毕业论文-近景摄影测量系统的建立与完善--相机内外方位元素测定.doc

西南科技大学本科生毕业论文 IV近景摄影测量系统的建立与完善相机内外方位元素测定摘要：目前，近景摄影测量已广泛应用于文物、考古、园林等的测绘，在物体运动过程、建筑物变形、物体外表、滑坡监测，甚至医疗、生物、农业、公安侦破等方面。针对摄影测量发展的自动化、数字化趋势，提出了近景摄影测量机的研制方案，运用计算机控制技术和图像处理技术，提高了近景摄影测量中图像获取过程的自动化程度。使用近景摄影测量机和自行开发的数字摄影测量软件，实现了摄影测量过程中图像采集、数字化和测量等工作的一体化。对于运用非量测相机进行摄影测量时所面临的相机内、外方位元素未知问题，在研究中设计了可以提供控制坐标的室内三维控制场，用前方交会的测量方法测得控制架表面的控制点坐标，并对测得的坐标进行了平差。运用直接线性变换法（DLT），根据摄影像片中控制点的物方空间坐标和像点坐标，计算出非量测相机的内、外方位元素，最后根据测量点的像点坐标计算出相应的物方空间坐标。关键词：近景摄影测量；内方位元素；直接线性变换法AbstractCurrently, close-range photogrammetry has been widely used in heritage, archaeological, landscape, etc. mapping, object movement in the process of building deformation, Objects appearance, landslide monitoring, or even medical, biology, agriculture, public security detection, and so on. Photogrammetry against the development of automation, digital trend, a close-range photogrammetry for the development program, use a computer control technology and image processing technology, enhancing the close-range photogrammetry image acquisition process automation. Close-Range Photogrammetry use of aircraft and to the development of digital photogrammetry software, the photogrammetry process image acquisition, Digital measurement and integration work. For the use of non-metric Camera Photogrammetry when facing the cameras inside and outside the unknown element bearings. in a study designed to provide control of indoor 3D coordinates control the market, forward intersection method of measurement-control measured surface coordinates of the control points, and measured the coordinates of Adjustment. Using the direct linear transformation (DLT), according to photographic film as control points on the side of space coordinates and pixel coordinates, calculate non-metric cameras inside and outside the orientation elements, Finally, according to the measurement point, as calculated coordinates corresponding to