第四章 立体测图原理
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立体测图原理
立体测图原理
立体测图原理是指通过特定的方法和仪器，将三维物体的形状、大小、位置和相对位置等信息转化为二维平面上的具体图像或图表。
这样的测图方法是一种常用于地理测绘、建筑设计和工程制图等领域的技术手段。
立体测图的原理基于如下几个关键点：几何关系、投影关系和测量关系。
首先是几何关系。
在立体测图中，我们需要准确地捕捉被测物体在三维空间中的几何形状和位置。
为了实现这一点，我们需要采用一些几何方法和测量仪器，如全站仪、摄影测量仪、激光扫描仪等，来获取三维空间中物体的坐标信息和形状。
其次是投影关系。
立体测图中的关键问题是将三维空间中的物体信息转化为二维平面上的图像。
这就涉及到投影关系的应用。
通常采用的投影方法有平行投影和中心投影两种。
平行投影适用于正交或近似正交的物体，而中心投影适用于其他类型的物体。
最后是测量关系。
在立体测图中，我们需要对物体进行测量，获取其大小、距离和角度等信息。
测量关系是实现这一目标的基础。
通过几何测量和仪器测量，我们可以准确地获取物体的各种尺寸和几何属性。
综上所述，立体测图原理是基于几何关系、投影关系和测量关系的。
通过合理应用相关方法和仪器，我们可以将三维物体的
信息转化为二维平面上的具体图像或图表，实现对物体的几何形状和位置等信息的准确测量和记录。
第4章 双像立体测图原理与立体测图
o a
1
1
n
1
B
W
A
n
2 2
o a 2 S
2
P
2
J
2
S1
A
P J
1 1
o a
1
1
n
1
B
n
2 2
o a 2P2S来自2J2
S1
W
A
A
通过像底点的核面，称为垂核面。因为左右像片的底点与摄影 基线B位于同一铅垂面内，所以一个像对只有一个垂核面。垂
核面与像片面的交线称为垂核线。
§4-2立体像对与立体测图原理
B
的。
②两眼各看一张像片，即必须分像。 ③必须使同名像点的连线与眼基线平 行，以保证两视线 内。 在同一个视平面
P1 OL BL C L AL a1 c 1
C
b1 c2
a2 OR
b2 P2
④比例尺基本一致（比例尺的差异小
于比例尺的16%）
BR
CR AR
§4-1双像立体测图原理与立体测图
三、立体观察与立体量测 直接对像对进行目视观察时，立体观察条件中， 最难满足的是？ 1.立体观察方法
ZT
A
YT
OT
XT
从方程个数 来讲，必须 要至少3个 方程。
复 习 Review
z S
y
x
y
a o
x
ZT
A
YT
从方程个数 来讲，有4 个方程，可 以解算
OT
XT
§4-2立体像对与立体测图原理
航向重叠60％
§4-2立体像对与立体测图原理
1、立体像对的定义（Stereo Pair）
由不同摄站获取的，具有一定影像重叠的两张像片。
第四章 双向立体测图基础与立体测图
立体摄影测量（双向立体测图）是利用一个立体像片对，在恢复它们内外方位元素后，重建与地面相似的几何模型，并对该模型进行测量的一种摄影测量方法。
几何模型：根据摄影过程的几何反转原理，恢复了立体像对的内方位和相对方位后，所有同名光线成对相交，由无数同名光线相交交点构成的与实地相似的几何表面。
重建立体模型的过程：1恢复像片对的内方位元素。2恢复像片对的外方位元素。（1找出两张像片位置的数据，称这些数据为像片对的相对定向元素，形成几何模型；2找出恢复该模型大小与空间方位的的数据，即绝对定向元素。）
立体观察方法：1立体镜观察法2双目镜观测光法立体观察。
立体摄影测量也称双像测图，是由两个相邻摄站所摄取的具有一定重叠度的一对像片对为量测单元。立体相对的特殊点线面：两摄影中心连线称摄影基线，地面上任一点在左右像片上的构像称同名像点，通过摄影基线与地面上任一点所做的平面称为该点的核面，若同名射线都在核面内，则同名射线必然对对相交。过像底点的核面称为垂核面。核面与像片面的交线称为核线。基线的延长线与左右像片的交点成为核点。
在不改变两投影中心位置的情况下，通过两个光束旋转来确定相对方位，适用于单独像对的作业，因此又称为单独像对系统。以基线坐标系为基础，将摄影基线固定水平（5个）
基线坐标系： 左摄站为原点，摄影基线为X0轴，左主核面为X0Z0面， Z0轴向上为正，Y0轴按右手法则来确定的坐标系
绝对方位元素确定几何模型的比例尺和它在地面坐标系中空间方位的元素
立体像对基本知识
空间景物在感光材料上构像，再用人眼观察构像的相片而产生生理视差，重建空间景物立体视觉，这样的立体感觉称人造立体视觉，所看到的立体模型称立体视模型。
立体观察条件①两张像片必须是从不同摄影站摄取的。②两眼各看一张像片，即必须分像。③必须使同名像点的连线与眼基线平行，以保证两视线 在同一个视平面内。④比例尺基本一致（比例尺的差异小于比例尺的15%）
几何模型：根据摄影过程的几何反转原理，恢复了立体像对的内方位和相对方位后，所有同名光线成对相交，由无数同名光线相交交点构成的与实地相似的几何表面。
重建立体模型的过程：1恢复像片对的内方位元素。2恢复像片对的外方位元素。（1找出两张像片位置的数据，称这些数据为像片对的相对定向元素，形成几何模型；2找出恢复该模型大小与空间方位的的数据，即绝对定向元素。）
立体观察方法：1立体镜观察法2双目镜观测光法立体观察。
