（测绘工程）近景摄影测量技术.pdf

第三章近景摄影测量技术 第一节近景摄影测量概述 对非地形目标进行摄影， 以确定其外形、 状态和几何位置的理论与技术， 叫做非地形摄影测量。非地形摄影测量是摄影测量的一个重要分支。 非地形摄影测量除了具有一般摄影测量的通常特点外， 还具有其他一些 明显特点： !“测定目标的多样性。测定的对象， 可以由宏观到微观地包罗万象。几 乎可以说凡是能够摄影的东西都可以测量。大的诸如各类大型建筑工程、 大 型机械部件等； 小的诸如金属表面结构、 人体内异物、 细胞形状、 核子模型等。 #“测定目标的多种状态。可以测定目标的静态形状、 变形， 也可以测定 目标的动态特征、 运动轨迹及运行规律等。 $“测定手段多种多样， 测定方式灵活多变。视所测定月标的特点、 要求 和用途， 可分别采用不同的测定方式。可以采用单个摄影机重复摄影， 高速 摄影机摄影， 立体摄影机摄影； 可以用量测摄影机摄影， 普通摄影机摄影； 可 以进行正直摄影、 等偏摄影、 交向摄影或倾斜摄影； 可以进行地面摄影、 水下 摄影、 ! 光摄影、 电子显微镜摄影以及全息摄影等。 %“测定成果的表达形式多样化。对所测定的目标， 可提供等值线图、 轮 廓图、 平面图、 立面图、 剖面图、 影像图、 面积、 体积、 三维空间坐标等多种成 果。 由于非地形摄影测量的这些显著特点， 已被广泛应用于各类建筑工程、 地质、 采矿、 考古、 机械制造、 船舶制造、 结构变形、 海洋学、 生物医学、 粒子运 动以及航天飞行等各个技术领域中。 % 第三章近景摄影测量技术 当装有倾斜计算器时， 还可处理等倾摄影像对。在这类立体测图仪中， 有代 表性的为瑞士 !“# 厂的 $% & 型立体测图仪 （图( % )） 和德国蔡司厂的 *+,-. /0,123 立体测图仪等。 图 ( % )威特厂 $ % & 型立体测图仪 （二） 解析法 解析法处理近景摄影测量相片， 是一种使用广泛、 发展迅速、 有着巨大潜 力的方法。通过计算机及其外围设备即可测绘各类图形， 又可获得各种数 据。特别是对一些用模拟法无法处理的大角度交向摄影相片和非量测摄影 机摄影的相片， 解析法更是一种不可缺少的方法。 用解析法进行摄影测量处理的基本仪器设备， 是进行像点坐标量测的坐 标量测仪， 其中包括立体坐标量测仪和单像坐标量测仪两种。立体坐标量测 仪， 已在第四章中作过介绍。用单像坐标量测仪进行像点坐标量测时， 或者 全部采用人工标志点， 或者是在摄影后将选定在一张相片上的点， 利用专门 的转点仪全部转刺到所有有关的相片上， 然后用单像坐标仪进行量测。 第三节近景摄影测量的解析处理 在近景摄影测量中， 采用解析方法可处理量测摄影机所摄相片， 也可处 理非量测摄影机所摄相片； 可处理正直摄影相片， 也可处理等偏摄影、 倾斜摄 影和交向摄影相片。此外， 解析方法还不受摄影机主距的限制， 通过计算方 法还可以改正各类系统误差的影响。因此， 对扩大近景摄影测量在各技术领 444 第四篇摄影遥感技术及 567 定位技术应用 域中的应用并进一步提高其测量精度， 解析方法显得更为重要。 在近景摄影测量中， 对不同的应用对象， 可采用不同的坐标系： 可以是惯 用的航空摄影测量各坐标系， 也可以是地面摄影测量坐标系。本章所推导的 各有关解析关系式， 都是针对地面摄影测量坐标系的。 一、 地面摄影测量坐标系统 地面摄影测量坐标系统如图 ! “ ! 所示。!