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多基线数码影像的光束法平差计算研究.rar

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    基线 数码影像 光束 法平差 计算 研究
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    编号:09009410619南阳师范学院 2013 届毕业生毕业论文(设计)题 目: 多基线数码影像的光束法平差计算研究 完 成 人: 杜文志 班 级: 2009-06 学 制: 4 年 专 业: 测绘工程 指导教师: 苏 博 完成日期: 2013-4-20 目 录摘要 ..................................................(1)1 绪论 .................................................(1)1.1 论文的研究背景 ............................................(1)1.1.1 数字摄影测量技术的发展和应用 ..........................(1)1.1.2 普通数码相机的特点及应用 ..............................(3)1.2 论文研究的目的和意义 .....................................(4)2 多基线光束法平差的数学模型 ...........................(4)2.1 光束法平差的基本原理 ......................................(5)2.2 光束法平差的数学模型 ......................................(5)3 光束法平差解法与空间后方交会-空间前方交会解法的区别....(5)4 多基线光束法平差的解算思路 ...........................(6)4.1 影像外方位元素和地面点坐标近似值的获取 ....................(6)4.2 控制点作为真值的光束法平差 ................................(8)4.3 控制点数目与分布对光束法平差结果影响研究 ..................(9)4.4 条带模型的可靠性分析与粗差剔除 ... .......................(12)5 小结 ................................................(13)参考文献 ..............................................(13)Abstract...............................................(14)第 1 页 (共 14 页)多基线数码影像的光束法平差计算研究作 者:杜文志指导老师:苏 博摘要:普通数码相机获取的数字影像具有成本低、分辨率高、数据采集简便、影像传输与处理快速等优点,解决了现场快速获取影像的问题,且降低了近景摄影测量作业对设备及技能的要求。近年来,国内外学者对基于普通数码相机的近景目标三维数据获取进行了广泛的应用研究,但研究大多先利用单基线影像进行同名点匹配,再采用自检校光束法或直接线性变换算法来解算目标的空间坐标。该方法存在对控制点的数量及分布要求较高、同名点匹配可靠性较低等缺点。本课题研究多基线普通数码影像的数字近景摄影测量技术,特别针对光书法平差计算进行研究分析,以提高结 算精度。关键词:数字摄影测量;普通数码相机;多基线;光束法1 绪论1.1 论文的研究背景1.1.1 数字摄影测量技术的发展和应用数字摄影测量(Basic concept of digital photogrammetry)是基于数字影像和摄影测量的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法,提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。美国等国称之为软拷贝摄影测量(Softcopy Photogrammetry) ,我国王之卓教授称为全数字摄影测量(Full Digital Photogrammetry或 All Digital Photogrammetry) 。这种定义认为,在数字摄影测量过程中,不仅产品是数字的,而且中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的 [1]。