第4章-双像立体测图原理与立体测图.ppt

第四章 双像立体测图原理与立体测图.内内容容安安排排人眼的立体视觉原理与立体量测人眼的立体视觉原理与立体量测人眼的立体视觉原理与立体量测人眼的立体视觉原理与立体量测立体像对与立体测图原理立体像对与立体测图原理立体像对与立体测图原理立体像对与立体测图原理立体像对的相对定向元素与模型立体像对的相对定向元素与模型立体像对的相对定向元素与模型立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素的绝对定向元素的绝对定向元素的绝对定向元素立体测图概述立体测图概述立体测图概述立体测图概述.双像立体测图，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或建立数字地面模型等。.虹膜虹膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔角膜角膜视神经视神经网膜窝网膜窝视视轴轴巩膜巩膜脉络膜脉络膜视网膜视网膜水晶体水晶体玻璃体玻璃体韧带韧带盲斑盲斑人眼的结构人眼的结构视差理论4-1双像立体测图原理与立体测图一、人眼的天然立体视觉.单眼观察单眼观察人眼视角：人眼视角：左右左右 1600上下上下 1200人眼视轴活动范围：人眼视轴活动范围：左右左右 450上下上下 +300，-500利用单眼观察去决定利用单眼观察去决定物体的远近是比较困物体的远近是比较困难的。难的。视差理论一、人眼的天然立体视觉4-1双像立体测图原理与立体测图.双眼观察双眼观察双眼观察特点双眼观察特点交会作用交会作用交会作用与调节作用交会作用与调节作用的一致性的一致性空间影像的形成空间影像的形成能够估计景深能够估计景深视差理论4-1双像立体测图原理与立体测图一、人眼的天然立体视觉.视差理论生理视差：生理视差：生理视差是产生立体生理视差是产生立体生理视差是产生立体生理视差是产生立体感觉的生理基础。感觉的生理基础。感觉的生理基础。感觉的生理基础。视差角视差角视差角视差角4-1双像立体测图原理与立体测图一、人眼的天然立体视觉.4-1双像立体测图原理与立体测图二、人造立体视觉在摄影测量中规定摄影时保持像片的重叠度在60%以上，是为了获得同一地面景物在相邻两张像片上都有影像。.立体观察条件两张像片必须是从两张像片必须是从不同摄影站摄取不同摄影站摄取不同摄影站摄取不同摄影站摄取的。的。两眼各看一张像片，即必须两眼各看一张像片，即必须分像分像分像分像。必须使同名像点的连线与眼基线必须使同名像点的连线与眼基线平平平平行行行行，以保证两视线在同一个视平面，以保证两视线在同一个视平面内。内。比例尺基本一致比例尺基本一致比例尺基本一致比例尺基本一致（比例尺的差异小（比例尺的差异小于比例尺的于比例尺的16%16%）4-1双像立体测图原理与立体测图二、人造立体视觉.1.立体观察方法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？立体镜观察方法立体镜观察方法双目镜观察光路的立体观察双目镜观察光路的立体观察 互补色法立体观察互补色法立体观察 同步闪闭法立体观察同步闪闭法立体观察偏振光法立体观察偏振光法立体观察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.1.袖珍立体镜2.反光立体镜立体镜观察法4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.双目镜观察光路的立体观察双目镜观察光路的立体观察4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.互补色法立体观察互补色法立体观察 4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.同步闪闭法立体观同步闪闭法立体观察（交替光阑法）察（交替光阑法）4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.偏振光法立体观察偏振光法立体观察4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.偏振光法偏振光法4-1双像立体测图原理与立体测图1.立体观察方法.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。4-1双像立体测图原理与立体测图.4-1双像立体测图原理与立体测图2.立体量测在进行立体量测时，大多采用双测标法。.1 1、天然立体观察产生立体感觉的原因、天然立体观察产生立体感觉的原因是什么？像对立体观察产生立体感觉是什么？像对立体观察产生立体感觉的原因是什么？的原因是什么？2 2、像对立体观察的条件是什么？