第4章雙像立體測圖基礎與立體測圖

第四章雙像立體測圖基礎

與立體測圖雙像立體測圖是指利用一個立體像對重建地面立體幾何模型，并對該幾何模型進行量測，直接得到符合規(guī)定比例尺地形圖或建立數(shù)字地面模型等，也稱為立體攝影測量。4.1人眼的立體視覺原理與立體量測4.2立體像對與雙像立體測圖4.3立體像對的相對定向元素與模型的絕

對定向元素4.1人眼的立體視覺原理

與立體量測一、雙眼觀察的天然立體視覺虹膜虹膜瞳孔角膜視神經(jīng)網(wǎng)膜窩視軸鞏膜脈絡膜視網(wǎng)膜水晶體玻璃體韌帶盲斑人眼的結構2.雙眼觀察用雙眼觀察空間物體時，可以容易地判定物體的遠近，這種現(xiàn)象稱為人眼的天然立體視覺。人眼的觀察方式：1.單眼觀察不能判斷物體的遠近單眼觀察人眼視角：左右1600上下1200清晰視角：左右1.50人眼視軸活動范圍：左右±450上下+300，-500利用單眼觀察去決定物體的遠近是比較困難的。雙眼觀察雙眼觀察特點交會作用交會作用與調(diào)節(jié)作用的一致性空間影像的形成生理視差是產(chǎn)生立體感覺的生理基礎。近似式交會角變化與距離變化及生理視差的關系：交會角提高雙眼分辨遠近能力的方法：

擴大眼基線

使眼的生理視差的分辨力增大

利用放大系統(tǒng)觀察，相當于縮小實際

的L值人眼能夠觀察到具有立體感的客觀世界，其原理是一對眼睛在觀察物體時，物體在兩眼的視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的影像之間存在生理視差。二、人造立體視覺借助空間物體的構像信息而在視覺上感受出空間物體的存在，稱為人造立體視覺。

像對是從不同角度攝制的同一地物的一對影像，因此存在類似生理視差的影像視差，叫做左右視差。當雙眼分別觀察這一對像片時，存在左右視差的像片會反映到眼睛的視網(wǎng)膜上，構成生理視差，由此便產(chǎn)生了與觀察實物時一樣的立體視覺效果。通常稱這種認為條件下，對立體像對進行觀察，而獲取立體感覺為人造立體觀察。立體觀察條件①兩張像片必須是從不同攝影站攝取的。②兩眼各看一張像片，即必須分像。③必須使同名像點的連線與眼基線平行，以保證兩視線在同一個視平面內(nèi)。④比例尺基本一致（比例尺的差異小于比例尺的16%）視模型：利用人造立體視覺觀察獲得的景物立體景像。視模型隨人眼位置的不同而不同。三、立體效應立體模型與實物相同立體模型與實物相反（正立體效應基礎上左右像片旋轉180度）零立體：起伏的視模型變平(正立體效應基礎上左右像片旋轉90°)用光學儀器或肉眼對一定重疊率的像對進行觀察，獲得地物和地形的光學立體模型，稱為像片的立體觀察，它的原理是根據(jù)人對物體的雙眼觀察。

分像條件違背了人眼立體觀察的本能，必須采取一定的措施達到。四、立體觀察與立體量測1.立體觀察方法立體觀察方法——（分像方法）直接對像對進行目視觀察時，立體觀察條件中，最難滿足的是？①觀察工具與立體量測觀察設備②互補色法③偏振光法④交替光闌法（閃閉法、光閘法）立體觀察方法：立體鏡式：借助光學系統(tǒng)使得人眼分別觀察其中的一張像片重疊影像式：將左右兩像片影像投影在同一個承影面上，然后通過一些措施使得兩眼各看一張像片1）立體鏡觀察法

