第四章 双像立体测图基础与立体测图

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《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。 • 使用一个立体像对构建地面立体模型的方法 称为立体摄影测量。
4.1 人眼的立体视觉原理与立体量测
一、双眼观察的天然立体视觉
人 眼 基 本 构 造
视网膜上大约有108个杆状细胞,直径2mm;
6.5×106个锥状细胞,直径2~8mm
人 眼 感 知 过 程
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
单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力
人 眼 分 辨 力
用单眼所能观察出两点间的最小距离称第一分辨力
用单眼所能观察出两平行线间的最小距离称第二分辨力
0.0035 第一分辨力 = 45 17 第二分辨力 20
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
人 眼 立 体 视 觉
生理视差=ab ab
二、人造立体视觉
A B
P a
b
a’ b’
P’
左眼
右眼
人眼的立体视觉是立体测图的基础
人 造 立 体 观 察 的 条 件

立体像对 分像条件 两像片上相同景物(同名像点)的连线
与眼基线应大致平行

两像片的比例尺应相近(差别<15%)
立体效应
正立体
S1
b1 a1 b2
反立体
S1
P2 b2 a2 b1
反立体
S2
a1 P1
S1
a1
P1
S2
b1 a2
S2
a2 P2
P1
b2 P2
B A
A
A B
B
立体模型与实物相反
(正立体效应基础上左右像片旋转180°)
立体模型与实物相似
零立体:起伏的视模型变平(正立体效应基础上左右像片旋转90°)
三、立体观察与立体量测
1、立体观测方法 人造立体视觉产生的方法,主要是“分像” --左眼看左像、右眼看右像 满足这一条件的方法很多
⑴立体镜观察法 ⑵叠影影像的立体观察 ⑶双目镜观测光路的立体观察
像 对 的 立 体 观 察 方 法
立体镜观察
桥式立体镜
在一个桥架上安臵两个相同的简单透镜
透镜光轴平行,间距约为眼基距,高度等于透镜主距
通过光学系统---如立体反光镜
左眼 右眼
反光镜
左影像 右影像
像 对 的 立 体 观 察 方 法
叠影影像立体观察
互补色法
在投影器中插入互补色滤光片 (品红色、蓝绿色) 观测者双眼分别带上同色镜片
互补色 ——— 如 红绿眼镜
像 对 的 立 体 观 察 方 法
叠映影像立体观察
光闸法
在两投影光路中各安装一光闸 (一个打开、一个关闭) 观测者双眼分别带上与投影器 光闸同步的光闸眼镜
光闸起闭频率>10Hz
像 对 的 立 体 观 察 方 法
叠映影像立体观察
偏振光法
在两投影光路中安装两块偏振 平面互成90°的起偏镜 观测者带上一副检偏镜 镜片与起偏镜相同 左右偏振平面相互垂直
•液晶闪闭法
由液晶眼镜和红外发生器组成,使用时红外发生器的 一端与通用的图形显示卡相连,图像显示软件按照一 定的频率交替显示左右图像,红外发生器则同步地发 射红外线,控制液晶眼镜交替闪闭,从而达到左右眼 睛各看一张像片的目的。
双目镜观测光路的立体观察
像 对 的 立 体 观 察 方 法
通过双筒望远镜观察 每个望远镜像面有一固定的测标 像片可在两个相互垂直方向共同移动,也可一张像片相对于另一 张像片移动
可以分别对左右像片进行调焦、亮度调节及必要旋转,观测系统 放大倍率可调节
2.立体量测 • 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。
浮游测标量测法 用一个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。 形状:点状或线状
双测标量测法
是用两个刻有量测标 记的测标进行量测。
同名像点:地面上一点在 相邻两张像片上的构像
左右测标分别切准左 右同名像点
两单测标相当于同名 像点,构成立体测标T T与立体模型表面M点 重合
必须说明
摄影测量 利用这种 “人造视觉立体” 进行量测,但是 它不是摄影测量, 不是摄影测量要建立的 三维空间的几何立体
如右:利用左、右摄得 得两张影像,原则上就 能获得“人造视觉立体”
摄影测量 二维影像 三维空间立体
上面
正面
下面
23
右面 左面
问题 ?
如何利用
影像
建立
空间三维立体模型
4.2 立体像对与双像立体测图
双像立体测图 是以一个立体像片对为量测单元。
航空摄影获取的立体像对
地面摄影获取的立体像对
是立体像对吗?为什么?
一、立体像对的重要点线面
摄影基线 相邻两摄站的连 线
l1 p1
同名核线 核面与左右 像片面的交 线
p2 S2
同名像点 同名光线在左右 像片上的构像
S1
同名光线 同一地面点发出 的两条光线—— S1A,S2A
A