立体摄影测量也称双像测图，是由两个相邻摄站所摄取的具有一定重叠度的一对像片对为量测单元。立体相对的特殊点线面：两摄影中心连线称摄影基线，地面上任一点在左右像片上的构像称同名像点，通过摄影基线与地面上任一点所做的平面称为该点的核面，若同名射线都在核面内，则同名射线必然对对相交。过像底点的核面称为垂核面。核面与像片面的交线称为核线。基线的延长线与左右像片的交点成为核点。
在不改变两投影中心位置的情况下，通过两个光束旋转来确定相对方位，适用于单独像对的作业，因此又称为单独像对系统。以基线坐标系为基础，将摄影基线固定水平（5个）
基线坐标系： 左摄站为原点，摄影基线为X0轴，左主核面为X0Z0面， Z0轴向上为正，Y0轴按右手法则来确定的坐标系
绝对方位元素确定几何模型的比例尺和它在地面坐标系中空间方位的元素
立体像对基本知识
空间景物在感光材料上构像，再用人眼观察构像的相片而产生生理视差，重建空间景物立体视觉，这样的立体感觉称人造立体视觉，所看到的立体模型称立体视模型。
立体观察条件①两张像片必须是从不同摄影站摄取的。②两眼各看一张像片，即必须分像。③必须使同名像点的连线与眼基线平行，以保证两视线 在同一个视平面内。④比例尺基本一致（比例尺的差异小于比例尺的15%）
《摄影测量》模拟法立体测图
型的平移、旋转和缩放将立体模型纳入地面测量坐
标系。
N1
N2
1、准备工作
将像对范围内的四个地面控制点，按测图比
例尺按其坐标展绘在图纸上，制成图底。
N3
N4
§ 4-3模拟法立体测图
1、定向过程
（1）. 模型平移
将图底安放在承影面上，移动图底，是其中一个控 制点与相应模型点投影重合------解决了 X , Y
左右视差：P
上下视差：Q X
§ 4-3模拟法立体测图
左右视差是承影面与模型点的空间位置不吻合造成 的，可以通过升降承影面，改变高度加以消除；
上下视差是由于两像片相对位置没有恢复到摄影时的 相对位置所导致的------上下视差是衡量同名光线是 否相交的标志（相对定向是否完成的标志）。
通过运动投影器，同名点的上下视差随着发生变 化，当诸多同名点的上下视差为零，相对定向即 告完成。通过微动投影器的定向螺旋，消除承影面上同名
（4）. 安置高程
任取一点为高程起点，调整高程起始读数，使该点 的高程读数等于实测高程------解求 Z
§ 4-3模拟法立体测图
（5.） 模型置平
用测标分别立体切准模型点 N2, N3 ，读出相应的高 tan h'12 h12
程读数，计算出相对于N1的高差 h12 , h13
求出地面点实测的高差
绝对定向的实质-------利用一定数量的地面控制 点反求7个绝对定向元素（？？？）（解析法）。控 制点数？？？？
§ 4-3模拟法立体测图
（三）、绝对定向模拟立体测图仪完成这一工作
是根据展有一定数量的控制点的图底与所建模型上
对应点在承影面上正射投影位置的差异，即控制点
实地高差与相应模型点间高差的不符情况，通过模
第四章 双像立体测图基础与立体测图
我们知道，一个像对的两张像片有十二个外方位元素， 相对定向求得五个元素后，要恢复像对的绝对位置，还 要解求七个绝对定向元素，包括模型的旋转、平移和缩 放。它需要地面控制点来解求，这种坐标变换，在数学 上为一个不同原点的三维空问相似变换，其公式为：
X tp Y tp Z tp a1 = λ b1 c1 a2 b2 c2 a3 X P ∆X b3 Y P + ∆ Y c3 Z P ∆ Z , (a )
1 连续像对相对定向元素 连续像对相对定向是以左方像片为基准，求出右方像 片相对于左方像片的相对方位元素、选定像空间辅助 坐标系S1—X1Y1 Z1使得左像片在S1—X1Y1 Z1中的 相对方位元素均为已知值。为简便讨论，以左像片的 像空间坐标系作为像空间辅助坐标系．如下图。此时， 左、右像片的相对方位元素为： 左像片： X = 0 , Y = 0 , Z = 0 , ϕ = 0 , ω = 0 , k = 0 右像片： X = b , Y = b , Z = b , ϕ , ω , k 由于 b 只影响相对定向后建立的模型大小，而不影 响模型的建立，因此，相对定向需要解求的元素只有 5个，即 b , b , ϕ , ω , k 称为连续像对相对定向元素。
第二节 立体像对与双像立体测图
一 双像解析摄影测量的概念 摄影测量的最终目的是在已知像片上像点坐标的前提 下，推导出像点所对应实际地物点的坐标。 那么，利用单张像片的像点坐标能不能推导出实际地 物点的坐标？ 看中心投影的构像条件方程：
即使已知了单张像片的内外所有方位元素，也仍然无 法确定地物点的空间坐标，因为只有两个方程却需要 解三个未知数。
1 根据像片的放置方式可以产生三种立体效应分别是 正立体、反立体和零立体效应。 2 像片的立体观察需要借助于专门的仪器。 有两种：立体镜观测，叠映影像的立体观察：液晶闪 闭法 3 像对的立体量测 像对的立体量测量测的是像点在像平面坐标系中的 坐标，实际上就是内方位元素。早期量测像点坐标 有专门仪器叫做立体坐标量测仪。量测的成果有的 是左右像点各自的坐标值，有的是左像点的坐标值， 和同名像点的左右视差p和上下视差q。
第四章 双像立体测图
人眼的立体视觉与立体观测
主要内容
一、人眼立体视觉原理 二、人造立体视觉 三、像对的立体观察
§3.1.1 人眼立体视觉
人 眼 基 本 构 造
图4.1 人眼的结构
人眼好像一个完善的自动调光的摄影机—— 人眼好像一个完善的自动调光的摄影机 水晶体如同物镜，瞳孔如同光圈， 水晶体如同物镜，瞳孔如同光圈，网膜像底 片。