the objects of space coordinates.Key words: close-range photogrammetry, Elements within the Azimuth, Direct linear transformation目 录第1章 绪 论11.1 近景摄影测量的发展现状11.2 近景摄影测量的精度2第2章 近景摄影测量的控制42.1 控制场的建立42.1.1 控制场的设计42.1.2 控制场的搭建42.2 控制点标识的设计42.3 控制点的测量与精度分析5第3章 内、外方位元素的解算73.1 直接线性变换解法73.1.1 直接线性变换解法的基本关系式73.1.2 直接线性变换解法中各l系数的矩阵表达式L93.1.3 内外方位元素的解算关系式103.2 直接线性变换解法的解算过程113.2.1 L系数的解算过程113.2.2 物方空间坐标（X，Y，Z）的解算过程123.3 使用直接线性变换解法的一些技术问题143.3.1 直接线性变换解法的性质143.3.2 直接线性变换解法操作特点143.3.3 直接线性变换解法的精度153.4 多基线光束法平差153.5 直接线性变换解法的实际应用16第4章 近景摄影机的检较204.1 检较内容、检较方法分类与内方位元素检定精度要求204.1.1 近景摄影机检较内容214.1.2 内方位元素的检定精度分析224.1.3 近景摄影机检较方法分类224.2 近景摄影机的光学畸变差224.2.1 主距、主点与自准直主点224.2.2 光学畸变差的一般概念234.3 基于空间后方交会的摄影机检较234.3.1 基于多片空间后方交会的摄影机检较法234.3.2 基于直接线性变换的摄影机检较23第5章 近景摄影测量的应用24结论25致谢26参考文献27附录128附录229西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论1.1 近景摄影测量的发展现状近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个分支。通过摄影手段以确定（地形以外）目标的外行和运动状态的学科分支称为近景摄影测量。包括工业、生物医学、建筑学以及其他科技领域中的各类目标是此学科分支的研究对象。也有人认为，近景摄影测量是通过300m以内近距离目标摄影（摄像）所获得的图象进行图象处理和摄影测量处理来确定起形态、几何位置和大小的一门技术。原则上说，凡是可获取起影像的各类目标，都可以使用近景摄影测量的相关技术，以某种精度测定它的形状、大小和运动参数。此技术已用于工业、生物医学和建筑学的众多基础研究和应用研究的各个方面。据世界各国的应用情况表明，现几乎找不到未使用近景摄影测量技术的行业。与其他测量手段相比，近景摄影测量的优点在于它是一种瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段，测量信息量高，获得信息易于存储，可重复使用信息，速度快，特别适用于测量含有大批测量点位的目标；是一种非接触性测量手段，不伤及被测目标物体，不干涉被测物自然状态，可在恶劣条件下(如水下、放射性强、有毒缺氧以及噪音)作业；是一种适用于动态物体外形和运动状态测定的手段，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段；可提供基于三维空间坐标的各类产品，包括各类数据、图形、图像、数字表面模型以及三维动态序列影像等。作为一种测量手段，近景摄影测量已被广泛应用于国民经济和科学研究的各个领域，诸如文物保护、考古、医学、水利、矿业、制造业等。随着科学技术特别是计算机技术的发展，一些新的数据处理方法的出现，为非量测近景摄影测量开辟了广阔的前景。像所有测量技术一样，近景摄影测量也有它的不足与缺陷： 1. 技术含量较高，需要较昂贵的硬设备投入和较高素质的技术人员，设备的不足以及技术力量的欠缺均会导致不良的测量成果。2. 对所有测量对象不一定是最佳的技术选择：衡量一个技术的适用性，至少要从提供成果的质量、速度精度、所需的投入（包括硬软设备的投入、技术人员投入和资金投入）等几个方面予以审度。近景摄影测量的设备分为：量测相机和非量测相机。由于高精度的专业量测相机价格昂贵，一般生产部门无力购买。而非量测相机，如普通照相机，具有多方面的灵活性：任意调焦，可手持摄影，摄影方式任意，使用起来灵活方便，此外，价格低廉，单位易于购置并投入生产、研究。