“#$ 是所选择的一个物方空 间坐标系， 摄影中心 % 在该坐标系中的位置由 “% 、 # % 、 $ % 确定。相片在该坐 标系中的方位， 由三个角元素!、 “、 & 确定。图中显示的均为正角。!角是 以 $ 轴为旋转轴， 像平面坐标以 和 ( 表示， 像空间坐标系中的 ) # *。 摄测坐标系是以左摄影中心 % 为坐标原点， 以过 % 之铅垂线为 $ 轴， 以 左主光轴 %+ 在水平面内之投影为 # 轴， 与其垂直又在同一水平面内的方向 为 “ 轴。 二、 像空间坐标系与辅助坐标系间的旋转变换 参考图 ! “ !， 将像空间坐标系 % “ )( 依次绕其 ) 轴、 旋转后的 轴、 ( 轴反向旋转 & 角、 “角和!角后， 则与 % “ “#$ 坐标系重合， 从而得到像点的 像空间坐标与像点的辅助坐标间的变换。 图 ! “ !地面摄影测量坐标系统 $% 第三章近景摄影测量技术 第四节近景摄影测量中的摄影与控制 一、 摄影工作 （一） 摄影机的选择 前边已经提到用于近景摄影测量的摄影机， 有单个量测摄影机、 立体量 测摄影机和非量测摄影机等三种。一般单个量测摄影机应用较为广泛和普 遍， 也较灵活。它可以根据测量精度的要求、 目标大小和实际摄影条件， 选择 不同的基线长度和摄影方式。立体量测摄影机， 由于其基线长度固定 （或可 作有限的变化） 且较短， 拍摄距离受到限制， 仅适用于小面积或局部摄影。而 非量测相机， 则一般适用于较低精度的摄影测量。 对近距离摄影， 可选用短焦距宽角 （或特宽角） 摄影机； 对中、 远距离的摄 影可采用长焦距长角 （或窄角） 摄影机； 对高大建筑物摄影， 则采用可倾斜的 摄影机。 （二） 立体像对摄取方法 从基线两端对同一物体进行两次摄影， 即获得被摄目标的立体像对。也 可采用一个单个摄影机对移动着的物体进行两次摄影， 这实际上相当于对同 一物体在基线两端进行两次摄影， 同样可得到被摄物体的立体像对。为了研 究动态目标的移动规律和轨迹， 可对动态目标进行同步摄影， 即设法摄取动 态目标在不同时刻的同一瞬间的两张或多张相片， 这样可获得各个时刻动态 目标的立体像对。对动态目标的同步摄影， 一般要求摄影机上装有同步快门 和记时装置。 （三） 摄影方式 可采用正直摄影、 等倾斜摄影、 交向摄影或其他摄影方式。正直摄影即 保持两相邻摄影站上的摄影机主光轴水平， 且与摄影基线垂直； 等倾斜摄影 即两相邻摄影站上的摄影机主光轴都向上或向下倾斜同一角度； 交向摄影即 两相邻摄影机主光轴仍保持水平， 但彼此不平行， 形成一个交角!（称交向 角） 。近景摄影测量中， 最常用的摄影方式是正直摄影和交向摄影。 !“# 第四篇摄影遥感技术及 $%& 定位技术应用 （四） 摄影站的布设 摄影站布设的核心问题是选择最佳的摄影基线长度。基线的长短与测 定点的点位精度有着密切的关系。基线长度的选择既要保证远景处 （即最弱 点处） 的测定精度， 又要保证近景处的立体观测精度。 近景摄影测量中， 成果精度较低的是点位的 ! 坐标， 如果 ! 坐标的精度 能满足要求， 则其他坐标的精度也能满足要求。因此， 可根据 ! 坐标的预测 精度， 反过来确定摄影机距目标的距离和摄影基线长度。 对于正直摄影情况， 可按下式计算出摄影时的最大纵距： !“#$ “#$ %#& （% & (） 式中#$ ! 坐标的预测精度； #& 横视差的量测精度； % 摄影系数。 当摄影目标景深不大时， % 可取 %， 一般规定为 ) *+。