数字摄影测量的发展起源于摄影测量的自动化的实践,即利用相关技术,实现真正的自动化测图。摄影测量的自动化是摄影测量工作者多年来所追求的理想。最早涉及摄影测量自动化的专利可追溯到 1930 年,但并未付诸实施。直到 1950 年,才由美国工程兵研第 2 页 (共 14 页)究发展实验室与 Bausch and Lomb 光学仪器公司合作研制了第一台自动化摄影测量测图仪。当时是将相片上灰度的变化转换成电信号,利用电子技术实现自动化。这种努力经过了许多年的发展历程,先后在光学投影型、机械型或解析型仪器上实施,例如 B8-stereomat、Topomat 等。也有一些专门采用 CRT 扫描的自动摄影测量系统,如 UNAMACE、GPM 系统。与此同时,摄影测量工作者也试图将由影响灰度转换成的电信号在转变成数字信号(即数字影像) ,然后,由电子计算机来实现身影测量的自动化过程。美国于 20 世纪 60 年代初研制成功的 DAMC 系统就是属于这种全数字的自动化测图系统。它采用 Wild 厂生产的 STK-1 精密立体坐标仪进行影像数字化,然后用一台 IBM 7094 型电子计算机实现摄影测量自动化。原武汉测绘科技大学王之卓教授于 1978 年提出了发展全数字自动化测图系统 WUDAMS(后发展为全数字自动化测图系统VirtuoZo),也采用数字方式实现摄影测量自动化。因此,数字摄影测量是摄影测量自动化的必然产物。随着计算机技术及其应用的发展和数字图像处理、模式识别、人工智能、专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展,数字摄影测量的内涵已远远超过了传统摄影测量的范围,现已被公认为摄影测量第三个发展阶段 [1]。从 1996 年至今,数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期。它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求,可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等 [2]。研究的重点从几何量测精度转为实时性、全自动化和测量结果的深加工(三维建模与虚拟现实)等,尤其是激光扫描技术的发展,使得多传感器数据采集及数据融合等问题倍受关注,从而也使数字近景摄影与计算机视觉的关系越发密切。现如今数字近景摄影测量的技术广泛应用于各类建筑工程,如:水利水电中的水电站选址,铁路隧道勘测,土石方测量等。同时在机械制造、航空航天技术,汽车制造,地质勘测,医学研究,文物保护等领域都有着很广泛的应用,其发展的前景十分的广阔 [3]。1.1.2 普通数码相机的特点及应用在近景摄影测量的信息获取手段中,最常选用的设备是量测摄影第 3 页 (共 14 页)机。这类摄影机是专门为测量目的而设计制造的,它的构像畸变小,相机的内方位元素已知,构像的几何精度高,信息处理方便。但是随着近景摄影测量发展到数字近景摄影测量阶段后,选择使用光学量测摄影机作为获取影像信息的设备就显得诸多不足,如仪器笨重、价格昂贵、数量少(已不再生产)及作业时对摄影人员技术要求高等,而专业的量测数码相机由于其价格高昂,目前国内尚无成熟产品 [4]。因此,价格便宜、灵活轻便、操作简单的普通数码摄影摄像机,便被引入到近景摄影测量领域中(1)影像获取快速数码相机采用存储卡存储影像,可直接与计算机连接,因而效率高,信息处理周期短,适用于工程监测。(2)像元几何位置固定软片压平误差是普通量测相机的主要系统误差之一,如果量测时采用冲洗、放大的复制片,像片变形误差的影响会更加的显著。而数码相机摄影不需要底片且像元几何位置固定,因此不存在此误差。(3)可直接进行数字化处理由于数码相机影像数据处理过程通过计算机直接从相机上读取像片,在计算机上进行像片量测处理,自动化程度高,可直接进行数字化处理。(4)现场应用方便普通数码相机全固体化,体积小,重量轻,适应性强,在环境复杂地区进行外业拍摄具有很强的机动灵活性 [5]。1.2 论文研究的目的和意义针对普通数码相机用于量测目的时,其获取的像片有很多缺点,如不能准确提供相机的内方位元素,像片的畸变差比较大等问题,以及工程应用中大目标无法布设过多控制点且单像对无法拍摄整体目标等复杂情况,本文研究多基线数码影像,采用立体量测方法,利用多基线立体匹配技术获取较高精度的模型点数据,通过光束法平差进行目标空间定位的技术,以实现对数码相机的量测化,提高模型点的像点匹配准确性及可靠性,并可通过多基线影像在少量控第 4 页 (共 14 页)制点条件下进行光束法整体解算以完成对那些空间分布大、控制点少的近景目标的三维形态的量测。