随着数码相机生产技术的日益成熟，市场上出售的商用数码相机价格变得可以接受，其性能已能达到近景摄影测量的使用要求。然而，非量测相机的内、外方位元素不确定，没有框标，且缺少解算方法，因此在上世纪70年代以前，非量测相机的应用很少。随着直接线性变换法（DLT）的提出，解决了相机内、外方位元素的解算问题，才使非量测相机得到了广泛的应用，这标志着非量测摄影测量进入了一个新的阶段12。摄影测量发展至今天，图像的获取和处理总是分开进行，许多图像在处理时才发现不能满足要求，往往需要补测数据。另外，摄影测量在图像的获取过程中，其成像过程的人为性、被动性，使得摄影测量难以实现实时性和自动化，如果能实现摄影测量的实时性和自动化，在测量现场实时获取和处理图像，那么在很大程度上就能避免获取图像不合要求的问题。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，用于近景摄影测量的图像获取和处理设备在性能上得到了很大的提高，采用先进的数码相机和计算机主机，以及其他设备，把摄影测量理论与图像处理技术和自动化技术结合起来，将大大提高摄影测量的实时性和自动化程度。1.2 近景摄影测量的精度 某种近景摄影方法所能提供的精度是近景摄影测量工作者应该准确知道的问题，更是用户特别关心的基本问题。衡量精度的基本指标是被测点的坐标中误差（mx,my,mz）。依不同用户的需要，指标可能有以下几种变化：（1） 用户关心某一坐标方向的坐标中误差，如mx,my或mz，或关心某一方向的点位相对中误差，如mz/Z。（2） 用户关心某一平面上的点位的平面位置中误差ms，例如ms=(m2x+m2y)1/2。或者关心平面位置相对中误差ms/S这里的S是被测物的平面尺寸。（3） 用户关心点位空间位置中误差mT,这里mt=(m2x+m2y+m2z)1/2，或者关心点位的空间位置相对中误差mt/T，这里的T是被测物体的空间尺寸。影响摄影测量精度的主要因素很多，主要有：（1） 影像获取设备（摄影机或摄像机）的性能，包括它的检较水准，焦距与试场角的大小，安置、记录或测定其外方位元素的性能，摄影机所用底片的质量，摄影机的分辨率等；（2） 摄影方式，包括摄影比例尺，摄站的数量与分布，摄影基线的长短，交会角的大小，对被测点的摄影覆盖数等；（3） 控制的质量，包括控制点的数量与分布，控制点自身的精度，相对控制的应用情况等；（4） 被测物体的照明状态，标志的设计与使用，被测物体表面处理的水准等；（5） 后续处理软件的性能，包括图像处理方法和摄影测量处理方法的选择、摄影测量仪器的性能、数据解析处理方法的选择等。还可以从另一个方面简要地讨论影响近景摄影测量精度的因素：（1） 像点坐标的质量，即形成影像摄影机性能和它的检较水准，像点坐标的质量，系统误差的改正程度；（2） 摄影条件、摄影方式与控制方式；（3） 图像处理及摄影测量处理的硬软件性能。 第2章 近景摄影测量的控制2.1 控制场的建立2.1.1 控制场的设计控制场的分类34按照维数的不同分为：一维控制场，二维控制场，三维控制场；按照场地的不同分为：室内控制场，室外控制场；按照用途的不同分为：特高精度工业测量控制网，普通控制场；按照固定与否分为：固定控制场，活动控制架。建立控制场的主要目的有：（1）用于近景摄影测量的有关研究，包括对新理论、新仪器和新方法的检验、摄影（摄像）方式的优化设计以及检验控制点数量、质量和分布对精度的影响等。（2）实测目标形状以及其运动状态。（3）检定摄影机或摄像机。2.1.2 控制场的搭建 三维控制场的一般布设原则：（1）应布设足够数量（一般有数十个或更多）的三维控制点标志；（2）控制点一般是均匀分布的，并且在三个坐标方向的分布上，均有足够的延伸；（3）为摄影机留有足够的拍摄活动空间； （4）最好安置两个（或以上）稳定的测墩，以测定并定期复查控制点坐标。2.2 控制点标识的设计人工标志的广泛使用是近景摄影测量的一个特点。原因有二：一方面，人工标志可以保证或提高测量精度和可靠性；另一方面，与航空摄影测量相比较，大量人工标志的布设并不是一件困难的事。通过在控制场内布设具有确定形状、易于辨识的控制点标志，就可以从摄影图像上获得准确的控制点像点坐标，从而极大地提高测量精度，减少测量误差。标志点的设计主要考虑标志的大小、形状、颜色等基本因素。（1）标志的尺寸5为了便于在图像上辨认和量测，控制点标志的大小可按照摄像比例尺来确定。（2）标志的形状5 6控制点标志的形状在设计时要考虑到测量和摄影图像后期处理两方面的要求。