橋式立體鏡：簡單但觀察的范圍小在一個橋架上安置兩個相同的簡單透鏡透鏡光軸平行，間距約為眼基距，高度等于透鏡主距

反光立體鏡擴大眼基線，可對大像幅進行立體觀察豎直夸大fc：像片距人眼的距離f:航攝像片的主距豎直夸大有利于對高程差的判識，而對量測無影響。①立體鏡視模型與實地相似一般立體鏡的主距為250mm視模型將要夸大實物的遠近凸凹深度超高感2）疊映影像立體觀察法互補色法光譜中兩種顏色的光混合在一起會變成白色，這兩種光稱為互補色光。品紅+綠白藍+黃白光學混合光學混合②互補色法同步閃閉法由液晶眼鏡和紅外發(fā)生器組成，使用時紅外發(fā)生器的一端與通用的圖形顯示卡相連，圖像顯示軟件按照一定的頻率交替顯示左右圖像，紅外發(fā)生器則同步地發(fā)射紅外線，控制液晶眼鏡交替閃閉，從而達到左右眼睛各看一張像片的目的。在兩投影光路中各安裝一光閘（一個打開、一個關閉）觀測者雙眼分別帶上與投影器光閘同步的光閘眼鏡光閘起閉頻率>10Hz偏振光法在一對像片的投影光路中，放置一對偏振平面相互垂直的偏振器，以兩組橫向光波波動成相互垂直的偏振光，將影像投影在特制的承影面上，觀測者戴上偏振光眼鏡，兩鏡片的偏振平面也相互垂直，從而達到分像的目的。

在數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中，在計算機屏幕上安裝偏振屏，當計算機屏幕上分別交替顯示左、右影像時，屏幕前的偏振光屏就會產(chǎn)生不同的偏振方向，觀測者戴上偏振光眼鏡，就能獲得立體影像。像對的立體量測S1S2e1e2視模型與幾何模型？？找同名像點（難）像對立體觀察浮游測標切準視模立體量測2.立體量測左影像右影像2.立體量測測標的種類2.立體量測雙測標法兩個真實測標視覺測標（虛測標）同名像點視模型點虛測標視模型點測標同名像點讀出像點的坐標值像對立體量測目的：找出同名像點，獲取同名像點的坐標2.立體量測測標：一對光點移動測標固定測標2.立體量測量測的內(nèi)容：像點坐標量測、左右視差量測、左右視差較量測、上下視差量測。借助于有測量標志的量測工具或儀器進行。測標的作用測標的種類立體量測原理雙測標量測法S2

S1

o1o2Aa1a21、立體像對的定義（StereoPair）由不同攝站獲取的，具有一定影像重疊的兩張像片。4.2立體像對與雙像立體測圖航空攝影獲取的立體像對S2

S1

AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J1

2、立體像對的點、線、面同名像點(a1,a2)同名光線(AS1,AS2)攝影基線(S1S2)核面（垂核面、主核面）核點核線（垂核線、主核線）a(x1,y1)a’(x’2,y’2)立體像對的基本概念核心問題：尋找同名像點同名像點尋找問題？人工方法：人工立體觀測（如何提高效率）自動方法：數(shù)字影像匹配－數(shù)字攝影測量核心問題立體像對的基本概念立體像對的基本概念S1S2ABCDS’2定義:根據(jù)攝影過程的幾何反轉原理，恢復了立體像對的內(nèi)方位和相對方位后，所有同名光線成對相交。由無數(shù)同名光線相交交點構成的與實地相似的幾何表面。3、幾何模型問題提出幾何模型與實際地表之間關系?相似關系：比例尺、方位不確定外方位元素相對方位元素絕對方位元素立體像對實際地面幾何模型相似模型比例尺任意，方位任意1.像對攝影過程的幾何反轉分別恢復兩像片的內(nèi)、外方位元素像對的相對定向和絕對定向?qū)嵸|(zhì)：重建攝區(qū)立體模型，在立體模型上進行量測三、雙像立體測圖概述2.雙像立體測圖步驟內(nèi)定向：恢復像片的內(nèi)方位元素，建立與攝影光束相似的投影光束。相對定向：恢復兩張像片的相對方位，建立與地面相似的立體模型。絕對定向：將立體模型納入到地面坐標系中，并歸化模型的比例尺。立體測圖：用量測工具量測立體模型，測制地形圖。3.雙像立體測圖的方法模擬法立體測圖利用模擬測圖儀，像片，人工尋找同名像點解析法立體測圖利用解析測圖儀測圖，像片，人工尋找同名像點。核心是計算機。影像數(shù)字化立體測圖利用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)。數(shù)字影像或數(shù)字化影像，利用數(shù)字相關技術，自動尋找同名像點并量測坐標。采用解析計算方法，建立數(shù)字立體模型。4.3立體像對的相對定向元素與模型的絕對定向元素一、立體像對的相對定向與相對定向元素確定一個立體像對兩張像片相對位置和姿態(tài)的元素稱為相對定向元素。相對定向只能確定兩張像片的相對位置完成相對定向的唯一標準是兩像片上同名光線對對相交。立體像對中，確定兩像空系之間方位關系所需的元素。2、兩種相對方位元素系統(tǒng)以左像空系為基礎的相對方位元素系統(tǒng)以基線坐標系為基礎的相對方位元素系統(tǒng)o2B1.連續(xù)像對的相對定向元素以左像空間坐標系為基礎

