摄影测量学第四章1

摄影测量学,土木工程学院测绘工程系杜子涛,第四章双像立体测图基础与立体测图4.1人眼的立体视觉原理与立体量测4.2立体像对与双像立体测图4.3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素4.4模拟法立体测图4.5解析法立体测图,目录,双眼观察的天然立体视觉人造立体视觉立体观察立体量测,4.1人眼的立体视觉原理与立体量测,人眼的构造,一、双眼观察的天然立体视觉,一、双眼观察的天然立体视觉,人眼的感知过程,一、双眼观察的天然立体视觉,人眼的分辨率,一、双眼观察的天然立体视觉,人眼的立体视觉,生理视差：=ab-ab,一、双眼观察的天然立体视觉,人眼的观察能力,二、人造立体视觉,当我们用双眼观察空间远近不同的景物A，B时，两眼产生生理视差，获得立体视觉，可以判断景物的远近。如果此时我们在双眼前各放一块玻璃片，则AB两点分别得到影像a,b和ab。若玻璃上有感光材料，影像就分别记录在P和P片上。,当移开实物后，两眼分别观看各自玻璃片上的构像，仍能看到与实物一样的空间景物A和B，这就是空间景物在人眼网膜窝上产生生理视差的人眼立体视觉效应。,二、人造立体视觉,人造立体视觉必须符合自然界立体观察的四个条件：两张像片必须是在两个不同位置对同一景物摄取的立体像对；每只眼睛必须只能观察像对的一张像片；两像片上相同景物(同名像点)的连线与眼睛基线应大致平行；两像片的比例尺相近(差别15)。,二、人造立体视觉,用上述方法观察到的立体与实物相似，称为正立体效应。如果把像对的左右像片对调，左眼看右像片，右眼看左像片，或者把像对绕原点各自旋转180，双眼观察产生的生理视差就改变了符号，导致观察到的立体模型正好与实际景物相反，称为反立体效应。,二、人造立体视觉,三、立体观察,立体镜观察法最简单的立体镜就是小型的桥式立体镜，在一个桥架上安置两个相同的简单透镜，两透镜光轴平行，其间距约为人的眼基线，桥架的高度等于透镜的焦距，像片对放在透镜的焦面上，物点影像经过透镜后射出来的光线是平行光。,这种小型立体镜只适合观察小像幅的像片对，若要观察大像幅的航摄像片，要用长焦距的反光立体镜。,三、立体观察,由物镜、目镜和其他光学装置组成。左右像点光线分别经棱镜折射、透镜放大、再一次折射后传入目镜，观测者左眼看左像，右眼看右像得到立体效应。,双目镜观测光路的立体观察用两条分开的观测光路将来自左右像片的光线分别传送到观察者的左右眼中，每条观测光路,三、立体观察,双目镜观测光路的立体观察,三、立体观察,互补色法一般采用红、绿两种颜色。如果我们将左影像表示为红颜色，右影像表示为绿颜色，并将它们叠合在一起。,三、立体观察,互补同步闪闭法影像在计算机屏幕上以高于100帧/秒频率交替显示，同时通过红外发射器将信号发射给具有液晶开关的眼镜，液晶开关与计算机显示屏上的影像同步开、关，实现分像，以达到立体观测的目的。偏振光法在计算机屏幕前安装偏振光屏，当计算机屏幕上分别交替显示左右影像时，屏幕前的偏振光屏就会产生不同的偏振方向，因此作业员只要戴一付偏振光眼镜，即能观测到立体。,在摄影测量中，不仅需要用像对进行立体观察，建立立体模型，而且还需要对立体模型进行量测。用一个可以在立体表面游动的测标来进行量测，用测标切准立体模型表面，这样的测标称为浮游测标，它的作用如同经纬仪目镜中的十字丝，其形状各异，大多为点状或线状。进行立体量测时，大多采用双测标法。双测标法是利用放入光路中的两个单独的实测标分别切准立体像对上的同名像点进行立体量测。