最难、像对立体观察的条件是什么？最难解决的是哪一个？一般用什么方法解解决的是哪一个？一般用什么方法解决？决？作作 业业 题题.4-2立体像对与立体测图原理.SoaxyxyxyzSoxyxyxyzaA复复 习习 Review.已知：x，yXS，YS，ZSfai，bi，ci 求：X，Y，Z？复复 习习 Review.SoxyxyxyzaA一个点只能列2个方程未知数却有3个。从方程个数来讲，必须要至少3个方程。复复 习习 Review.SoaxyxyxyzSoaxyxyzSoxyxyxyzaSoxyxyzAa从方程个数来讲，有4个方程，可以解算A复复 习习 Review.航向重叠航向重叠航向重叠航向重叠60604-2立体像对与立体测图原理.S2 S1 o1o2Aa1a21、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。4-2立体像对与立体测图原理.1、立体像对的定义（Stereo Pair）4-2立体像对与立体测图原理.S2 S1 AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J1 2、立体像对的点、线、面同名像点(a1,a2)同名光线(AS1,AS2)摄影基线(S1S2)核面（主核面）核点核线（主核线）4-2立体像对与立体测图原理.上图表示一个像对的相关位置，S1和S2是左像片P1和右像片P2的投影中心。两投影中心的连线B称为摄影基线，o1和o2为左、右像片的像主点，a1和a2是地面上任一点A在左、右像片上的构像，称为同名像点，射线AS1a1,AS2a2称为同名射线。S2 S1 AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J14-2立体像对与立体测图原理.S2 S1 AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J1 摄影基线B延长线与左、右像片的交点k1,k2称为核点。通过摄影基线S1S2与任一地面点A所作的平面WA，称为点A的核面。核面与像片的交线称为核线，对于同一核面的左右像片上的核线，如k1a1，k2a2称为同名核线。像片上诸核线均会聚于核点。通过像主点的核面称为主核面。一般倩况下，通过左右像片主点的两个主核面不重合，分别称为左主核面和右主核面。4-2立体像对与立体测图原理.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。S2 S1 AP1a2a1P2BWAo1o2n1n2J2J1.核面与核线是立体摄影测量中的基本概念，但在传统的摄影测量中几乎没有得到应用，仅仅在完成相对定向时说明同名光线对对相交就是三线共面，恢复了核面。而在当代的数字摄影测量自动化系统中得到了广泛的重视和应用，具体在数字摄影测量中加以论述。4-2立体像对与立体测图原理.人有了两只眼睛，才能看三维立体景观，故而，如立体视觉的原理一样，只有从不同摄站对同一物体摄影，获得具有一定重叠度的像片对，按照构像方程分别对各像片的同名像点组成条件组，通过解析计算才能求出相应物点的三维空间坐标。我们把这种按照立体像对与被摄物体的几何关系，以数学计算方式，通过计算机解求被摄物体的三维空间坐标，称之为双像解析摄影测量，它主要研究的内容是：研究立体像对与被摄物体之间的数学关系，以及如何计算被摄物体的三维空间位置。4-2立体像对与立体测图原理.4-2立体像对与立体测图原理二、立体摄影测量的基本原理.S S1 1S S2 2A AB BC CD DSS2 2定义定义定义定义: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与实地相似的与实地相似的与实地相似的几何表面几何表面几何表面几何表面。几何模型4-2立体像对与立体测图原理.4-2立体像对与立体测图原理三、立体像对恢复固有几何关系的过程利用像对进行立体测图，必修重建与实地相似且符合比例尺及空间方位的几何模型，若能恢复像片对的内、外方位元素，就能恢复像片固有的几何关系，因此，重建立体模型的过程是：（1）恢复像片对的内方位元素，也称内定向。（2）恢复像片对的外方位元素。相对定向和绝对定向。.4-2立体像对与立体测图原理四、上下视差Q.3-5解析法相对定向.3-5解析法相对定向.首先暂不考虑像片的绝对位置和姿态而只恢复两张像片之间的相对位置和姿态这样建立的立体模型称为相对立体模型，其比例尺和方位均是任意的；然后在此基础上，将两张像片作为一个整体进行缩放、平移和旋转，达到绝对位置、这种方法称为相对定向一绝对定向。4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.