但在任何情况下 均应大于 * , -./ ! （ !为像场角） ， 否则就没有立体重叠了。 正直摄影时的最佳基线长度为： 最佳$ !“# “ (!“#$ )（% & 0） 式中(!“# 相片可能的最大横坐标值。可见最佳基线长度应等于被摄 物体沿 ) 方向的待测宽度 )。 二、 物方控制 在近景摄影测量中， 一般选用独立坐标系。如有特别需要， 可考虑对原 点进行联测。 控制形式可采用常规的短边高精度控制网。但常常有条件布置或直接 利用已知距离、 角度、 平面或几何图形建立相对控制， 必要时亦可联合使用。 物方控制点的布设， 应尽量分布在被摄目标的四周。当目标景深较大 时， 点位应在前后景深中均匀分布。 在近景摄影测量中， 只要条件允许， 尽量把测点和控制点做成人工标志。 布设人工标志点可提高像点的辨认精度和量测精度。人工标志的大小与摄 *0( 第三章近景摄影测量技术 影距离、 摄影机主距和坐标量测仪测标大小有关。圆形标志的直径， 可按 ! ! “ # $ “ # 式计算， “ 是坐标量测仪的测标直径； 十字形标志的线条， 在相片 上宽应为 $%$# & $%$“， 长应为 $%( & $%)， 标志的大小， 可按 % ! # $ ， & 式 计算， & 是标志在相片上的相应尺寸。制作标志的方法是先制作出标志的原 始图形， 经过摄影获得标志底片， 最后根据所需的尺寸大小， 晒印出标志相 片。人工标志的颜色， 应使其影像与标志背景色调有尽可能大的反差， 以利 于辨认和量测。 第五节近景摄影测量应用实例 【例 (】 用时间视差法测定铁路桥梁的变形 假定在变形前拍摄第一张相片， 在变形后用同一摄影机并保持内、 外方 位元素不变的情况下， 拍摄第二张相片， 前后拍摄的两张相片则构成了一个 像对。两次曝光时间间隔内发生了变形， 在相片上将出现 “视差”（称伪视差 或时间视差） ， 通过对像对中变形点视差的量测， 即可求出变形点的位移量。 如图 # * “ 所示， 当物点平行于 ( 平面， 由 !(移到 !)， 反映在相片上的时 间视差为! ) 和 !*， 则物点在 、 ( 方向上的位移量! 和 !( 为： ! ! # $!) ! + !) !( ! # $ ! + !* 式中# 摄影站到物点的距离； $ 摄影机主距； + 摄影比例尺分母。 以 + + 线 + + 桥的第二跨 （跨长 ,$） 为对象， 在静载和动载 （通过载重 货车时） 的情况下， 分别进行摄影， 通过对摄影相片的量测， 掌握该跨梁的变 形状况。为此， 在该跨梁的下弦布设了若干个圆形人工标志， 各标志中心距 梁的下边线等距， 并在桥墩墩帽上也设置了标志点， 如图 # * - 所示。标志的 )., 第四篇摄影遥感技术及 /01 定位技术应用 内径 ! ! “# “$ % “ # ， 其中 “# “$ 为坐标量测仪的测标直径。采用国产的 &()*+)%), 型摄影仪， 对摄影机进行精确鉴定。 图 % - $时间视差法原理 图 % - ./ / 桥布点示意图 为保证测定点的精度， 对摄影纵距 “012加以限制： “012! # $!% $!& ! # $! $!& 式中 $!&、 $!&取 “#“% 3 “#“$00， 当 $!% ! $! 400 时， # ! )*$00， 则 “012 !)%“0。为了保证整跨梁均摄入一张像幅内， 对 “056也应加以限制： “056! # ( ) 式中( 梁的全长； ) 摄影干版的像幅长。