核面 摄影基线与某一 地面点组成的平 面
核线
核线
核点 核点
• 核点:基线的延长线与左右像片面的交点。
• 核线:核面与像片的交线,核线会聚于核点
k1、k2
k1a1、k2 a2
在倾斜像片上诸核线汇聚于核点。 同名核线,同名像点在同名核线上 • 主核面:通过像主点的核面。一般情况下,通过 左右像片主点的两个主核面不重合,成为左主核 面和右主核面。 • 垂核面:通过像底点的核面。一个像对只有一个 垂核面。
二、立体摄影测量的基本原理
立体摄影测量(双像立体测图):
是利用一个立体像片对,在恢复它们的 内、外方位元素后,重建与地面相似的几何模 型,并对该模型进行量测的一种摄影测量方法。
空中对地面的摄影过程
二、立体摄影测量的基本原理
摄影过程的几何反转:
根据摄影过程的可逆性,设计两个与摄影机一样的 投影器,将像片P1和P2分别装到投影器内并保持两投 影器的方位与摄影时摄影机的方位相同,但物镜间 的距离缩小,即将投影器S2搬到S2′ 处,此时两投影 器间的距离S1S2 ′ =b,称b为投影基线。 在投影器上,用聚光灯照明,则两投影光束中所有 的同名光线仍对对相交构成空间的交点。所有的交 点的集合,构成与地面相似的几何模型。
三、双像立体测图概述
立体测图的关键:
重建与实地相似的几何模型 恢复摄影时的空间方位 恢复像片对的 内方位元素:摄影中心与像片之间相关位臵 外方位元素:像片在摄影瞬间的空间位臵和姿态 内方位元素:已知(内定向) 恢复两张像片的相对位臵(相对定向)立体模型 外方位元素:未知 模型的大小和空间位臵是任意的 (外定向) 恢复立体模型的大小和空间方位(绝对定向)
利用像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。摄影测量双像立体测图方法有如 下三种:
• 1.模拟法立体测图
• 2.解析法立体测图
• 3.影像数字化立体测图
• 航测立体测图的方法有: 模拟法立体测图 以立体像对为单元,根据摄影过程几何反转 原理,在模拟测图仪上重建和摄区相似的立体 模型。 解析法立体测图 利用解析测图仪测图,核心是计算机。 数字化测图 利用数字摄影测量系统。采用数字影像或 数字化影像,利用数字相关技术,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。
无论采用哪一种测图方法,都要经过内定向、相 对定向、绝对定向及测图等过程。
4.3 立体像对的相对定向元素与 模型的绝对定向元素
• 一、相对定向与绝对定向概述 恢复像片对的外方位元素要经过两 个步骤,相对定向和绝对定向。首先要 找出像片对的相对定向元素与模型的绝 对定向元素。
二、立体像对的相对定向元素
像片外方位元素: Xs1,Ys1,Zs1,1,1,1
w1
v1
u1 S1
w2 v2
Xs2,Ys2,Zs2,2,2,2
Z
S2 a1(x1,y1)
a2(x2,y2)
u2
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
Y
A(X,Y,Z)
X
描述立体像对中两张像片相对位置和姿态关系的参数
相对定向元素是描述立体像对中两张像 片的相对位臵和姿态关系的元素,因此, 可以把两张像片各自相对于选定的同一个 像空间辅助坐标系来讨论相对定向元素。 为便于讨论,仿照外方位元素的定义,引 入“相对方位元素’概念将像片在选定的 像空间辅助坐标系中的位臵(摄影中心S的 坐标,用 X S , YS , Z S 表示 ,和姿态 (像片的姿态角,用 , , k 表示) 定义为像片的相对方位元素.
依附于像空间辅助坐标系,选取的像空间辅助 坐标系不同就有不同形式的相对定向元素。 一般确定两像片的相对位臵有两种方法: 其一:将左像片臵平或将其位臵固定不 变——连续法像对相对定向系统。 其二:将摄影基线固定水平——独立法 像对相对定向系统
1.连续法相对定向元素
以左像空间 坐标系为基 础,右像片 相对于左像 片的相对方 位元素
左像片:
U s1 Vs1 Ws1 0
1 1 k1
右像片:
2 , 2 , k 2
连续法相对定向元素: bv , bw ,,,
U s 2 bu ,Vs 2 bv ,Ws1 bw
2.单独法相对定向元素
在以左摄影中心 为原点、左主核 面为 UW 平面、 摄影基线为 U 轴的右手空间直 角坐标系中,左 右像片的相对方 位元素
像空间辅助坐标系: U轴:摄影基线; V轴:垂直于左主核 面; W轴:位于左主核面;
左像片: 右像片:
U S1 VS1 WS1 0
U s 2 bu b,Vs 2 0,Ws1 0
1 ,
1 0, 1
单独法相对定向元素:
2 , 2 , k2
1 , 1 ,2,2,2
三、模型的绝对定向元素
相对定向后模型的大小和空间位臵是任意的
描述立体像对在摄影瞬间的绝对位臵和姿态的 参数称~即恢复模型的大小和空间位置的元素 通过将相对定向建立的立体模型进行缩放 、旋转和平移,使其达到绝对位臵
绝对定向元素
绝对定向元素:
,XS, YS, ZS,, ,