,四、立体量测,P1、P2为一个立体像对，当进行立体观察时，使左右测标分别切准左右同名像点m1、m2，这时同名像点视线成对相交，构成立体模型。两个单测标相当于一对同名像点，在空间相交，构成立体测标(T)，与立体模型表面的M点重合。,四、立体量测,立体像对的点、线、面立体摄影测量的基本原理双立体测图概述,4.2立体相对与双立体测图,一、立体像对的点、线、面,摄影中心像主点同名像点摄影基线同名射线（光线）核面核线同名核线核点主核面垂核面,二、立体摄影测量的基本原理,地面点A、M、C、D等发出的光线，通过相邻两摄影机物镜S1和S2，分别构像在左右像片上影像重叠范围内，成为两个摄影光束。两摄站S1和S2的距离是空间摄影基线B。光线AS1和AS2，CS1和CS2，都是相应的同名光线，这时同名光线与基线总是在一个平面内，即三矢量S1S2，S1A，S2A共面，又称为同名光线对对相交。,二、立体摄影测量的基本原理,根据摄影过程的可逆性，将底片P1与P2装回到与摄影机相同的两个投影镜箱内，保持两投影机的方位与摄影时方位相同，但物镜间的距离缩小，即投影器从S2搬到S2处，此时投影基线为S1S2=b。在投影器上，用聚光灯照明，则两投影器光束中所有同名光线仍对对相交构成空间的交点A、M、C、D等。所有这些交点的集合，构成与地面相似的光学立体模型。这个过程是摄影过程几何反转。,二、立体摄影测量的基本原理,若用有标志的测绘台，在承影面上利用测绘台的升降使测标与模型表面相切，再加上测绘台的平面移动，测绘台下的绘图笔就可测绘出地形图。利用像片对重建并量测立体模型的测绘方式，实质上是将外业测绘工作搬到室内进行。,利用立体像对进行立体测图，是通过重建与实地相似且符合比例尺及空间方位的几何模型进行的。若能恢复像片的内、外方位元素，就能恢复摄影时摄影光线束，实现摄影过程的几何反转。因此，重建立体模型的过程就是：恢复像片对的内方位元素，也称内定向（摄影机的主距和框标坐标是已知的）。恢复像片对的外方位元素。,三、双像立体测图概述,通常外方位元素未知，要恢复像片的外方位元素，通常分为两个步骤完成该项工作。找出两张像片相对位置的数据，称这些数据为像片对的相对定向元素，建立与实际地面几何相似的相对立体模型，该过程称为立体像对的相对定向。利用地面控制点将建立起几何模型的比例尺调整到满足测图要求的比例尺，以及将模型置平并规划到地面摄影测量坐标系，建立被摄地面的绝对立体模型。该过程称为模型的绝对定向。通过相对定向与绝对定向两个步骤来恢复立体像对的外方位元素，也称为间接地实现摄影过程的几何反转。,三、双像立体测图概述,模拟法立体测图用双像投影来模拟空中摄影过程。使用由投影器及其他机械装置等构成的专用仪器，用光学像片及人工双眼寻找同名像点，通过投影器的机械装置恢复像片的内方位元素之后，利用投影器的运动来模拟相对定向，使同名光线对对相交，建立立体模型。然后，借助于机械螺旋的运动来模拟绝对定向，恢复模型的空间位置及大小。使用的仪器为模拟型立体测图仪。其特点是建立立体模型时，不用解析计算方法解求相对定向元素与立体模型的绝对定向元素，而完全是用机械运动来模拟。,双像立体测图方法,模拟型立体测图仪测绘的地形图都是线画产品，用于建立地理基础信息库时，还需将地图进行数据化，增加了工作量。目前这类仪器有些被淘汰，有些则进行了技术改造，增加计算机与接口设备，用计算机辅助测图，提高测图效率，并使产品具有线画与数字两种形式，可以直接进入地理信息库。,模拟法立体测图,所用的仪器为解析测图仪，它由一台精密立体坐标量测仪、计算机接口设备、绘图仪、计算机软件系统等组成。