（3）标志的颜色，考虑到点的可辨认性，标志与周围背景在图像上的成像应具有良好的反差，这项特征有时比标志大小的选择更为重要。一般，可采用黑色、白色、黄色或两色相间。考虑到不同使用条件，也可采用反光标志。 本次实验中，我们选用了纸质、黑白相间的控制点标志（如图中的d），并将其依次编号，共64个控制点标志。2.3 控制点的测量与精度分析控制点的测量原理控制场内的所需控制点的坐标（X，Y，Z）的测量是以三维空间交会理论为基础的。以普通测量的前方交会解算其平面坐标(X，Y)；由普通水准测量得到其高程坐标Z。可利用一台全站仪及其附件完成控制点的测量。首先使用全站仪测出各控制点的水平角，用前方交会的方法算出各个控制点得坐标。再用水准仪测出各控制点相对于基点的高程。控制点的重心化坐标：表2-1 控制点重心化坐标点名X(m)Y(m)Z(m)点名X(m)Y(m)Z(m)11-3.115-1.631-1.121493-3.0970.8270.440212-3.117-1.627-0.345794-3.1010.8231.216213-3.121-1.6300.4424101-1.0580.805-1.151614-3.123-1.6401.2178102-1.0720.801-0.337421-1.121-1.705-1.1296103-1.0830.7950.441222-1.131-1.716-0.3590104-1.0910.7891.208523-1.129-1.7310.43341110.9320.809-1.126924-1.123-1.7521.20961120.9410.820-0.3277310.923-1.726-1.12601130.9550.8260.4385320.926-1.739-0.35291140.9630.8291.2119330.932-1.7570.44151212.8860.767-1.1214340.932-1.7751.21191222.8860.767-0.3211412.852-1.741-1.12671232.8860.7640.4476422.859-1.742-0.32261242.8830.7591.2219432.859-1.7430.44901312.8901.861-1.1172442.851-1.7441.21811322.8971.853-0.3269522.873-0.230-0.32071332.9111.8420.4423532.870-0.2310.45401342.9171.8271.2182542.862-0.2381.22381410.9431.863-1.1270610.934-0.190-1.12061420.9481.865-0.3380620.935-0.191-0.32911430.9511.8670.4335630.941-0.1950.44341440.9651.8641.2213640.942-0.2011.2154151-1.0691.893-1.127371-1.099-0.190-1.1181152-1.0641.887-0.337172-1.098-0.184-0.3321153-1.0621.8740.440173-1.100-0.1810.4344154-1.0661.8581.210074-1.105-0.1831.2137161-3.0911.954-1.119281-3.098-0.171-1.1296162-3.0881.949-0.340791-3.1030.827-1.1202163-3.0951.9410.442392-3.0960.829-0.3383164-3.0931.9291.2149第3章 内、外方位元素的解算3.1 直接线性变换解法在计算机视觉领域,摄像机标定是为了确定摄像机的位置、属性参数和建立成像模型,以便确定空间坐标系中物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系 。摄像机标定问题是计算摄像机模型的内部参数和外部参数。摄像机内部参数表示摄像机的光学本质特性,包括图像中心坐标,有效的焦距长度和非线性畸变系数;外部参数表示摄像机的位置和方位相对于一个世界坐标系的坐标。摄像机标定的方法可分为2 大类,即传统的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。