2 多基线光束法平差的数学模型基于共线条件方程式的摄影测量光线束平差解法(method of bundle adjustment ) ,是一种把控制点的像点坐标、待定点的像点坐标以及其他内业、外业量测所得数据的一部分或全部都看作观测值,以一个整体同时解求它们的或是值以及待定点空间坐标的解算方法。确切的说,就是所有内、外业观测值的或是值的确定,其中包括大量未知点像点坐标观测值或是值的确定,以及各像片光束形状和朝向的确定都是包含在一个计算过程中的 [6]。利用光束法平差具有解算精度高及对控制条件要求不高的优点,在一般情况下,通过相对定向和绝对定向,使模型坐标转换为物方坐标,从而为光束法平差提供了近似值,在此基础上进行严密的光束法平差,一般是都可以收敛的 [7]。近景摄影测量的光束法平差解法可以根据不同的适用场合,按不同的方案进行处理。本章将介绍一下近景摄影测量中多基线光束法平差模型的基本原理和数学模型。根据实际情况选择控制点作为真值的光束法平差方法应用到数字近景摄影测量系统当中,文中将详细推导该模型的数学模型及解算步骤。2.1 光束法平差的基本原理光束法平差的基本思想是:以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元,以中心投影的共线方程作为平差的基础方程,通过各光线束在空间的旋转和平移,使得模型之间的公共光线实现最佳交会,将整体区域最佳的纳入到控制点坐标系中,从而达到确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素的目标。利用近景摄影测量光束法平差可以处理一个或者一个以上立体像对所构成的各种网形,比如:可处理两张像片构成的单个立体模型、四个像片构成的网形、环行目标构成的网形,也可处理类如航带网或区域网的带状网形。本文主要介绍的就是类似于航带网的带第 5 页 (共 14 页)状网形。2.2 光束法平差的数学模型研究所选择的数学模型是将控制点坐标视作真值且实地不测外方位元素的光束法平差解法:误差方程为(2-1):V1=Act-L1,P 1V2=Aut+BuXu-L2,P 2V1, V2:别为待控制点和待定点的像平面坐标改正值:A c,A u:分别为控制点和待定点所在影像的外方位元素 t 的系数矩阵;B u为待定点空间坐标 Xu的系数矩阵;L 1, L2,P 1,P 2分别为误差方程式常数项和权 [8]。这种方法需要在被测目标上或其周围布设稳定的控制点,控制点自身质量要好,且分布合理。而采用控制点坐标视作真值且实地不测外方位元素的光束法平差解法不需要大量的控制点,无须记录外方位元素,因而这是一种常用的方法。3 光束法平差解法与空间后方交会-空间前方交会解法的区别在摄影测量中,如果知道像片的内方位元素,以及三个(至少三个)地面点坐标和量测出的相应像点坐标,就可根据共线方程列出方程,求解 6 个外方位元素,即为空间后方交会。空间前方交会是由立体像片对的两张像片的内、外方位元素和像点坐标来确定该地物点的物方坐标(X,Y,Z) 。光束法平差解法与近景摄影测量空间后方交会-前方交会解法的根本区别在于:在光束法平差解法中,待定点影响外方位元素的确定,也就是说,在确定各个光束位置与朝向的计算中,待定点坐标观测值的改正数的平方和就要最小。即是所有内外业观测值或是值的确定,其中包括大量未知点像点坐标观测值或是值的确定,以及各像片光束形状和朝向的确定是包含在同一计算过程中的。而在空间后方交会-前方交会求解中,仅仅由控制点坐标观测值确定外方位元素,之后再执行另一个独立的运算步骤,即已算得的外方位元素以及待定点像点坐标确定其空间坐标 [9]。第 6 页 (共 14 页)当解算精度要求较高,而控制条件不足或不利于按空间后方交会-前方交会解算时,则可使用光束法。使用光束法平差解法要求每一道工序中必须严格作业,应充分认识到某些未知像点坐标质量的缺陷会影响全体测量成果。因而光束法是以内业和外业直接量取的数据(如内业的像点坐标,外业的控制点坐标、外方位元素、或其他大地测量信息)作为观测值的一种严格的摄影测量数据处理方法。在确定外方位元素最或是值的平差过程中,所有上述的观测值,包括大量待定点的像点坐标观测值都起明显作用。换句话说,所有的这些观测值的质量直接影响所建模型的强度,影响待定点空间坐标的确定精度。4 多基线光束法平差的解算思路多基线光束法平差的基本思想是:以条带模型的第一个模型开始,大致由左到右一个像对一个像对的用 P-H 算法构成孤立的立体模型,然后将立体相对进行连接,使得各独立模型的旋转矩阵、待点坐标、控制点坐标和摄站点坐标变换到统一模型中去,成为一个统一的模型。统一的模型经过三个以上的控制点完成模型绝对定向,就可以求出各摄站点在物方坐标系中的坐标和像片的旋转矩阵,以及未知点坐标起始值。