立体像对的相对定向元素 与模型的绝对定向元素
主要内容
一、立体像对的相对定向元素 二、模型的绝对定向元素
一、立体像对的相对定向元素
1、定义 、
1)相对定向 相对定向 确定一个立体像对两像片的相对位置。 确定一个立体像对两像片的相对位置。 2)相对定向元素 相对定向元素 确定两像片相对位置关系的参数。 确定两像片相对位置关系的参数。
人眼分辨远近物点的极限距离
Lmax＝ ∆γ min br
)=
br 2L
ρ ′′ =
65 × 207692 = 450m 30
br ⋅ dL 2 L br d γ L2 σ dL = − = − ⋅ 2 γ br f r dγ = −
单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力 单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力
立体模型与实物相似
零立体： 零立体：起伏的视模型变平(正立体效应基础上左右像片各旋转90°)
在量测中，用正反两种立体效应应交替进行立体观察， 在量测中，用正反两种立体效应应交替进行立体观察， 可以检查和提高立体量测的精度。 可以检查和提高立体量测的精度。 在量测上下视差时，为了提高量测的精度， 在量测上下视差时，为了提高量测的精度，可采用零 立体效应进行y方向的坐标量测。 立体效应进行 方向的坐标量测。 方向的坐标量测
同名射线 同一地面点发出 的两条光线
主要内容
一、人眼立体视觉原理 二、人造立体视觉 三、像对的立体观察
§3.1.1 人眼立体视觉
人 眼 基 本 构 造
图4.1 人眼的结构
人眼好像一个完善的自动调光的摄影机—— 人眼好像一个完善的自动调光的摄影机 水晶体如同物镜，瞳孔如同光圈， 水晶体如同物镜，瞳孔如同光圈，网膜像底 片。
立体像对的相对定向元素 与模型的绝对定向元素
主要内容
一、立体像对的相对定向元素 二、模型的绝对定向元素
一、立体像对的相对定向元素
1、定义 、
1)相对定向 相对定向 确定一个立体像对两像片的相对位置。 确定一个立体像对两像片的相对位置。 2)相对定向元素 相对定向元素 确定两像片相对位置关系的参数。 确定两像片相对位置关系的参数。
人眼分辨远近物点的极限距离
Lmax＝ ∆γ min br
)=
br 2L
ρ ′′ =
65 × 207692 = 450m 30
br ⋅ dL 2 L br d γ L2 σ dL = − = − ⋅ 2 γ br f r dγ = −
单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力 单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力
立体模型与实物相似
零立体： 零立体：起伏的视模型变平(正立体效应基础上左右像片各旋转90°)
在量测中，用正反两种立体效应应交替进行立体观察， 在量测中，用正反两种立体效应应交替进行立体观察， 可以检查和提高立体量测的精度。 可以检查和提高立体量测的精度。 在量测上下视差时，为了提高量测的精度， 在量测上下视差时，为了提高量测的精度，可采用零 立体效应进行y方向的坐标量测。 立体效应进行 方向的坐标量测。 方向的坐标量测
同名射线 同一地面点发出 的两条光线
第04章 双像立体测图基础与立体测图
人造立体视觉
立体观察与立体量测
直接对像对进行目视观察时，立体观察条件中，最 难满足的是？ 分像
①立体镜观察法 ②叠影影像的立体观察 ③双面镜观测光路的立体观察
立体观察与立体量测
桥式立体镜 在一个桥架上安装两个相同 的简单透镜 透镜光轴平行，间距约为眼 基距，高度等于透镜焦距
立体观察与立体量测
《数字摄影测量》
第四章 双像立体测图基础 与立体测图
湖南科技大学
建筑学院 测绘工程系
问题的引出
S
f a
o
ZT YT
X
M
一般情况，利用单 幅影像不能确定物 方点的空间位置， 只能确定物方点所 在的空间方向
A
Z Y
XT
问题的引出
zy
S
x
y
a
o
x
ZT YT
MaBiblioteka AAXTz y
S
x
y
o x
要获取物方点 的空间位置， 一般须利用两 幅相互重叠的
a2 y c2 y
a3 f c3 f
Y
Ys
(Z
Zs)
b1x
b2 y
b3
f
c1x c2 y c3 f
立体像对的基本概念
同名像点寻找问题？ 人工方法：人工立体观测（如何提高效率） 自动方法：数字影像匹配－数字摄影测量核心问题
双像立体测图概述
zy
X
Xs
(Z
Zs)
a1x a2 y c1x c2 y
清晰视角： 左右 1.50
人眼视轴活动范围： 左右 ±450 上下 +300 ，-500
利用单眼观察去决定 物体的远近是比较困 难的。
第四章_双像立体测图基础与立体测图
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
三、立体观测与立体量测
1、立体观测方法
立体观测要求两眼各看一张像片，这与我们平时观看物体 的本能违背，必须借助于立体观测的不同仪器进行立体观察， 这样就有不同的立体观察方法
(1)立体镜观察法
(2)双目镜观测光路的立体观察
(3)互补色法立体观察
(4)同步闪闭法立体观察 (5)偏振光法立体观察
§4-1 人眼的立体视觉与立体观测
