X 17cm。在六個攝站對該建筑物各個方向進(jìn)行了測定，攝影距離在120-180m之間，其中二個攝站在屋頂上?？刂泣c(diǎn)測量使用的是AGA710激光電子速測儀及N

21、it水準(zhǔn)儀，內(nèi)業(yè)量測儀器為精密立體坐標(biāo)量測儀PSK-2，大地測量與攝影測量的計(jì)算工作均在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。近景攝影測量是用光束法進(jìn)行計(jì)算的。最后成果表明，近景攝影測量方法達(dá)到了應(yīng)用高精度大地測量方法的精度。前蘇聯(lián)在“高教通訊”上發(fā)表了關(guān)于“用立體攝影測量方法測定高層建筑的傾斜”。他們用攝影經(jīng)緯儀，9/1318對煙囪的傾斜進(jìn)行了測定。用該法可以達(dá)到施工規(guī)范中對傾斜與煙囪高度比所規(guī)定的要求，即相對誤差1/16000。東德Freiberg礦山研究所發(fā)表了對某露天煤礦運(yùn)輸橋在負(fù)載情況下進(jìn)行變形研究的報(bào)告。使用的攝影機(jī)為UMK10/1918和19/1318攝影經(jīng)緯儀，內(nèi)業(yè)量測為立體坐標(biāo)量測儀1818。用視差

22、變形的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。在不同負(fù)載的情況下，研究了橋的各個支點(diǎn)及各個部位的變形情況(主要是垂直變形)，平均精度在士1cm以內(nèi)。(二) 建筑攝影測量的情況近景攝影測量在建筑業(yè)上是最早得到使用的，甚至就連“攝影測量”這個術(shù)語，也是早在1867年由一位建筑師阿爾布雷特邁登鮑埃爾AlbrechtMeydenbauer)命名- 5 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 的。目前近景攝影測量在建筑方面的應(yīng)用極其廣泛，包括歷史紀(jì)念物測量、考古測量和歷史遺址的測量。測量任務(wù)不只是記錄建筑物和紀(jì)念碑，還能考慮建筑物損壞后的重建工作，以及量測、變遷、變形和修復(fù)工作等等。在一些國家對古跡建筑物，如教堂、宮殿、廟宇等

23、古代建筑物，用地面立體攝影測量方法進(jìn)行藝術(shù)研究與修復(fù)工作。如柏林博物館應(yīng)用地面立體攝影測量方法來復(fù)制某些有價(jià)值的藝術(shù)品，英國對愛丁堡城北部的懸崖也用地面立體攝影測量來確定破壞地段的加固工程。對被測物的精度要求不高時，可用快速簡易攝影測量，進(jìn)行歷史紀(jì)念物的初步研究，以供修復(fù)或重建、提供修復(fù)方案、對歷史紀(jì)念物的資料編目工作以及對藝術(shù)歷史的研究。一般僅用立體攝影機(jī)或者其他小像幅相機(jī)進(jìn)行攝影，在立體測圖儀上測圖，制圖比例尺一般選在1:100左右。用于提供珍貴建筑遺產(chǎn)或珍貴建筑傳統(tǒng)詳盡而系統(tǒng)的資料，可用精確完整的測量。測圖比例尺一般選在1: 50左右，對細(xì)部則采用1: 20或1: 10的比例尺。這類工作

24、最好采用長焦距大像幅量測用攝影機(jī)，以滿足精度要求。對各類歷史建筑物結(jié)構(gòu)上的技術(shù)履歷則用精密攝影測量，用一級立體測圖儀處理像片資料，研究紀(jì)念物的結(jié)構(gòu)線條，提出保護(hù)和修復(fù)紀(jì)念物的條件和需要。前不久我國也開展了采用數(shù)字近景攝影測量進(jìn)行莫高窟壁畫的保護(hù)測量。(三) 工程攝影測量的情況隨著各國測繪工作的進(jìn)展和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大地測量工作比重有所下降，而地形測圖任務(wù)逐漸增加，特別是城市大比例尺測圖和工程上用的大比例尺測圖任務(wù)增加得很快。而攝影測量在工程上的應(yīng)用也逐年增多。目前攝影測量方法己成功地應(yīng)用于工程建筑物的勘測設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)轉(zhuǎn)的各個階段的測量工作，包括廠房、高層建筑物、橋梁、水壩、隧道、礦山開采

25、等各個方面。尤其是近年來用解析法可進(jìn)行精度要求高的變形觀測。根據(jù)像片可編制各種比例尺的廠址平面圖。應(yīng)用立體像對可繪制地形圖，供勘測設(shè)計(jì)之用。在建筑物施工過程中可檢查建筑物的裝配精度。在變形觀測中，應(yīng)用解析地面攝影測量精度可達(dá)1:10000-1:100000(相對于攝影距離而言)。利用近距離同步攝影測量方法，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各種建筑物的模型試驗(yàn)。- 6 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 目前越來越多的重要建筑物和設(shè)備的變形及位移，如橋梁、高樓、機(jī)器、水壩以及測定地形的運(yùn)動、環(huán)境的其它參數(shù)等都采用攝影測量方法。利用攝影像片可以進(jìn)行路線設(shè)計(jì)、水利工程設(shè)計(jì)、土地整理、林業(yè)建設(shè)，城市和鄉(xiāng)村(鎮(zhèn))的平