文中采用传统的摄像机标定方法,通过直接线性变换法(DLT) ,同时考虑成像过程中的非线性因素,用最小二乘法计算出摄像机模型的内外参数。进行摄影测量时，由像点坐标解算物方空间坐标，通常应已知内方位元素（x0，y0，f）和外方位元素的初始近似值。量测用相机一般均能提供这些必需的数据。但是非量测相机则不能满足此两项要求。直接线性变换法是建立像点坐标系与相应物方空间坐标之间直接的线性关系的方法，因无需内、外方位元素的初始近似值，故特别适用于非量测摄影测量工作，成为近景摄影测量的重要组成部分6910。直接线性变换具有显著的特点: 首先,由像空间坐标直接变换到物空间坐标,因而不需要内外方位元素的初始值;其次,直接使用原始观测量像点坐标,因而可进行有效的系统误差补偿,特别适用于非量测相机的标定。与常规摄像机校验的不同之处主要表现在2 个方面:考虑电学误差对标定的影响;算法上要求快速实时并且稳定可靠。3.1.1 直接线性变换解法的基本关系式直接线性变换(DLT)解法，原则上也是从共线条件方程式演绎而来。按共线方程式： （3.1）其中：x、y表示像点坐标纠正值；ai、bi、ci （i=1，2，3）表示像空间坐标系相对此物方空间坐标系的方向余弦； X、Y、Z表示目标点物方空间坐标； XS、YS、ZS表示摄站点的物方空间坐标； 先假设相片某点的像点坐标为(x，y)经各线性改正后的关系为 （3.2）这里的线性误差包括相片变形、物镜畸变等因素引起的线性误差，其中、主要为坐标原点的平移引起的改正数。将式(3.2)代入共线方程式(3.1)得： （3.3）式中ei=(aiXs+biYs+ciZs)，(i=1，2，3)。将（3.3）进行一系列代数变换后，可以得到： （3.4）其中： （3.5）式中： （3.6） （3.5）式即为一张相片的直接线性变换解法的基本变换关系式，式中有11个参数，为了解算它们，要求在一张相片中至少含有六个均匀分布在物方空间且其中每四个点不在一个平面的控制点（还可以建立一个多余的关系式）。解算确定这11个参数，就相当于确定该张相片的9个内、外方位元素及2个（x，y方向）相片线性误差。3.1.2 直接线性变换解法中各l系数的矩阵表达式L观察式（3.5）不难注意到某些l系数表达式在外观上的相似性，从而可将各l系数排列成如下一个矩阵L：L= （3.7）将式（3.5）中各l系数代入上式，经一般的矩阵演化，有关系式为： L= （3.8）其中： 就是说，矩阵L是、内方位元素矩阵、外方位角元素旋转矩阵以及外方位直线元素矩阵L连乘的结果。矩阵中的内方位元素（）以及ds及d这五个元素，实际上是确定光束形状的要素。根据L矩阵的结构相似性，现在就可以容易地导出由l系数解算11个独立参数的关系式，包括求解内、外方位元素的关系式。3.1.3 内外方位元素的解算关系式由上面的L矩阵可以推出内、外方位元素的计算关系式（1） 内方位元素（x0，y0，f）的计算关系式 根据L系数矩阵的结构，并考虑到旋转矩阵的正交性，可解算得到内方位元素的表达式（解算过程略）： （3.9）（2） 外方位元素（XS，YS，ZS，）的计算关系式 根据系数关系式（3.5)中的、各式以及 的表达式，可知： （3.10） 将式连同（3.5）中式和式联立方程组，可解得外方位元素的直线元（XS，YS，ZS）： （3.11）根据系数关系式(3.5)，先解得方向余弦、的值: 进而可求出各外方位角元素： （3.12） 3.2 直接线性变换解法的解算过程 直接线性变换法的具体解算过程，包括系数的解算及物方空间坐标（X、Y、Z）的解算共四个步骤。当不含多余观测值时，由式（3.4）可列出解系数的关系式为： （3.15）由上式可知，直接线性变换法就是建立了像点的像坐标与物方空间坐标的直接的线性的关系。3.2.1 L系数的解算过程（1)系数近似值的解算 为解得其中11个系数，选择6个控制点（已知它们的空间坐标（X1、 Y1、Z1），(X6、Y6、Z6)），一共可以列出12个方程，选取前11个方程，以解得各系数的近似值： （3.16）多余的一个方程，可以采用最小二乘平差法，提高所求系数的精度。(2)系数的解算过程 由于时间有限，这部分我们没有做。当有多余观测值，以像点坐标为观测值，像点坐标观测值改正数为（vx，vy），像点坐标的非线性改正为（x、y）时，式（3.4）变为： （3.17）像点的非线性改正数为： x=(x-x0)k1r2 y=(y-y0)k1r2其中:k1、k2待定镜头对称径向畸变系数 r为像点向径若取，可列出像点坐标观测值的误差方程式及相应法方程式的矩阵形式为： （3.18）其中：用相片上的6个控制点，使用(3.16)式可以解出近似值，利用多余的观察值（比如多余的控制点），代入式(3.18)的误差方程和法方程进行迭代运算，求解。