综上所述，人造立体效能必须符合自然界立体观 察的四个条件： 1、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； 2、每只眼睛必须分别观察像对的一张像片。 3、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 4、两像片的比例尺相近（差别小于15%）， 否则需要调节。
绝对方位元素的确定
X tp a1 a 2 a3 X X Ytp b1 b 2 b3 Y Y Z c1 c 2 c3 Z Z tp
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
立体镜观察法设备
袖珍立体镜
反光立体镜
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
互补色法立体观察设备
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
同步闪闭法立体观察设备
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
偏振光法立体观察设备
§4-1
人眼的立体视觉与立体观测
在数字摄影测量工作站中，需要在计算机屏 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，观测者只要戴一副偏振光眼镜，就 能获得立体影像。 目前，在数字摄影测量工作站中，常用的是 同步闪闭法及偏振光法。
第四章立体观察和立体量测4
三、解析测图仪的原理：（ 解析测图仪的原理：（Principle of ：（ Analytical Stereoplotter） ） ●解析测图仪是用计算机进行解算，但输入坐 解析测图仪是用计算机进行解算， 解析测图仪是用计算机进行解算 标的方式有两种：一是输入物方坐标， 标的方式有两种：一是输入物方坐标，用计算 机解算相应的像点坐标， 机解算相应的像点坐标，并驱使像片盘达到像 点的位置。二是用坐标仪输入像点坐标， 点的位置。二是用坐标仪输入像点坐标，计算 机求出相应物点的坐标。实践证明， 机求出相应物点的坐标。实践证明，输入物方 坐标更加灵活实用， 坐标更加灵活实用，所以大多数解析测图仪都 属于这一类。 属于这一类。图8——17为输入模型坐标计算 为输入模型坐标计算 像点坐标的解析测图仪工作原理。 像点坐标的解析测图仪工作原理。 像片放在像片盘上后， 像片放在像片盘上后，由观测者在键盘上把摄 影机主距、物镜畸变差、大气折光差、 影机主距、物镜畸变差、大气折光差、地球曲 率等必要的数据输入， 率等必要的数据输入，并输入像片四个框标的 理论值。单像观测每个像片的四个框标， 理论值。单像观测每个像片的四个框标，计算 机即可进行内定向，确定像主点位置， 机即可进行内定向，确定像主点位置，进行像 片坐标与仪器架坐标之间的换算， 片坐标与仪器架坐标之间的换算，以及底片变 形参数的计算。 形参数的计算。解析
2、反立体效应 把左方摄站摄得的像片P1放在右方，用右眼观 察；右方摄站摄得的像片P2放在左方用左眼观察， 如图（b）。这种立体效应称为反立体。 或是在组成正立体效应后，将左右像片各旋转 180°，如图（c），同样可得到一个反立体效应。
3、零立体效应 将正立体情况下的两张像片，在各自 的平面内按同一方向旋转90°，使像片 上纵横坐标互换了方向。像片上原来的 纵坐标y轴转到与基线平行，此时生理视 差变为像片的y方向的视差，因而失去了 立体感觉成为一个平面图像。 这种立体视觉，称为零立体效应。
第四章 立体测图
3、影像数字化立体测图 、
是目前正在发展的一种方法。 是目前正在发展的一种方法。所用的仪器 称为数字摄影测量系统，由数字化仪、计算机、 称为数字摄影测量系统，由数字化仪、计算机、 输出设备及摄影测量软件等组成。 输出设备及摄影测量软件等组成。利用数字相 关技术代替人眼观察， 关技术代替人眼观察，自动寻找同名像点并量 测坐标；采用解析计算方法建立数字立体模型， 测坐标；采用解析计算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， 由此建立数字高程模型，自动绘制等高线，制 作正射影像图。 作正射影像图。 特点：整个过程除少量人机交互外， 特点：整个过程除少量人机交互外，全部 自动化。
（3）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测者的左右眼睛中， 的光线分别传送到观测者的左右眼睛中， 每条观测光路由物镜、 每条观测光路由物镜、目镜和其他光学 装置组成。 装置组成。
2、立体量测 、 摄影测量中，不仅需要建立立体模型， 摄影测量中，不仅需要建立立体模型，还要对 立体模型进行量测。一般用一个可以在立体表 立体模型进行量测。 测标来进行量测 点状或 面游动的测标来进行量测，测标一般为点状 面游动的测标来进行量测，测标一般为点状或 线状，目的是可以更准确地判断测标是否切准 线状，目的是可以更准确地判断测标是否切准 立体模型表面。 立体模型表面。 立体量测时，大多采用双测标法。双测标法是 立体量测时，大多采用双测标法。 双测标法 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。 同名像点进行立体量测 立体像对上的同名像点进行立体量测。