26、面規(guī)劃等工程攝影測量工作。在許多場合，尤其在建筑施工中可以用攝影測量的檢驗(yàn)代替大地測量的檢驗(yàn)。特別是對大批量以及難以接近的點(diǎn)位的檢驗(yàn)。(四) 工業(yè)攝影測量工業(yè)攝影測量的主要任務(wù)是研究攝影測量用于工業(yè)測量技術(shù)和開辟攝影測量應(yīng)用的新領(lǐng)域。工業(yè)攝影測量范圍有:汽車制造、機(jī)械制造、冶金、船舶制造、飛機(jī)制造等，包括研究、規(guī)劃、生產(chǎn)、試驗(yàn)、監(jiān)視、修復(fù)等各個階段。例如在機(jī)械制造與金屬加工方面，可以利用近景攝影測量進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械零件的量測、離心泵的流程量測、震動量測、質(zhì)量控制等；在汽車制造方面，例如車身模型尺寸的量測、試驗(yàn)事故中的變形觀測、側(cè)面風(fēng)力反作用的量測、汽車與障礙物碰撞后的特性量測、輪胎變形觀測等都可以

27、用近景攝影測量方法來解決。在船舶制造中，如超級油船的船體安裝、大型斷面維度與開關(guān)的檢核、監(jiān)視生產(chǎn)過程、船內(nèi)管道圖形設(shè)計(jì)、不同制造階段的螺旋漿測量、模型試驗(yàn)中波形測量與定位等。(五) 在考古遺址方面的應(yīng)用在許多國 際會議上，經(jīng)常討論修復(fù)歷史古城的問題。聯(lián)合國教科文組織也選擇某些歷史古跡作為世界文化最寶貴和最有價(jià)值的遺產(chǎn)。應(yīng)用近景攝影測量方法對考古遺址進(jìn)行測繪，在世界各國都己取得了很好的效果。日本奈良國立文化遺產(chǎn)研究所，利用配有攝影機(jī)平臺的直升機(jī)或使用能升降很高專門設(shè)備的攝影機(jī)對考古遺址進(jìn)行了攝影，并使用攝影測量測量成圖方法測繪了發(fā)掘后的考古遺址圖，其比例尺分別為1:20, 1:50。波蘭古城 K

28、rakow城，需要對城內(nèi)的許多古跡進(jìn)行測繪。這項(xiàng)復(fù)雜的測量工作是由110多名大地測量、攝影測量、建筑以及藝術(shù)史專家組成的工作組完成的。其中攝影測量工作占有很大的比例，約占全部工作量的50-60%左右.攝影測量常用于立面圖、斷面攝影圖、小建筑物裝修、內(nèi)部裝飾以及設(shè)備測量等，有時還測量垂直和水平投影- 7 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 的外部輪廓圖等。目前在很多國家或地區(qū)的歷史文物機(jī)構(gòu)都設(shè)立了自己的攝影測量部門。攝影測量在保護(hù)文物中的意義和必要性愈來愈被人們所了解。在國際建筑攝影測量委員會中就專門設(shè)立了一個國際古跡遺址委員會，它設(shè)在羅馬國際文物保管及修復(fù)研究中心。(六) 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

29、生物醫(yī)學(xué)攝影測量主要包括用攝影測量方法研究生物結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)與非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如植物學(xué)、昆蟲學(xué)等)內(nèi)的作業(yè)技術(shù)。生物、醫(yī)學(xué)立體攝影測量己經(jīng)成為國際攝影測量與遙感協(xié)會（ISPRS)第五委員會的一個重要課題。利用立體像對可以測定人體參數(shù)指標(biāo)，配合X射線成像可以更為合理地處理外科手術(shù)。利用立體像對能對眼底要素及其病理變化進(jìn)行分析，還能研究牙齒的排列與結(jié)構(gòu)以校正牙齒，利用X射線立體攝影測量還可以進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)及人體結(jié)構(gòu)病理變化的合理運(yùn)用，利用電子掃描顯微鏡拍攝立體像對測定人血球的體積。在外貌整容手術(shù)中可以充分利用近景攝影測量的成果。(七) 在海洋研究中的應(yīng)用海洋占全球面積的7096,蘊(yùn)藏著極度為豐富