迭代判据以焦距相邻两次运算的差值是否小于0.01mm作为判断。 3.2.2 物方空间坐标（X，Y，Z）的解算过程（1）物方空间坐标近似值的解算 在解求系数以后，依式（3.4）同样又可列出物方空间坐标（X、Y、Z）近似值的解算关系式: （3.19）为解求X、Y、Z三个未知数，至少应列出三个方程，即至少应拍摄两张相片。两张相片的系数分别为及。当略去一个方程式时，有以下解（X，Y，Z）的方程组： （3.20） 从(1)、(2)两点可以看出，解系数的过程，相当于“空间后方交会”的过程；解（X、Y、Z）的过程，则相当于“空间前方交会”的过程。这样，直接线性变换法与量测用相机所摄相片的空间后方交会空间前方交会法，在概念上有相通之处。 （2）物方空间坐标（X，Y，Z）的解算过程 在解得各系数及非线性改正数之后，按以下步骤求解点的物方空间坐标（X，Y，Z）。 求解改正了非线性误差的像点坐标（x+x，y+y） （3.21） 求解未知空间坐标（X，Y，Z） 若把改正了非线性误差的坐标（x+x，y+y）当作（x，y），则式（3.17）可简化为: （3.22） 物点坐标（X，Y，Z）的误差方程式与法方程方程式矩阵形式为： （3.23）其中： 上列各项中包含了由两张相片解算的和系数，以及同名像点的坐标（x，y）和（x，y）。物方坐标计算也是迭代过程，以物方空间坐标精度要求的110作为迭代判据。3.3 使用直接线性变换解法的一些技术问题3.3.1 直接线性变换解法的性质直接线性变换解法也可看做是一种以共线条件方程式为理论基础的近景摄影测量解析处理方法。之所以称为直接线性变换解法，是因为它建立了坐标仪坐标（x,y）和物方空间坐标（X，Y，Z）之间的直接和线性的关系式。 直接线性变换解法可看做是一种“变通的空间后方交会前方交会”解法，其“后方交会”用以解算物方空间坐标（X，Y，Z）。如同常规空间后方交会前方交会法一样，因为未知点像点坐标观测值未能影响外方位元素的确定，直接线性变换解法不像光线束解法那样严谨，故仅能提供中低精度的成果。3.3.2 直接线性变换解法操作特点 直接线性变换特别适用于非量测摄影机所摄像片的处理，其中包括各类业余普通照相机、高速摄影机、电影经纬仪、TV摄像机和CCD摄像机所摄像片的摄影测量处理。由于对摄影机的类型未加限制，所以在同一个DLT摄影测量任务中，可以使用多架不同主距甚至不同类型、不同型号的摄影机。按直接线性变换解法，观测的是无主点的像片，无论采用单片观测法还是立体观测法，在任意安放像片后即可进行像点坐标的测定。计算所得的值以及角元素值都与像片的安放位置有关，其中常为大值。为了复测时的方便，以减少观测工作量，可在每张像片上选择某一起点及某一起始方向，以便复测时使用。按直接线性变换解法的理论，所处理的像片可以是摄影负片，放大的正片，甚至是所摄负片再经投影变换后的影像。 3.3.3 直接线性变换解法的精度据各方报道，直接线性变换解法，可提供1/5000摄影距离精度以致更高精度的测定结果。影响此种解法精度的主要因素包括：像点坐标量测中误差、两像片主光轴间的交会角、像片张数、非线性畸变误差的改正程度、相机的像场角、控制点的质量、控制点的数量与分布等。3.4 多基线光束法平差 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进行解算时，则可应用近景摄影测量光线束解法。区域网空中三角测量是在单航带空中三角测量的基础上发展起来的，是一种多航带解算加密点地面坐标的方法。按整体平差时所取用的平差单元的不同，区域网法可以分为航带法、独立模型法、光束法三种。光束法区域网平差是以摄影时地面点、摄影站点和像点的三点共线为条件。当在像片上以像点为坐标原点测量出像点的坐标（x,y），并建立起像空间坐标（x,y,-f），这就相当于完成了像片的内定向，取得了相似投影光束；在用单张像片空间后方交会方法，恢复每张像片的六个外方位元素，相当于完成了像片的外定向，也就满足了三点共线条件，则每条投影光线必然投向相应地面点。所以光束法区域网平差是以每张像片相似投影光束为平差单元，要求全区域内控制点和加密点都确保三点共线条件，在全区域内进行平差计算，以求得每张像片的六个外方位元素和加密点的地面坐标。相对于其他两种方法来说，光束法区域网平差理论最严密，加密精度高。