取 ( ! ,“0， ) ! ).“00， 则 “056“*7#$0。 采用光电测距仪精确量测 “ 距后， 安置摄影机。用天津生产的特硬玻 %*, 第三章近景摄影测量技术 璃干版。在静载和重载下分别摄取 ! “ # 组相片。 在室内立体坐标量测仪上对该梁上、 下弦的所有节点和所有人工标志点 进行像点坐标量测； 根据各点的像点坐标换算成相应的物点坐标， 即可得到 梁在动载作用下的位移变形情况。 测定结果表明： 该梁在重载作用下， 梁的下弦上第 $ 点与第% 点 ! 方向 的移位最大， 分别为 $!& 和 $%&； 第 $ 点至第 % 点之间各节点及杆件中点 的 ! 方向移位大体在 (& 上下； 由第 $ 点向左、 由第 % 点向右， 其移位量 逐渐减小， “ 点和# 点仅有 % “ !& 的 ! 方向移位量； 梁的上弦第 !# 点移位 最大， 达 &， 由该点向两侧逐渐减小。梁在重载作用下， 各节点在 $ 方向 上， 也有移位， 最大的可达 $&。 【例 !】 用近景摄影测量光束法联合平差方法测定卫星天线反射面的 形状 卫星接收天线的反射面是一个口径很大的抛物面， 要求极高的精度， 对 其抛物面加工精度的检查， 过去都是采用逐点实测的方法， 既繁重精度又不 高。为此， 采用近景摄影测量方法。 在一个 %& 口径的卫星天线的抛物反射面上， 布设了 )( 多个待测点， 以检查其加工精度。为了衡量近景摄影测量测定点位的实际精度， 在抛物面 天线的周边和其中心的纵深方向上布设了 !( 个控制点。用摄影机采用交向 摄影方式摄得 张相片， 用精密立体坐标量测仪 （*+,! 型） 量测像点坐标。 当引入一个物方距离作相对控制， 进行光束法秩亏自由网平差后， 在有代表 性的 !( 个点的点位精度： !$- (.%) “ (.!/&，!%- (.%) “ (.%$&，!- (.% “ (.0%&。其中绝大多数点的点位坐标精度均在 (.!& 以内， 仅是位于天 线内部纵深处的 # 个点的!&、 ! 超过 (.!&。但当引入六个物方距离作相 对控制， 系统误差引起的系统变形得以有效改正， 则所有 !( 个点上的!$、 !% 和!均在 (.!& 以内。由此可见， 在近景摄影测量中， 采用光束法自由网 联合平差方法进行解析处理， 测定点位的精度是很高的， 可用在像测定卫星 天线反射面这类高精度测量中。 国外也曾作过类似试验， 证明用光束法平差， 其精度平均约为天线直径 ( 的 %1%!( (， 当增加多余观测时， 精度可超过天线直径 ( 的 %1!( (。 #/0 第四篇摄影遥感技术及 2*+ 定位技术应用 第六节地面摄影测量 地面摄影测量是用以编制地形图的最早的摄影测量方法。其后， 由于航 空摄影测量方法的发展， 测制地形图的工作则大部分由航测来完成， 而地面 摄影测量方法仅用于个别陡峻和隐蔽地区以及航摄出现漏洞地区的小面积 测图工作。地面摄影测量在测制地形图以外的应用方面， 近数十年来有了迅 速发展， 已构成了近景摄影测量的主要内容。 用地面摄影测量方法测制地形图的基本原理和主要作业过程， 与航空摄 影测量方法基本类似； 而摄影方式和控制测量工作， 又与近景摄影测量类似。 其有关内容， 已在前面的相应章节中作过介绍。本节主要介绍地面摄影测量 中的基本理论公式 由相片上的像点坐标变换为相应地面点地面坐标的 关系式。 设相片上左、 右同名像点的像空间坐标分别为 （ !、 “、 #） 和 （!