30、的生物和礦產(chǎn)資源，各國對海洋測繪也越來越重視?，F(xiàn)代海洋測繪發(fā)展為三個方面，即常規(guī)海洋測繪、海洋工程測繪和海洋科學(xué)測繪。用攝影測量方法研究海底和海岸帶的問題己在一些國家中開展。如1970年美國成立了一個美洲攝影測量協(xié)會所屬的海底攝影委員會在進(jìn)行海底攝影時，由于光線穿過具有不同折射率的層體而產(chǎn)生折射，因而所攝圖像就偏離了中心投影，同時還要將測量儀器加上密封窗的光學(xué)系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了多介質(zhì)攝影問題。德國學(xué)者Hohll在他的“水下攝影的理論與實(shí)踐”的博士論文中指出，海底攝影儀器經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，可以換算成單介質(zhì)攝影的情況，他研究了一種全能解析法，對未知的外方位元素、各介質(zhì)間的分界面參數(shù)、水的折射率和目標(biāo)點(diǎn)坐

31、標(biāo)用逐次趨近法一并平差計(jì)算可求得，并提出相應(yīng)的數(shù)字模型。在美國、蘇聯(lián)等國家對水下攝影測量進(jìn)行了廣泛的研究試驗(yàn)，并對攝影儀器、照相設(shè)備等進(jìn)行改革，組成了專門的水下攝影測量系列設(shè)備。有的國家把“聲納”回聲定位法與攝影測量方法相結(jié)合施測海底地形圖。- 8 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 (八) 非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)的應(yīng)用非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)主要包括有：全息攝影測量、各種固態(tài)構(gòu)像系統(tǒng)、雙介質(zhì)測圖電視、X射線、掃描電子顯微鏡系統(tǒng)及其應(yīng)用等。近年來在非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)方面己取得了某些成果，例如美國Worcester工業(yè)學(xué)院R.J. Pr yputniewicz介紹了對飛機(jī)翼形狀的全息攝影測量；美國光學(xué)研究院的K.B

32、i edermam介紹了變形觀測全息攝影測量系統(tǒng):英國Rolls-Royce介紹了關(guān)于“試驗(yàn)中的汽輪機(jī)近景X光攝影測量”的論文。此外，還有高速攝影測量的應(yīng)用。高速攝影己廣泛應(yīng)用在機(jī)械零件的火花加工、流體力學(xué)的螺旋漿設(shè)計(jì)過程中風(fēng)洞試驗(yàn)、電工技術(shù)的電弧焊接、爆炸過程的監(jiān)視及沖擊波特性的測試、原子武器的試驗(yàn)、火箭的彈道、以及體育等方面。如歐洲彈道研究所采用高速攝影機(jī)對各種子彈在不同的介質(zhì)中的運(yùn)行速度及軌跡進(jìn)行研究。實(shí)時攝影測量(Real-Time Photogrammetry)簡稱RTP，這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展是隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近年來工業(yè)市場對機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)即機(jī)器

33、視覺(Machine Vision)日益增長的需要和數(shù)字相機(jī)(CCD)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得視覺系統(tǒng)、人工智能等成為現(xiàn)實(shí)，它為實(shí)時攝影測量開創(chuàng)了廣闊的前景。許多用于解析攝影測量和影像處理的基礎(chǔ)理論可與固態(tài)相機(jī)一道，用來完成實(shí)時測量任務(wù)。從而將近景攝影測量推進(jìn)到實(shí)時攝影測量(RT P)的新領(lǐng)域。目前在汽車下線檢測、工業(yè)零件的檢測等方面己經(jīng)采用實(shí)時攝影測量。1.4 數(shù)字近景攝影測量的現(xiàn)狀及本文研究的主要內(nèi)容攝影測量經(jīng)過了三個發(fā)展階段，即模擬攝影測量、解析攝影測量與數(shù)字?jǐn)z影測量。數(shù)字?jǐn)z影測量是近二十年以來由模擬和解析攝影測量發(fā)展而來。近年來取得的飛躍進(jìn)展主要得益于數(shù)字傳感器、微處理器、陣列傳感器、機(jī)器人

34、視覺的飛速發(fā)展以及硬件軟件成本的大幅下降。毫無疑問，數(shù)字?jǐn)z影測量已成為攝影測量領(lǐng)域中的重要部分。數(shù)字?jǐn)z影測量是基于人眼視覺原理將影像的灰度電信號通過耦合裝置CCD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后應(yīng)用圖像處理、模式識別、人工智能以及計(jì)算機(jī)視覺等方法求出被攝物體的空間坐標(biāo)，進(jìn)而精確描繪出其三維形體的全自動化過程。數(shù)字?jǐn)z影測量從原始影像到中間數(shù)據(jù)及最終產(chǎn)品都是數(shù)字形式的，即數(shù)字?jǐn)z影測- 9 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 量是基于攝影測量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從影像(包括硬拷貝與數(shù)字影像或數(shù)字化影像)提取所攝對象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測量分支學(xué)科。近景攝影測量是攝影測量的一個重要分支，數(shù)字近景攝影測量是隨著CCD數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字影像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺、三維重建等數(shù)字技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的，數(shù)字近景攝影測量在工程建設(shè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也