人用双眼观察景物可判断其远近，得到景物的立体 效应，这种现象称为人眼的天然立体视觉。 生理视差是产生天然立体 感觉的根本原因。
第4章 立体测图
（1）相对定向
两相邻像片任意放置在投影器上．恢复内方位 元素以后，光线经投影物镜投影到承影面上成 像。这时，同名光线不相交，即与承影面的两 个交点不重合，这个不重合其实就是存在左右 视差和上下视差，当升降测绘台时，左右视差 可以消除，只存在上下视差，因此，上下视差 是衡量同名光线是否相交的标志，或者说．若 同名像点上存在上下视差，就说明没有恢复两 张像片的相对关系，即没有完成相对定向，根 据这一原则，我们可以通过运动投影器，消除 同名点上的上下视差，达到相对定向的目的。
连续像对相对定向元素
连续像对相对定向元素
连续像对相对定向元素
左片
右片
连续像对相对定向元素
在这样的坐标系下：
BY 连续像对相对定向元素：
BZ 2 2 2
注意：
①这里的 BX BY BZ 2 2 2 并不是真正的外方位角 元素。 ②BX与两像片相关位置无关,只决定模型大小。 因此纳入到绝对定向元素中。 ③与单独像对不同的是：五个元素中有两个直 线元素BYBZ。
4-3 立体测图仪上像对的相对定向
一、目的：为了建立两张像片的相关位置，达到 同名光线对对相交，建立与实地相似的立体 模型。 二、仪器上表现： ⒈左右视差P
不影响相对定向，只影 响交点（模型点）高低。
⒉上下视差Q
只有当Q＝0时，两条同名光线相交。
因此，相对定向完成与否的标志是Q＝0。
单独像对相对定向元素
注意：
⒈实际操作时，无需计算，就观察同名像点 上的上下视差。 ⒉步骤中的⑴与⑵、⑶与⑷可以对调。 ⒊3/4点可与5/6点对调。 ⒋过度改正倍数一般为1.5倍（经验）。 （相对定向是在像空间辅助坐标系下进行的， 模型大小没定，也可能左歪或右歪）
4-4 绝对定向
摄影测量学课件—双像立体测图基础与立体测图
来自物体的光刺激视网膜的杆状和锥状细胞（物理过 程）使其感光（生理过程），通过视神经纤维传至后 大脑视觉中心，经记忆加入已有的概念与经验（心理 过程），从而形成感知
人眼观察目标时，会本能地转动眼球，使 视轴交会于该物体上，同时眼睛的水晶体 自动调焦得到清晰的影像，这种本能称为 人眼的凝视。
交会角
接口设备：电子计算机与立体坐标量测仪及数控 绘图桌连接与信息沟通。
包括
编码器：进行模/数转换（A/D），使仪器的 机械位移量转化为计算机能接受的数字量。
伺服系统：进行数/模转换（D/A），将计算 机给出的数字信息转化成仪器的机械位移量，驱 动部件至应有的位置。
像点坐标量测
在摄影测量中，一个立体像对的同 名像点在各自的像平面坐标系的 x,y坐标之差分别称为左右视差p及 上下视差q,即
是指利用一个立体像对重建地面立体几 何模型，并对该几何模型进行量测，直接 给出符合规定比例尺的地形图，获取地理 基础信息。
4.1 人眼的立体视觉原理
一、人眼的基本结构
视网膜上大约有108个杆状细胞，直径2μm； 6.5×106个锥状细胞，直径2~8μm
二、人眼光学感觉过程
一个物理、生理、心理共同作用的过程。
叠的地物 。（考虑：两张相对重叠100%行不行？） 2、每只眼睛只能观察像对中的一张像片，这一
条件称之为分像条件。 3、两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼
基线应大致平行，并且两同名点的距离与眼 基线尽量相等。 4、两像片的比例尺相近，不能差别太大（差别 <15%）
五、立体效应
1、正立体效应 2、反立体效应
三、双像立体测图概述
立体像对上对应的同名像点、摄影基线、同名射线与地面 点存在固定的几何关系，如果能够恢复像片对的内外方位元素， 就能恢复他们之间固有的几何关系，重建立体模型。
人眼观察目标时，会本能地转动眼球，使 视轴交会于该物体上，同时眼睛的水晶体 自动调焦得到清晰的影像，这种本能称为 人眼的凝视。
交会角
接口设备：电子计算机与立体坐标量测仪及数控 绘图桌连接与信息沟通。
包括
编码器：进行模/数转换（A/D），使仪器的 机械位移量转化为计算机能接受的数字量。
伺服系统：进行数/模转换（D/A），将计算 机给出的数字信息转化成仪器的机械位移量，驱 动部件至应有的位置。
像点坐标量测
在摄影测量中，一个立体像对的同 名像点在各自的像平面坐标系的 x,y坐标之差分别称为左右视差p及 上下视差q,即
是指利用一个立体像对重建地面立体几 何模型，并对该几何模型进行量测，直接 给出符合规定比例尺的地形图，获取地理 基础信息。
4.1 人眼的立体视觉原理
一、人眼的基本结构
视网膜上大约有108个杆状细胞，直径2μm； 6.5×106个锥状细胞，直径2~8μm
二、人眼光学感觉过程
一个物理、生理、心理共同作用的过程。
叠的地物 。（考虑：两张相对重叠100%行不行？） 2、每只眼睛只能观察像对中的一张像片，这一
条件称之为分像条件。 3、两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼
基线应大致平行，并且两同名点的距离与眼 基线尽量相等。 4、两像片的比例尺相近，不能差别太大（差别 <15%）
五、立体效应
1、正立体效应 2、反立体效应
三、双像立体测图概述
立体像对上对应的同名像点、摄影基线、同名射线与地面 点存在固定的几何关系，如果能够恢复像片对的内外方位元素， 就能恢复他们之间固有的几何关系，重建立体模型。