Zt
YS O
Xt
XS
ZS
Yt
基本公式
a1a2 a3 U X S X Y b b b V Y 1 2 3 S c1c2 c3 W Z S Z
绝对定向元素:
—模型缩放比例因子
, , —模型旋转因子
X S , YS , ZS —坐标原点平移量
借助地面控制点,恢复或计算这七个参数,就 完成绝对定向。
建立“空间几何立体模型”
(a) 相对定向
确定两张影像的 相对位置
如何 确定两张影像的 相对位置? 光线在空间 对对相交
相对定向的过程
初始状态 中间状态 最终状态
投影光线 不相交
改变投影器的 相对位置,使
所有光线
-交叉
光线相交
对对相交
相对定向:
5 个元素
它只确定两个影像的相对位置,但 是不能确定它们的绝对位置
例如


(b) 绝对定向--确定模型在空间的绝对位置
由相对定向 建立的 地面模型
实际的
地面模型
5 个元素 绝对定向: 7 个元素 12
相对定向: 两张像片的外方位元素
6+6
因此,通过相对定向+绝对定向 也能够恢复两张影像的外方位元素
4.4 模拟法测图
模拟法立体测图原理
立体测图的基本单元:
立体像对 原理:摄影过程的几何反转 恢复投影光束的方位,使同名 光线对对相交,建立与实地相 似的几何模型。 利用光学投影或机械投影的方 法实现摄影过程的几何反转。
1 b m B
二、像对摄影过程的几何反转
方法两种: 恢复像片的内、外方位元素 像对的相对定向和绝对定向 模拟法测图通过模拟测图仪上的机械装臵的运动来实现。
步骤:
内定向:恢复像片的内方位元素,建立与摄影光束相似的投影光束 。
相对定向:恢复两张像片的相对方位,建立与地面相似的立体模型。
绝对定向:将立体模型纳入到地面坐标系中,并归化模型的比例尺。 立体测图:用量测工具量测立体模型,测制地形图。
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