bv、bw決定了攝影基線的方向，決定了右光束對于左光束的旋轉方位。像空間輔助坐標系原點：左攝站點坐標系：左片像空系特點：左像片位置和姿態(tài)已知，移動和轉動右像片，便可以確定兩張像片的相對方位。這種相對定向元素系統(tǒng)被稱為連續(xù)像對相對定向系統(tǒng)。2.單獨像對相對定向元素21u1x1v1w1S1y1v2w2S2y2u2x2B221以基線坐標系為基礎像空間輔助坐標系：原點：左攝站點X0軸：攝影基線左主核面為X0Z0面，Z0軸向上為正，Y0軸按右手法則來確定的坐標系。

特點：在不改變兩投影中心位置的情況下，通過兩張像片的旋轉來確定相對方位，適用于單獨像對的作業(yè)，因此稱為單獨像對相對定向系統(tǒng)。

A

A問題提出確定幾何模型的比例尺和它在地面坐標系中空間方位需要哪些元素？二、模型的絕對定向和絕對定向元素確定相對定向所建立的幾何模型的比例尺和空間方位的元素。共有七個參數(shù)。從數(shù)學角度看，實際上是兩個三維空間直角坐標變換，即將相對定向所建立起來的模型上的點的坐標轉換至地面攝影測量坐標系中。絕對定向需要借助地面控制點完成。為模型的絕對定向元素。一、模擬法立體測圖原理用光學投影或機械投影的方法實現(xiàn)攝影過程的幾何反轉，建立與實地相似的幾何模型。需要在模擬型立體測圖儀上完成。4.4模擬法立體測圖T形支架主梁投影器多倍儀上的投影器方法：內(nèi)定向—相對定向—絕對定向模擬測圖儀上的內(nèi)定向是人工在測圖儀上安置有關數(shù)據(jù)，如安置攝影機主距，并且使像片主點與測圖儀像片盤主點重合。二、模擬法相對定向1.基本思路通過微動投影器的定向螺旋，消除承影面上同名點的上下視差來完成相對定向。有左右視差所有同名光線對對相交，即同名點的上下視差為零時，則相對定向完成。2.投影器的微小運動對承影面上投影點位的影響投影器距承影面的高度為H。假設像片近似水平，選取像片上的九個像點來考察投影點位的變化規(guī)律。點位分布如下：像主點總位移X方向位移Y方向位移位移分量：（1）微動bu

的影響XYdbuSS’（2）微動bv

的影響總位移X方向位移Y方向位移位移分量：XYdbvSS’（3）微動bw

的影響S’S位移分量：Hdbw（4）微動

的影響位移分量：總位移X方向位移Y方向位移（5）微動

的影響位移分量：（6）微動

的影響位移分量：總位移X方向位移Y方向位移把以上各種位移分量相加得到3.相對定向與上下視差的關系式同名點的上下視差為：相對定向的目的模擬測圖儀上相對定向的基本關系式（1）連續(xù)像對相對定向公式

連續(xù)像對相對定向的特點公式左投影器不動，只動右投影器，則X2、Y2為右投影點相對于右方主點的坐標。（2）單獨像對相對定向公式

單獨像對相對定向的特點公式X1、Y1為左投影點相對于左方主點的坐標，X2、Y2為右投影點相對于右方主點的坐標。4.模擬測圖儀上的相對定向標準定向點位用五個相對定向螺旋消除五個定向點上的上下視差，第6個點用于檢核。相對定向步驟：（連續(xù)法相對定向）1)

轉動bv消除2點的上下視差；2)

轉動bw消除4點的上下視差；3)