第四章 立体观察与立体量测
第四章 立体观察与立体量测单张像片只能研究地物平面信息，而当具有对同一地区从两个不同方位摄取的重叠立体像对时，则可构成立体模型来解求地面物体的空间位置。
在解求地面三维坐标中首先要求观察和量测立体模型，这些都是摄影测量的基础。
立体观测方法不仅能够增强辨认像点的能力，而且可以提高量测的精度。
因此在摄影测量中，立体观察和立体量测得到了广泛应用。
本章主要介绍立体观察原理、方法和立体量测仪器及其作业方法。
§4.1 人眼构造和立体视觉一、人眼构造人眼是一个结构复杂的天然光学系统，图4-1-1是人眼结构示意图。
它就象一架完善的，能自动调节的摄影机。
水晶体好比摄影物镜，能自动改变焦距，使观察不同远近物体时，在视网膜上都能得到清晰的物像。
瞳孔如同光圈，网膜就象底片，能够接收影像信息。
网膜上起感觉作用的是锥体色素细胞和柱状感光细胞，感光最敏锐的地方称为黄斑。
黄斑在网膜的中央，大小约为0.9×0.6毫米，其中感光力最强的部分称为网膜窝。
通过网膜窝中心和水晶体节点的直线称为眼睛的视轴。
它与水晶体的光轴很相近，但并不一致。
二、立体视觉单眼观察物体时，我们所感觉到的仅是物体的透视像，好象观看一张像片一样。
单眼观察不能够确定物体的远近，只能凭经验间接地判断。
只有用双眼观察景物，才能判断景物的远近，得到景物的立体效应，这种现象称为人眼的立体视觉。
摄影测量中，正是根据这一原理，对同一地区要在两个不同摄站点上拍摄两张具有一定重叠度的像片，构成一个立体像对，进行立体观察与量测。
当人的双眼注视于某物点A 时(图4-1-2 )，两眼的视轴本能地交会于该点，此时，两视轴相交的角度γ叫做交会角。
在两眼交会的同时，眼睛水晶体自动调节焦距，得到最清晰的影像。
交会和调节焦距这图4-1-2 人眼立体视觉图4-1-1 人眼的构造两项动作，是本能地同时进行的，人眼的这种本能称为凝视。
两眼凝视于一点时的交会角大小与物体离眼睛的距离远近有关，一定的交会角就代表了一定的距离，人眼的功能可本能地反映出交会角的差异，因而可以直接地判断物体的远近。
第4章立体测图的原理与方法ppt课件
S1S2：摄影中心 S1′S2′：投影中心
B：摄影基线
b：投影基线
摄影时关键（条件）：恢复测绘时投影光束的方位，使 其与摄影时的方位相同，从而建立立体模型进行测图
S1a1A S2a2A B 三个矢量要共面 模拟时也要三线共面即保证所有同名光线对对相交。
实质：确定一张像片的空间位置要知道它的内、外方位 元素。
④动bx使（N4）与N4垂直方向重合（即 使N1(N4)=N1N4）【解决了λ】
2.模型置平：
①航向置平：取去底图，用测绘台测 标升（降）切准模型上的（N1）点， 读高程读数Z(N1)扭动读数盘，使 Z(N1)=ZN1=H1/M【解决了Zs】
再用测标切准（N2）升降Φ螺丝，直 至Z(N2)=ZN2＝H2/M【解决了Φ 】
Q＝Y2-Y1
y1
y2
x
方法
1. 单独像对相对定向 2. 连续像对相对定向
单独像对相对定向元素
取垂直于X轴方向
单独像对相对定向元素
单独像对相对定向元素
单独像对相对定向元素
在这样的坐标系下： 单独像对相对定向元素：1 2 1 2 2
注意：
①这里的 与外方位角元素不同。 ②b只确定模型大小。与两像片相关位置无
在像对的四个角各选一个已知
地面平高点）。将已知地面点
按坐标依成图比例尺展绘出来
②将图底置于仪器承影面（桌面）上， 用测标使（N1）垂直对准N1（可以拖 动图纸）说明x、y已经对准，（N1） 与N1的起点一致。【解决了XS、YS】
③测标对准（N4）垂直下来，图底上垂 足落在N1N4的连线（或延长线）上 （转动图纸）（以N1点为圆心，解决 了整个模型的转动）【解决了K】
关。（纳入到绝对定向元素） ③这样坐标系对于某像对是独立的，与其他
第四章 立体测图原理与方法
9、几种典型的解析测图仪 （3）、 ANAGRAF型解析测图仪
1、开机 •自检校 •LOOP启动 2、参数输入 •主距、框标参数、内 定向方式、基线分量、 作业员、成图比例尺等 •地面控制点
3、内定向 4、相对定向
5、绝对定向 6、图版定向 •纸质图 •拼接 7、联机测图
•注意成果的 保存
Topocart
1、解析测图仪概述
2、解析测图仪定义 以摄影测量的数学模型为基础，由立体坐 标量测仪、电子计算机、接口和驱动装置、数 控绘图桌以及相应软件组成的立体测图仪器。 计 算 机 绘 图 桌
左像
右像
终端
3、解析测图仪分类 输入物方坐标的物方型解析测图仪
输入物方坐标的方法： 通过改变物方坐标找到要量测的点并记录物方坐标
计 算 机
左像
右像
绘 图 桌
终端
X、Y、Z
7、解析测图仪主要计算过程 （1）、输入模型坐标的方案 1、从模型坐标变换为地面坐标
2、从模型坐标变换为图面坐标
3、地球曲率改正 4、从模型坐标变换为像片坐标 5、畸变差的改正 6、从像片坐标变换为像片架坐标
7、解析测图仪主要计算过程 （2）、输入地面坐标的方案 1、手轮和脚盘增量到地面坐标的变换 2、地面坐标到模型坐标的变换 3、地球曲率改正 4、建立以摄站为原点的局部空间直角坐标系 5、大气折光差的改正 6、从模型坐标变换为像片坐标 7、畸变差的改正 8、从像片坐标变换为像片架坐标 9、从地面坐标变换为图面坐标