以上相对定向、模型连接和绝对定向为光束法提供了初始值,利用这个初始值进行光束法平差。光束法平差后,进行粗差提取,根据像点坐标观测值的 wi=vi/σ 0,此处 vi为改正数,σ 0为单位权中误差 [10]。4.1 影像外方位元素和地面点坐标近似值的获取光束法平差是以共线方程式作为基本模型,像片坐标观测值是未知数的非线性函数,因此需要经过线性化处理后,才能用最小二乘法原理进行计算。这里的最小二乘问题,实际上是属于非线性的最小二乘解算,需要在提供一个近似解的基础上,通过逐渐趋近的方法求出最佳解。所提供的初始值愈接近最佳解,收敛速度愈快,不合理的初始值不仅会影响收敛速度,甚至可能造成计算结果不收敛。因此,平差计算之前选择高质量的初始值对计算结果非常重要。第 7 页 (共 14 页)条带模型的相对定向、模型连接和绝对定向方法,虽然理论上不十分严密,精度偏低但其最后的定向结果作为光束法的初始值,不但能够保证光束法平差计算结果收敛,而且可以达到满意的精度要求。近景摄影测量中,由于其拍摄方式的复杂性,主要体现在拍摄角度大(φ,ω,κ) ,从而使得数码影像变形和模型的精度、收敛性差,最终导致相对定向、模型连接和绝对定向后的结果比较差,有时甚至会得不到正确结果。实验表明,当距离大且仰角大于 60 度时,模型定向结果的点位误差一般情况下在 3m 左右,将其作为光束法平差计算的初始值总能保证计算结果收敛。因此,将含有较大误差的初始值带入光束法平差运算中,能否保证计算结果的收敛性和准确性是光束法平差计算研究的主要问题 [11]。为了得到初始值对光束法平差结果带来的影响,我在此借用了他人已完成的实验数据,对此稍作简要介绍:对七层高的楼房进行拍摄,拍摄方式为:50mm 的镜头,拍摄平面距离为 25m 仰角为 70 度左右,照片顶的斜距约为 35m,共拍摄三张照片,建立起 2 个立体模型。经过简单的数据处理后,将数码影像处理的数据与全站仪测量的数据进行比较,得出了比较好的结果, 检查点点位中误差为11mm。其定向和光束法平差后,摄影中心坐标如表 4 -1 所示。表 4 -l 光束法平差初始值与光束法平差结果的比较初始值名称定 向 后X(m)定 向 后Y(m)定 向 后Z(m)光束法平差后 X(m)光束法平差后 Y(m)光束法平差后 Z(m)照片 1 中心22.398 1.235 -7.003 20.120 -3.816 -1.123照片 2 中心22.450 3.632 -6.888 19.380 -1.740 -1.097照片 3 中心22.041 6.318 -6.639 18.628 0.846 -1.058对表 4 -1 中的结果分析可以发现,在仰角 ω 很大的情况下,复杂的拍摄方式和角度会导致绝对定向结果很差,造成这样的原因是相机畸变差和标志点将这样的定向结果作为光束法平差计算的初始值仍然能保证平差计算结果收敛,说明将 P-H 算法引入光束法平差中,可以降低对初始值的要求。第 8 页 (共 14 页)4.2 控制点作为真值的光束法平差本文所采用的光束法平差模型就是将控制点作为真值的光束法平差方法,下面具体介绍一下该方法的解算步骤及算法要点。(1)数学模型将控制点作为真值的光束法平差方法数学模型如式(2-1)所示,前面已经做过介绍,此处不再进行详述。(2)模型解算近景摄影测量中条带模型的光束法平差与航测中的光束法在本质上是没有什么区别的,但其数据量确比航测小得多,所以不需要进行分块计算,但计算时必须要保证两点:第一,必须统一物方点在不同模型中的物方坐标,即在模型连接完成后,同一地面点在不同模型中具有相同的物方坐标;第二,程序必须有一定的粗差剔除能力。具体计算步骤如下:①将独立模型按照相对定向——模型连接——绝对定向步骤进行模型定向,计算出监测点在地面摄影测量坐标系下的物方坐标、影像的旋转矩阵(a i,bi,ci,di)以及影像的摄影中心(X s,Ys,Zs) 。②将监测点的坐标从地面摄影测量系下的坐标转换到近景摄影测量坐标系中 [12]。为了便于利用 P -H 方法进行计算,因而需要将三角函数的旋转矩阵转换到以(a i,bi,ci,di)为参数建立的旋转矩阵。a=(r23-r32)/4db=(r31-r13)/4dc=(r12-r21)/4d③所有连接点的坐标统一确定为同一种坐标系下的坐标,同时将像平面坐标利用系数法或者是数字畸变模型的方法进行纠正。④不考虑外业控制点的误差,即 dx,dy,dz ⑤计算通过迭代完成,当两次迭代结果小于某一限差时,迭代计算就算完成了。每次参加平差计算的观测值均需要按统计检验法进行粗差提取。
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