、 “、 #!） ； 左、 右同名像点的摄测坐标为 （$、 %、 !） 和 （$!、 %!、!） ， 则由式 （“ # $） 可得： $ % ! &$&%&“ $%“ ($(%( “ ! “ # $! %! ! ! &!$&!%&!“ !$!%!“ (!$(!%(! “ ! “ # ! 式中各方向余弦由式 （“ # %） 计算之 则同名像点所对应的物点 （模型点） 的摄影测量坐标是： ) & *$ & +, *!$! - & *% & +. *!%! / & *!& +0 *! ! （“ # ()） 式中投影系数 * 和 *!用下式求得： * & +,! # +.$! $! # $! *! & +,!# +0$ $! # $! ! （“ # ($） 下面就不同的摄影方式， 分别推导像点坐标与物点摄测坐标间的关系 (*+ 第三章近景摄影测量技术 式。 一、 正直摄影 由于!“!“ !“ #， !$ “$“ !$“ #， 且 “#“ #， 设 “$“ “， 则由式 （% & #） 和式 （% & !） 得： % “ “ & “ # ( ) “ “ & ( * “ “ & + “ # ( + （% & $） 二、 等偏摄影 由于摄影基线 “ 与$ 轴有一偏角#， 设想将右摄影中心 ,(沿 ,(- 移至 ,#， 从而获得以 ,#“ “#为摄影基线的正直摄影像对 . 与 .#。现只需将 “ 转换为 “#后代入式 （% & $） ， 即得等偏摄影时的对应关系式。从图 % & ) 中 得知： “#“ ,/ & , # /， 而 ,/ “ “*+# ， , # / “ “ +,-#(.(， 则： 图 % & )等偏摄影方式 “#“ “/*+#& “ (+,-# ( “ “ ( （(/*+#& (+,-#） 因此有： 012 第四篇摄影遥感技术及 345 定位技术应用 ! ! “# $（“#$! % # % $&!） & ! “% $（“#$! % #( % $&!） ! “( $（“#$! % #( % $&! ） （) % *)） 至于等倾摄影和交向摄影时的相应公式， 也可用类似的方法推出， 但由 于其内业处理较为复杂， 地面摄影测量中极少使用， 此处就不再推导。 由于在地面摄影测量中， 摄影测量坐标系所选择的 ) 坐标轴是在铅垂 位置， 故欲将物点的摄测坐标变换为相应的地面坐标， 仅是一个平面坐标变 换问题。即 * ! *+ &“#$“% !$&“ , ! ,+ &$&“+ !“#$“ ) ! )+ + - % . + （/ + 0 ） （) % *,） 式中*+ 、 , + 、 ) + 左摄影中心在地面坐标系中的坐标； “ 左相片主光轴的坐标方位角； - 左摄影站仪器高； . 待测点观标高； （/ + 0） 地球曲率和大气折光的改正数。 当然， 如果采用专门的地面摄影测图仪进行测图时， 上述各理论公式在 仪器设计上均考虑到了， 作业中不会直接使用。只有用解析方法处理时， 才 会应用这些公式。 第七节实时近景摄影测量 目前的近景摄影测量， 普遍作业周期较长， 其原因在于影像获取与处理 是采用分步作业方式， 这对于实际应用极不方便， 同时也极大地限制了近景 摄影测量的应用范围。 随着电子计算机的发展， 解析和数字的方法已逐步在摄影测量领域中得 到应用， 无论是信息获取还是信息处理， 都将更多地采用数字方法。尤其是 -./ 第三章近景摄影测量技术 高分辨力的 !“ （电荷耦合器件） 数字摄影机的