输入物方空间坐标 型的解析测图仪使用方 便、灵活性强，可以很 方便地输入大地坐标， 有的还可以输入地理坐 标，可以沿着指定的地 面坐标方向进行断面测 量。 绘 图 桌
计 算 机
第四章双像立体测图基础与立体测图
像片外方位元素：
Xs1，Ys1，Zs1，1，1，1 Xs2，Ys2，Zs2，2，2，2
完成相对定向的 唯一标准是像片 上同名像点的投 影光线对对相交
w1
v1 u1
S1
Z
a1(x1,y1)
A(X,Y,Z) Y
w2
v2
S2 a2(x2,y2)
u2
X
描述立体像对中两张像片相对位置和姿态关系的参数
Zt
YXSt XS ZS
O
Yt
基本公式 X a1a2a3U XS
Y
b1b2b3
V
YS
Z c1c2c3 W ZS
绝对定向元素：
—模型缩放比例因子
,, —模型旋转因子
XS ,YS , ZS —坐标原点平移量
单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力
人
用单眼所能观察出两点间的最小距离称第一分辨力
眼
用单眼所能观察出两平行线间的最小距离称第二分辨力
分 辨
第一分辨 ＝ 力0.003545
17
力
第二分辨 2力 0
双眼观察精度比单眼提高 2 倍
人用双眼观察景物可判断其远近，得到景物的立体效应， 这种现象称为人眼的立体视觉
《摄影测量学》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
• 双象立体测图是指利用一个立体像对（即在 两摄站点对同一地面景物摄取有一定影像重 叠的两张像片）重建地面立体几何模型，并 对该几何模型进行量测，直接给出符合规定 比例尺的地形图，获取地理基础信息。
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6) 数字地面模型（DTM）
7) 面积、体积和矢量计算 8) 空中三角测量
§4.3.3
主要解析测图仪简介
德国Zeiss厂C-100型解析测图仪
瑞士Kern厂DSR-1型解析测图仪
§4.4 机助测图系统
1. 机助绘图与数字测图的主要不同之处： 机助绘图是计算机帮助作业人员绘出各种图件； 数字测图是利用数据库管理系统采集数字地图， 然后在编图工作站上进行编辑和加工，获得数 字产品。 2. 是什么原因使摄影测量与地理信息系统和 土地信息系统日益结合在一起的？ 正是计算机辅助和计算机控制摄影测量系统 的出现和不断进步。
四、解析测图仪的发展历史
研制阶段： 民用生产阶段： 摄影测量的数据采集阶段： ——面向数字测图 ——面向地图数据库
——面向土地/地理信息系统
§4.3.2 解析测图仪的结构
解析测图仪可认为有两大部分： 硬件——是实现解析测图仪功能的基础 软件——是决定解析测图仪功能的强弱的
一、解析测图仪的硬件
5、模拟法测图中的绝对定向 三个平移量 X、Y、 Z，三个旋转角 、、，模型比例尺因子 N1 N3 N2
N4
绝对定向过程
• 将控制点展绘在图纸上
• 将图纸安放在制图承影面上，使其中一个控制 点N1与相应模型点投影重合(X 、Y） • 以 N1为中心旋转图纸，使另一控制点的模型点 的投影点在图纸上相应两控制点的连线上（ ）
模拟测图仪的结构 投影系统 ：投影镜箱、基线架
观测系统 ：观察系统和量测系统
绘图系统 ：测绘台
模拟法测图中立体模型的绝对定向
完成相对定向后，即可使同名光线对对相交， 建立起与地面相似的几何模型。但此时模型的 比例尺和空间位置均是任意的，为了用立体模 型进行量测，获得正射投影的地形图，还需要 将该模型纳入地面测量坐标系中，并规划为图 比例尺。这一过程称为立体模型的绝对定向。
时间脉冲
车架 （ 机械 位移）
编 码 器
寄 存 器
模/数转换流程
控 制 器
计 算 机
开环系统的作用：
来自计算机的数字信息输给控制器， 控制器按照一定的时间要求把信息传送 给数/模转换器，数/模转换器把数字信 息转换成电压信号或脉冲串，经过放大 电路输送给电机，以驱动车架。
时间 脉冲 控制 器
电源 数 / 模 转换（ 脉冲发 生）
光 学 像 片
解 析 测图仪器
计算机建立 立体模型
数字线划地图 数字高程模型 像片影像地图
人工量测 和解译
自动记录
§4.3.1 解析测图仪概述
一、从模拟测图仪到解析测图仪
模拟测图仪——光学投影，建立光学 立体模型 解析测图仪——数字投影（即坐标变 换），建立数字立体模型
二、解析测图仪的基本组成部分
（一）、精密立体测图仪
（二）、接口设备 接口设备的功能是——在精密立体测 图仪、绘图桌、计算机及操作台之 间沟通信息。
除电路和电子元件外，这里只说明编 码器和伺服系统两种器件的作用。
1. 编码器 编码器作用：把仪器的机械位移量转 换成计算机能接受的数字量，即模/数 转换作用
2.伺服系统
伺服系统的功能：把计算机给出的数 字信息转变为仪器部件的机械位移， 把部件（像片架、绘图笔等）驱动到 应有的位置。
立体坐标 量测仪 作业员
电 子 计 算 机
数控 绘图桌
解析测图仪的测量结果首先以 数字形式存储在计算机中，通 过必要的格式转换，可进入测 量数据库或地理信息系统。
三、解析测图仪的特点
与模拟法相比的特点是：
精度高
功能强
效率高
具有机助绘图功能 便于实现测图自动化 便于建立地图数据库组成的测图系 统
§4.4.1 电子计算机在机助和机 控测图中的作用
一、机助绝对定向 二、机助测图的功能 三、在机控摄影测量系统中辅助作业的功能 四、数字获取、图形编辑和成果输出的