从两个摄站对同一地面摄取一个立体像对时，同名射线对对相交于地面点，见下图，此时，若保持两张像片之间相对位置和姿态关系不变将两张橡片整体移动时，同名射线对对相交的特性也不发生变化。反过来，若完成了相对定向，恢复两张像片的相对定向元素，就能实现同名射线对对相交，建立相对立体模型。因此，同名射线对对相交是相对定向的理论基础。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（一）相对定向（一）相对定向（一）相对定向4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.几何模型与实际地表之间关系?相似关系：比例尺、方位不确定相似关系：比例尺、方位不确定相似关系：比例尺、方位不确定相似关系：比例尺、方位不确定4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.定义立体像对中，确定两像空系之间方位关系所需的元素。SoaxyxyxyzSoaxyxyzSoxyxyxyzaSoxyxyzaA问问题题提提出出确定两像空系之间方位关系需有几个元素？都哪些元素？比例尺任意（基线长度任意）比例尺任意（基线长度任意）比例尺任意（基线长度任意）比例尺任意（基线长度任意）确定基线的方向确定基线的方向确定基线的方向确定基线的方向4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.两种相对方位元素系统两种相对方位元素系统 以以基线坐标系基线坐标系为基础的相对方位元素系统为基础的相对方位元素系统 以以左像空系左像空系为基础的相对方位元素系统为基础的相对方位元素系统4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.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称X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2BBzBxBy连续法相对定向元素：By，Bz，连续法相对定向元素4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.特点：特点：特点：特点：固定一个光束，移动和转动另外一个光束，便可以确定两个光束间的相对方位。这种相对方位元素系统被称为连续像对系连续像对系连续像对系连续像对系统统统统。o2B4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.单独法相对定向元素2单独法相对定向元素：1，1，2，2，21X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2B在以左摄影中心为原点、左主核面为XZ平面、摄影基线为X轴的右手空间直角坐标系中，左右像片的相对方位元素称2214-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.特点：特点：特点：特点：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。单独像对系统。单独像对系统。单独像对系统。4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.三、模型的绝对定向与绝对定向元素三、模型的绝对定向与绝对定向元素 相对定向建立的立体模型，是一个以相对定向中选定的像空间辅助坐标系为基准的模型，比例尺也是未知的。要确定立体模型在地面测量坐标系中的正确位置，则需要把模型点的摄影测量坐标转化为地面测量坐标、这一工作需要借助于地面测量坐标为已知值的地面控制点来进行，称为立体模型的绝对定向、所以，解析法绝对定向的目的就是将相对定向后求出的摄影测量坐标变换为地面测量坐标。4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.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间相似变换，其公式为：为模型点的地面摄影测量坐标，为同一模型点的摄影测量坐标，为模型缩放比例因子 为坐标原点的平移量。4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.4-3立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素.航测立体测图的方法有如下三种：模拟法立体测图解析法立体测图数字化测图4-4 立体测图方法概述.模拟法立体测图模拟法立体测图 这是一种经典的摄影测量制图方法。