仍使用光学像片，且由人的双眼寻找同名像点。像片安装在像片盘上，按相应的数学公式，用解析计算法求出像对的相对定向元素与绝对定向元素，并将求解建立立体模型的各种元素存储在计算机中。测图时，软件自动计算模型点对应的左右像片上同名像点坐标，并通过伺服系统自动推动左右像片盘和左右测标运动，使测标切准模型点，从而满足共线方程，进行立体测图。这种方法精度高，且不受模拟法的某些限制，适用于各种摄影资料、各种比例尺测图任务，其产品首先以数字形式存储在计算机中。,解析法立体测图,用的仪器为数字摄影测量系统，由像片数字化仪、计算机、输出设备及摄影测量软件系统等组成。双像立体测图仍是内定向一相对定向一绝对定向过程，但使用数字影像，利用数字相关技术代替人眼观察，自动寻找同名像点并量测坐标。采用解析计算的方法，建立数字立体模型，由此建立数字高程模型，自动绘制等高线，制作正射影像。整个过程除少量人机交互外，全部自动化。但从正射影像上进行地物目标和信息提取，目前仍是半自动化的人机交互方法。,影像数字化立体测图,像对定向和绝对定向概述立体像对的相对定向和相对定向元素模型的相对定向和绝对定向,4.3立体相对的相对定向元素与模型的绝对定向元素,确定一个立体像对两像片的相对位置称为相对定向。它用于建立立体模型。其标准是两像片上同名像点的投影光线对对相交。所有同名像点的投影光线交点的集合构成了地面几何模型。确定两像片相对位置关系的元素称为相对定向元素。,一、立体像对的相对定向和相对定向元素,一、立体像对的相对定向元素,确定两像片的相对位置，并不顾及它们的绝对位置。,一、立体像对的相对定向和相对定向元素,图(a)与图(b)虽然基线摆放位置不同，但它们都正确恢复了两像片的相对位置。,确定两像片的相对位置有两种方法：将摄影基线固定水平，称为独立像对相对定向系统；将左像片置平或将其位置固定不变，称为连续像对相对定向系统。这两种系统选取了不同的像空间辅助坐标系，因此有不同的相对定向元素。,一、立体像对的相对定向和相对定向元素,连续像对的相对定向元素,S1-U1V1W1为本像对的像空间辅助坐标系。S1在该坐标系的坐标为：以US1=VS1=WS1=0，像片的三个角元素亦为零，1=1=1=0。,右像片中，S2在S1-U1V1W1中的坐标为：US2=bu，VS2=bv，WS2=bw，三个角元素为：2，2，2。其中b，b，bw,也称基线分量。bu只影响相对定向后建立模型的大小而并不影响模型的建立，因此，称bv、bw、2、2、2为连续相对定向的五个相对定向元素，只要恢复或解求出这五个元素，就完成了相对定向。,连续像对的相对定向元素,单独像对的相对定向元素,若摄影基线置水平，像空间辅助坐标系选取S1为坐标原点，基线B作为U轴，垂直于左核面的轴为V轴构成右手平面直角坐标系S1-U1V1W1，这样的像对为单独像对.,单独像对的相对定向元素,左像片，三个线元素为：US1=VS1=WS1=0，因左光轴在S1-U1W1平面内，三个角元素为：1=0，1,1。对于右像片，三个线元素为：US2=b=b，VS2=b=0，WS2=b=0；三个角元素为：2、2、2。,其中，b只涉及模型的比例尺，不影响重建模型，因此，称1、1、2、2、2为单独像对的相对定向五个元素。同样，一旦恢复了这五个元素，就完成了像对的相对定向。,单独像对的相对定向元素,二、模型的绝对定向和定向元素,相对定向后，所建立的模型是在选定的像空间辅助坐标系中，且模型的比例尺也是未知的，要把模型纳入地面摄影测量坐标系D-XYZ中中