解析测图仪是由：
一台精密立体坐标量测仪
一台电子计算机
数控绘图桌
相应的接口设备
软件系统
组成的测图系统
各部件作用：
立体精密坐标量测仪——为立体观察和立 体量测的部件； 电子计算机——为解析测图仪的核心，它 实现解析测图仪的实时计算，并完成各种 摄影测量作业的有关计算； 数控绘图桌——在电子计算机的控制下， 自动绘出地形图和其它各种图件； 相应的接口设备——实现计算机与立体坐 标量测仪和数控绘图桌的连接与信息沟通 。
按投影方式
按交会方式
直接交会 间接交会
主要模拟测图仪简介
立体测图仪主要用光学 及机械的方式，模拟摄 影过程的几何反转，用 一、多倍投影测图仪 实际的投影光线或机械 二、B8S型立体测图仪 导杆代替摄影光线进行 简介。 同名光线的交会，建立 与地面完全相似的立体 模型。在此立体模型上 进行地物、地貌的测绘。 利用仪器上的内绘图桌， 或通过机械传动装置与 之相连的外界绘图桌绘 出地形原图
M
B
完成了内定向和相对定向这个过程称为摄影过程的几 何反转。其实质模拟了空中摄影过程。
模拟法测图的作业流程：
利用光学/机械投影方法实现摄影过程的反转， 用两个/多个投影器模拟摄影机摄影时的位置和姿态 构成与实际地形表面成比例的几何模型，通过对该模 型的量测得到地形图和各种专题图
光 学 像 片
光学机械 测图仪器
时 间 脉冲 数字 信息 数/模 转换（ 脉冲发 生） 寄 存 器
闭环系统
电源
控 制 器
放 大 器
马 达
车 架
编 码 器
（三）、计算机
担负着全部数据的计算与管理 任务，决定了解析测图仪的潜力与 权限，并在相当大的程度上影响着 仪器的价格。
二、解析测图仪的软件
它具体地实现各种功能，并把它 们组织成有意义的动态过程，软件 决定着解析测图仪的性能。
• 解求比例因子，图纸上控制点的连线长度与相 应模型点投影间长度相等 • 使N1点的高程读数等于实测高程（ Z ）
• 模型置平（ 和 ）
地物与地貌的测绘
步骤（先测地物，再测地貌）：
一、测绘地物
二、定高程注记点
三、描绘等高线
四、检查接边
四、模拟测图仪的结构与分类
光学投影类 机械投影类 光学机械投影类
A1 Y Px
A2 Q Q上下视差 Y
A1
A2 Q
X
X
模拟法相对定向的思想
通过微动投影器的定向螺旋，消除承影面上 同名点的上下视差来完成相对定向，这就是模拟 法相对定向的思想。
4、模拟法测图中的相对定向
相对定向标准点
Y1 3 Y2 4
1
5
2 6
利用微动螺旋By，Bz， , , 的微小变动，消 除上下视差，得到立体模型
§4.2 模拟法测图原理
地面A、C、D、M在相邻两摄 影站上都有影像。像片P1、 P2为一个像对。 同名像点：同一地面点在相 邻像片上的构像称为同名像 点。如a1和a2。 同名光线：同一地面点向相 邻的两个摄影物镜透射的主 光线称为同名光线。 核面：在摄影的过程中同名 光线与摄影基线在一个平面 内，即三线共面，该平面称 为核面。 双向投影测图原理： 摄影过程的几何反转。
人工建立 立体模型 人工量测 和解译
图解线划地图 像片影像地图
机械绘图
模拟法测图中立体像对的相对定向
相对定向的目的：是恢复两张像片的相对位置 和姿态，达到同名光线对对相交，建立相对立 体模型。 在模拟测图仪上进行相对定向：是在立体观察
下运动投影器，使得同名光线对对相交。
两相邻像片放在投影仪上
Px左右视差
《摄影测量与遥感概论》
第四章 立体测图原理
辽宁科技大学土木工程学院测绘工程教研室
主要内容：
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 立体测图方法概述 模拟法测图原理 解析法测图原理 机助测图原理
§4.1 立体测图方法概述
航测立体测图方法有如下三种： 1) 模拟法立体测图。 2) 解析法立体测图。
3) 数字化测图 ( 数字摄影测量系 统) 。 ※
（一）、计算机操作系统 （二）、摄影测量软件
功能：建立被测对像的立体模型
利用模型完成各种测量任务
实时程序 ——一般用汇编语言编写，厂家提供，机器 按一定周期自动启动运行： 应用程序——一般用高级语言编写，作业员操作运行 ： 1) 内定向 2) 相对定向
3) 绝对定向
4) 模型存储与恢复 5) 点观察
数字 信息
放大 器
马 达
车 架
闭环系统的作用： 来自计算机的数字信息，一方面和开 环系统一样，经控制器、数/模转换器、 放大器，由电机驱动像片车架，此时车架 上的编码器就把车架位移又变成数字输送 给寄存器；另一方面，控制器也把计算机 传来的数字信息输送给寄存器，将两方面 传来的信息进行比较，如有粗差，就按差 值送给后面的驱动线路继续驱动车架。这 样的反馈循环直到寄存器中的数字与来自 计算机中的数字相等时为止。
摄影过程几何反转
内定向： 在室内，利用和摄影镜箱完全相同的两个投影器， 将立体像对的两张像片装入投影器中，用聚光灯照明， 保证投影光束与摄影时光束相一致（恢复了像片内方 位元素，称为内定向）。 相对定向： 让两投影器连同像片还原到两投影站上（距离为b） 并与摄影时摄影机的空间方位相一致，同名点的投影 射线必然对对相交。即恢复了两张像片摄影时的相对 方位，建立了和实地相似的立体模型称为相对定向。 投影时基线为b，比摄影基线B缩小M倍，则缩小后的 几何模型的比例尺为 1 b
多倍投影测图仪
B8S立体测图仪结构示意图
光学纠正仪
HJ-24
SEG-1