轉動κ2消除1點的上下視差；4)

轉動ψ2消除3點的上下視差；5)

用ω2在6點上作過度改正；6)

用bv消除2點的上下視差；7)用bw

消除4點的上下視差。檢查5點的上下視差。三、模擬法測圖中模型的絕對定向1.準備工作制作圖底：將控制點根據(jù)其平面坐標按圖比例尺展繪在圖紙上。將相對定向后建立的立體模型納入到地面坐標系中，并歸化模型的比例尺，這一過程稱為模型的絕對定向。N4N3N1N22.確定模型比例尺1）將圖底置于承影面上，在立體觀察情況下，使其中一個控制點與其相應的模型點的投影重合，取N1。2）以N1為中心旋轉圖底，使對角線上的另一控制點N4的模型點的投影落在相應兩控制點N1N4的連線上。3）調(diào)整模型比例尺。沿投影基線方向移動一個投影器，改變投影基線的長度，直到兩模型點的投影正好與圖底上相應控制點重合。3.模型置平1）任取一點如N1為高程起始點，調(diào)整高程起始讀數(shù)，使N1的高程讀數(shù)等于實測高程。2）用測標立體切準N2、N3兩點，讀出相應的高程讀數(shù)，并計算出相對N1的高程差。3）求出N2、N3兩點相對于N1的實際高差，并化成按成圖比例尺計算的高差。然后使用儀器的相應螺旋，使整個投影系統(tǒng)繞儀器的Y軸旋轉此角度，這就是模型的航向置平。4.如果，則說明模型在X方向已置平，否則按下式計算出模型繞儀器Y軸旋轉的角度：表示圖上兩點間的距離5.如果，則說明模型在Y方向已置平，否則按下式計算出模型繞儀器X軸旋轉的角度：然后使用儀器的相應螺旋，使整個投影系統(tǒng)繞儀器的X軸旋轉此角度，這就是模型的旁向置平。6.最后用N1、N4點進行檢查。四、在模擬測圖儀上測圖測繪地物和等高線都是在立體觀察下進行。多倍儀上的測繪臺1.測繪地物將測標照準在模型的相應點上，不斷升降和移動測標，在測標與立體模型表面保持相切的情況下，使測標沿地物輪廓移動，測繪出地物。2.測繪高程注記點根據(jù)成圖要求，測定高程注記點。密度為圖上每100cm25-20個。3.地貌測繪先繪地性線，再勾繪等高線。4.接邊像對與像對、航線與航線、圖幅與圖幅之間都要進行接邊。5.檢查內(nèi)容包括：高程注記點位置是否合理、均勻，數(shù)量是否合適，高程注記點的高程與等高線有無矛盾是否有丟漏山頭、鞍部；少繪或多繪曲線；地貌有無變形等高線與水系的關系是否合理地物、地貌要素是否測繪齊全、正確6.清繪、整飾利用電子計算機，通過嚴格的數(shù)學解算方法保證像點坐標和模型點坐標之間滿足共線關系，建立被攝目標的數(shù)字立體模型，同樣可以完成對被攝目標的立體量測。4.6解析法立體測圖數(shù)字投影一、解析測圖儀的結構解析測圖儀是由精密立體坐標量測儀、計算機、數(shù)控繪圖儀、接口設備及相應軟件組成的立體測圖系統(tǒng)。立體坐標量測儀作業(yè)員

計算機數(shù)控繪圖儀硬件1.精密立體坐標量測儀立體觀察和立體量測2.電子計算機核心部件，實現(xiàn)解析測圖儀的實時計算與攝影測量作業(yè)的計算及數(shù)據(jù)管理。3.數(shù)控繪圖桌在計算機控制下，繪出地形圖及各種圖件。4.接口設備電子計算機與立體坐標量測儀及數(shù)控繪圖桌連接與信息溝通。包括編碼器：進行模/數(shù)轉換（A/D），使儀器的機械位移量轉化為計算機能接受的數(shù)字量。伺服系統(tǒng)：進行數(shù)/模轉換（D/A），將計算機給出的數(shù)字信息轉化成儀器的機械位移量，驅(qū)動部件至應有的位置。解析立體測圖儀(WILDAC1)二、解析測圖儀的優(yōu)點（與模擬測圖儀相比）1、精度高光機部分簡單，結構穩(wěn)定；改正系統(tǒng)誤差,平差偶然誤差；（系統(tǒng)誤差可通過計算機軟件加以改正，偶然誤差通過平差解決）像點坐標量測精度可達1-3um2、功能強作業(yè)不受攝影方式及儀器活動范圍限制，可處理各類航片或衛(wèi)片資料可完成多種測繪工作取得多種測繪成果3、效率高具有機助繪圖功能實現(xiàn)測圖過程的半自動化4、可產(chǎn)生數(shù)字測繪產(chǎn)品，便于成果進入GIS