它是利用两个投影器，将航摄的透明底片，装在投影器中，再用灯光照射，用与立体电影相似的原理，重建地面立体模型。在测绘承影面上，用一个量测用的测绘台进行测图。4-4 立体测图方法概述.解析法立体测图解析法立体测图 由一台精密立体坐标量测仪、计算机接口设备、绘图仪、计算机软件等组成。像片安置在像片盘上，按前面讲述的计算公式进行解析相对定向、解析绝对定向等，求解建立立体模型的各种元素后，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。4-4 立体测图方法概述.数字化测图数字化测图 是目前使用最广泛并仍在继续发展之中的一种测图方法。主要由计算机和摄影测量软件组成，利用数字相关技术，代替人眼观察，自动寻找同名点并量测坐标。4-4 立体测图方法概述.1、模拟法立体测图、模拟法立体测图 这是一种经典的摄影测量制图方法。它是利用两个投影器，将航摄的透明底片，装在投影器中，再用灯光照射，用与立体电影相似的原理，重建地面立体模型。在测绘承影面上，用一个量测用的测绘台进行测图。4-4立体测图方法概述.摄影过程的几何反转4-4 立体测图方法概述.通过相对定向和绝对定向两个步骤完成，但不是用解析计算的方法，而是用投影器的运动来进行。利用投影器的运动使同名光线对对相交，完成相对定向，建立相对立体模型。然后仍借助机械螺旋的运动，将相对立体模型进行平移、旋转、缩放，纳入到地面测量坐标系中，并规划为规定的比例尺，这就是绝对定向。4-4 立体测图方法概述.模拟摄影测量时代 精密的光学机械仪器4-4 立体测图方法概述.Wild A8 模拟测图仪模拟测图仪 4-4 立体测图方法概述.（1）内定向）内定向 人工在仪器上安置有关数据，如摄影机主距、像片安放在像片盘上使像片主点与像片盘主点重合。4-4 立体测图方法概述.（2）相对定向）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。4-4 立体测图方法概述.4-4 立体测图方法概述.（3）绝对定向）绝对定向绝对定向的目的在于解求七个参数。绝对定向的目的在于解求七个参数。（1）将控制点根据其平面坐标按图比例尺展绘在图纸上，制成图底。（2）利用图纸的平移、旋转使其中一个控制点在承影面上的投影与图纸上的同名控制点重合，并使高程读数与其实际高程值相等，这就相当于解求了三个偏移参数。（3）以该点为中心旋转图底，使其与另一控制点的连线与图纸上同名连线相重合，这就意味着解求了一个旋转角参数。（4）比较图底上两控制点间的长度与相应模型点投影间的长度，两者若不相等，则沿投影基线方向移动其中一个投影器改变投影基线的长度，直到两模型点的投影正好与图底上相应控制点重合。这一操作相当于解求比例尺因子。（5）最后将模型置平，这就解求了另外两个旋转角参数。4-4 立体测图方法概述.二、解析法立体测图二、解析法立体测图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、相应的接口设备以及软件系统组成的测图系统。其基本组成部分如图1所示。接口设备有编码器和伺服系统。4-4 立体测图方法概述.解析摄影测量时代解析摄影测量时代.解析摄影测量时代解析摄影测量时代.解析法立体测图的几个主要步骤解析法立体测图的几个主要步骤（1）内定向 在解析测图仪上像片是任意安放在像片架上的。像片坐标与像片架坐标间的关系依靠内定向软件来建立，通过量测四个（或8个）框标点的像片架坐标，其像片坐标认为是理论值。用最小二乘法解算就可求出内定向元素。4-4 立体测图方法概述.（2）相对定向 解析法立体测图系统能自动依次驱动车架到达通常的六个标准点位，作业员每次只需消除观察点处的上下视差，用按钮将它们记入计算机。全部点位观测完毕后，计算机就用最小二乘法解算定向方程，并显示出定向参数和点位的余差，由作业员判定是否需要重测。（3）绝对定向 用户预先输入地面控制点坐标值。操作过程中立体切准控制点，记入控制点观测的模型坐标，然后按最小二乘法解算定向方程，输出定向参数和余差。4-4立体测图方法概述.4）模型存贮与恢复可将每个所确定的立体模型的各个参数以及有关数据存储起来，以后需要时，可再精确恢复原来的模型，对于解析空中三角测量而言，这个可以省去再一次相对定向和绝对定向的操作。5）模型点观察 在输入了像片坐标或者地面坐标后，能自动驱动到指定的观察点位。6）数字地面模型（DTM）7）空中三角测量4-4 立体测图方法概述.解析测图仪的特点：（1）精度高（2）功能强（3）效率高（4）具有机助绘图功能（5）便于实现测图自动化（6）便于建立地图数据库4-4 立体测图方法概述.数字摄影测量时代 计算机完全替代原来的光机仪器 数字摄影测量时代数字摄影测量时代.数字摄影测量时代数字摄影测量时代.数字摄影测量时代数字摄影测量时代.数字摄影测量时代数字摄影测量时代.摄影测量的发展.