光束法的误差方程式：3.5 直接线性变换解法的实际应用讲完了直接线性变换解法的原理，这里我来讲讲它在我们这次实习中的运用。主要就是用VC+将直接线性变换解法这种算法编写出来。程序界面如下图：图3-1 程序主界面图程序调试完后就可以运行了，首先是选择工具栏里的“工程”打开左、右像对，像对打开后我们首先要做的就是要捕捉出我们所布设的控制点的像点坐标，如下图：图3-2 左右像对 像对打开后，就是捕捉像点坐标，分别捕捉出左像和右像的像点坐标。然后选择工具栏中“量测”中的选择控制点，进行控制点的选取。因为要解算11个参数，所以我们要选择6个控制点，而且这6个控制点还有要求，其中任意4个点不能在一个平面上，控制的范围尽可能的大。控制点的输入如下图：图3-3 控制点输入界面图对话框中的屏幕X、Y坐标代表像点坐标，也就是屏幕坐标。而像片X、Y、Z坐标则表示的是控制点的物方空间坐标。需要注意的是，由于程序不是很完善，在输入控制点的时候需一个点一个点地输入。不然就会出现主对角元素全为0的情况。控制点录入完毕之后就开始进行运算了。具体操作如下图：图3-4 高斯主元削去法解算L参数选择了这个选项后，程序界面会弹出下面这个对话框：图3-5 主对角线元素在确定主对角线元素无误的情况下点击确定，程序自动解算出11个参数：图3-6 L参数的解算然后是相机的内方位元素：图3-7 解算内方位元素最后是相机的外方位元素：图3-8 解算外方位元素解算出的这些参数都只是左像的，然后用同样的方法算出右像的参数。参数解算完后，将这些参数录入程序，就可以根据像点坐标反算它的物方空间坐标了。下图为录入参数的界面：图3-9 录入L参数参数录入完毕后，选择工具栏“量测”中的输入右像对像素点，程序就会弹出下图：图3-10 输入像素点输入左像对的像点坐标后点确定，然后到右像对上用鼠标捕捉到对应的点，双击鼠标左键，就会弹出该点的物方空间坐标。结果如下图：图3-11 像片点的物方空间坐标第4章 近景摄影机的检较 出于不同的目的与原因，对量测摄影机、格网量测摄影机、半量测摄影机、非量测摄影机都存在摄影机的检较问题。确认摄影机的机械结构坚固而稳定，确认摄影机的光学结构和电子结构也稳定可靠时，才能对该摄影机进行检定。4.1 检较内容、检较方法分类与内方位元素检定精度要求近景摄影测量的基本任务就是从摄影机或数码相机获取的图像信息出发计算三维空间物体的几何信息，并由此重建和识别物体。而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，是由摄影机或数码相机成像的集合模型决定的，这些几何模型参数就是相机的参数。但是，普通的数码相机的主距f和像主点在像片中心坐标里的坐标（x,y）都是未知的,根据影像无法直接量测以像主点为原点的坐标,必须进行内定向。 同时非量测相机的镜头畸变差较大,由于镜头的光学畸变,使得所量测的像点坐标产生误差,它造成像点、投影中心和相应的物方点之间的共线关系受到破坏,其结果势必影响物方坐标的解算精度,必须对其进行校正。因此,在进行精确摄影测量工作前,对于非量测相机来说,这些参数必须通过实验和计算才能得到,这个过程就称为相机检校。 借内方位元素恢复摄影中心与像片之间的相对几何关系,几乎是所有摄影测量处理方法必须经过的一个作业过程。 另外,为了正确恢复摄影时的光束形状,也必须知道光学畸变系数。4.1.1 近景摄影机检较内容我们知道，恢复每张影像光束的正确形状，即借内方位元素恢复摄影中心与像片之间的相对几何关系，几乎是所有摄影测量处理方法必须经过的一个作业过程。另外，为了正确恢复摄影时的光束形状，也必须知晓光学畸变系数。检查和校正摄影机内方位元素和光学畸变系数的过程称之为近景摄影机的检较。广义上讲，近景摄影机检较的内容，比上述定义所涉及的内容还要宽广：（4） 主点位置(x,y)与主距（f）的测定；（5） 光学畸变系数的测定；（6） 压平装置以及像框坐标系的设定；（7） 调焦后主距变化的测定与设定；（8） 调焦后畸变差变化的测定；（9） 摄影机偏心常数的测定；（10） 立体摄影机（及立体视觉系统）内方位元素与外方位元素的测定；（11） 多台摄影机同步精度的测定。4.1.2 内方位元素的检定精度分析数码相机的误差由光学误差、机械误差和电学误差组成。 光学误差主要是指光学畸变误差,是指相机物镜系统制作、装配引起的像点偏离其理想位置的点位误差。 分为径向畸变差和偏心畸变差两类。 