管理應用三、解析測圖儀的工作原理以共線條件方程為基礎解析測圖儀有兩種方式實現(xiàn)數(shù)字投影運算：輸入物方空間坐標（物方空間解析測圖儀）物方坐標可以是：模型坐標、地面坐標、地理坐標。常見的是輸入模型坐標。輸入像方空間坐標（像方空間解析測圖儀）立體坐標量測儀計算機繪圖桌數(shù)控XYZXMYM終端物方型通過改變物方坐標找到要量測的點并記錄物方坐標1、定向過程中在儀器上，經(jīng)像對定向（包括解析內(nèi)定向、解析相對定向、解析絕對定向）后，建立起物像對應關系。2、測繪過程中從手輪、腳盤讀出模型的地面攝測坐標（X,Y,Z)

輸入計算機算得相應的像平面坐標由伺服系統(tǒng)驅(qū)動測標運動到對應像點位置作業(yè)員觀察到測標在立體模型上的位置

以上步驟由實時程序控制，以高頻率自動重復執(zhí)行，作業(yè)員即可觀測到連續(xù)、完整的立體模型。輸入模型坐標的工作過程：(1)

作業(yè)員把攝影機主距、物畸變差、大氣折光差、地球曲率等必要數(shù)據(jù)輸入計算機中，并輸入像片框標坐標。(2)

像片放在像片盤上后，測標逐次對準像片的每個框標，計算機即可進行內(nèi)定向，確定像片位置，進行像片坐標與儀器架坐標之間的換算，以及底片變形參數(shù)的計算。(3)解析相對定向，立體觀測六個或更多標準點位定向點的像點坐標，計算機按設計好的相對定向程序解算出相對定向元素。(4)輸入控制點坐標后，觀測控制點的像點坐標，即可進行解析絕對定向，從而求出航攝像片的六個外方位元素。（5）有了內(nèi)、外方位元素后，作業(yè)員操縱手輪和腳輪輸入模型坐標X、Y、Z，計算機按照共線條件方程計算出理論的像點坐標。在顧及像點的各項改正后，轉換為實際的像點坐標，然后轉換成像片架坐標。由伺服系統(tǒng)控制兩像片架運動，使測標對準相應的像點。立體觀測中，測標應與該模型點相切。（6）與此同時，計算機進行模型坐標與地面坐標的換算，這時要顧及到地球曲率與大氣折光的改正。（7）聯(lián)機繪圖作業(yè)時，實時將模型坐標與圖面坐標進行轉換，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動繪圖筆進行繪圖。（8）當把腳盤安置在某一等高線高程值時，轉動手輪X，Y，只要保持測標在模型表面運動，在繪圖桌上就可繪出相應的等高線。四、解析測圖儀的軟件

1、計算機操作系統(tǒng)

2、攝影測量軟件

(1)實時程序為了保證隨著手輪與腳輪的運動使作業(yè)員觀測到連續(xù)的、完整的立體模型，計算機必須以極高的頻率根據(jù)輸入的坐標量的變化進行重復的數(shù)值計算，這種計算稱為實時計算。由廠家編寫好的。(2)應用程序解析內(nèi)定向確定像片坐標與像片架坐標的轉換關系。通過量測4-8個框標點的像片架坐標，與輸入的像片框標理論值，用最小二乘法解算出內(nèi)定向元素。一般采用仿射變換。解析相對定向當該程序啟動后，能自動依次地驅(qū)動車架到達相對定向的六個標準點位，作業(yè)員只需消除觀察點上的上下視差，用按鈕將它的坐標記入計算機中。全部點觀測完畢后，計算機用最小二乘法解算相對定向公式，此外，顯示出計算的定