机械误差是指从光学镜头摄取的影像转化到数字化阵列影像这一步产生的误差,主要由以下两因素引起:一、扫描阵列不平行于光学影像,致使数字化影像相对于光学影像有旋转;二、每个阵列元素尺寸不同而产生不均匀变形。 电学误差主要包括行同步误差、场同步误差和采样误差。4.1.3 近景摄影机检较方法分类出于仅仅解求内方位元素和光学畸变差的目的，近景摄影测量的检校方法大体可分作以下几类。1. 光学实验室检校法2. 实验场检校法3. 在任检校法4. 自检校法5. 恒星检校法4.2 近景摄影机的光学畸变差4.2.1 主距、主点与自准直主点主距是物镜系统摄影中心到影像平面之间的垂直距离，其垂足即是主点o。主距f的数值一般大于物镜系统的焦距F，只有调焦到无穷远时，主距f与焦距F才相等。近景摄影测量中和少使用调焦到无穷远的摄影机。自准直主点是物镜系统光轴与垂直于此光轴的理想成像平面 P的焦点。理想摄影机的像片面P与P重合，即自准直主点PPA与像主点o重合。严格说来，是相对自准直主点PPA来讨论物镜系统的光学畸变。自准直主点上畸变差为零，所有其他像点的径向光学畸变的变形方向皆是通过PPA的向径方向。4.2.2 光学畸变差的一般概念 摄影机物镜系统设计、制作和装配所引起的像点偏离其理想位置的点位误差称之为光学畸变差。光学畸变差是影响像点坐标质量的一项重要误差。光学畸变分为径向畸变差和偏心畸变差两类。径向畸变差使构像点a沿向径方向偏离其准确理想位置a0；而偏心畸变差使构像点a沿向径方向和垂直于向径的方向，相对其理想位置a0都发生偏离，其向径方向的称之为非对称径向畸变，垂直于向径方向的称之为切向畸变。4.3 基于空间后方交会的摄影机检较 基于空间后方交会原理的摄影机检校方法，即实验场检校法，是检查校正近景摄影机或摄影机外方位元素、内方位元素、光学畸变差以及其他影响光束形状的各种参数的重要方法。基于空间后方交会又分为基于单像空间后方交会和基于多片空间后方交会两种。本次实验采用的是基于多片空间后方交会的摄影机检校方法。4.3.1 基于多片空间后方交会的摄影机检较法基于多片空间后方交会的摄影机检校法，是依共线条件方程式，把控制点的物方空间坐标视作真值，整体解求像片内方位元素和多张像片外方位元素的摄影测量过程。多片空间后方交会检校与单像空间后方检校的根本区别是：在不同的位置，拍摄多张像片，各像片是在同一主距条件下拍摄，因而解算所得的各片的外方位元素不同，解算所得的内方位元素以至其他附加参数任作相同。除以上多站摄影情况，还可在同一站拍摄两张像片，两像片的旋角相差大约90，这种安排的目的是减少主点位置（x0，y0）与外方位直线元素（Xs，Ys）之间的相关性，以克服单像空间后方交会法解算主点位置（x0，y0）精度偏低的缺陷。4.3.2 基于直接线性变换的摄影机检较直接线性变换解法中关于像片内方位元素、外方位元素、比例尺不一致性ds和不正交性d的解算关系式是严格而没有任何近似性的。利用直接线性变换的关系式，借助实验场可以顺利进行摄影机的检校。本方法既适用于非量测摄影机的检校，也适用于量测摄影机的检校。第5章 近景摄影测量的应用在完成了近景摄影测量系统的检校后，我们就可以利用近景摄影测量系统进行实地应用了。本次实验我们选择了西区柳池旁的凉亭（如图5-2）作为被测物体。具体操作步骤如下：在被测物体周围布设6个控制点，确保任意4个控制点不在一个平面内，以保证解的稳定性。布设基点，使得每个基点都能对控制点有好的观测角度，并使基线长大致相等。利用校园内的控制点与基点联测，得出基点的三维坐标。算出控制点三维坐标，平面坐标采用前方交会方法得到，高程采用水准方法，并在基点处拍摄，得到被测物体的像片。利用科傻软件对控制点坐标进行平差。平差后的坐标带入自编的软件以解算出L参数和相机的内、外方位元素。得到所需点的三维坐标。图5-1 野外实测图目前，该系统还有待完善，测量精度还不是很高，本次实验所测得的控制点精度为1/20。在数据提取方面还不能实现智能化和自动化，在以后的改进中，主要要解决这方面的问题。结论近景摄影测量作为摄影测量的一个重要分支，在现实生活和工业生产中有着广泛的应用前景。本文较为全面的论述了采用非量测相机进行近景摄影测量的过程。本文首先介绍了非量测近景摄影测量的发展现状和应用领域。非量测相机的选择、检校与使用，以及后续摄影测量处理方法的选择是近景摄影测量工作者的主要工作方面。针对采用非量测相机摄影测量时，所产生的内、外方位元素未知问题，给出了设计、测量室内控制场的理论依据和操作过程。根据近景摄影测量发展的数字化趋势，在论文的第三章，提出了解算相机内外方