1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生 毕业论文（设计） 题 目： 普通数码相机量测化方法研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要 (1) 1 绪论 (2) 1.1 数码相机的简介 (2) 1.2 数字摄影测量的发展现状 (2) 1.3 基于普通数码相机在摄影测量中的应用 (2) 1.4 非量测数码影像的量测算法 (3) 2 非量测数码影像的直接线性变换算法 (4) 2.1 直接线性变换算法（ DLT）解析 (5) 2.2 DLT 算法精度的影响因素 (6) 2.2.1 室内三维控制场的建立 (6) 2.2.2 控制点个数对 DLT 算法精度
2、的影响 (7) 3 非量测数码相机的量测化方法 (9) 3.1 畸变校正系数的确定 (9) 3.1.1 大型平面控制场的建立 (10) 3.1.2 透视变换系数的确定 (12) 3.1.3 畸变系数的确定 (13) 3.1.4 畸变系数与透视变换系数的交替解算 (14) 3.2 内方位元素的检测 (14) 3.2.1 内方位元素的测定 (14) 3.2.2 内方位元素的解算精度 (15) 3.2.3 内方位元素解算的稳定性 (15) 3.2.4 畸变系数与内方位元素的交替解算 (16) 3.3 非量测数码相机量测化精度的评价 (16) 4 数字摄影测量的基本算法 (17) 4.1 双像解析空间
3、后方交会 前方交会算法 (18) 4.1.1 空间后方交会的基本原理 (18) 4.1.2 空间前方交会的基本原理 (19) 4.1.3 双像解析空间后交 前交法的过程 (20) 4.2 双像解析相对定向 绝对定向算法 (21) 4.2.1 解析法 相对定向的基本原理 (21) 4.2.2 解析法绝对定向的基本原理 (23) 4.2.2 解析法相对定向 绝对定向法的过程 (24) 4.3 数码影像的光束法平差 (24) 4.3.1 光束法平差的基本原理 (25) 4.3.2 光束法平差的数学模型 (26) 5 数码影像基本算法的精度比较 (28) 6 总结和展望 (31) 6.1 总结 (31
4、) 6.2 展望 (32) 参考文献 (33) Abstract (34) 第 1 页（共 35 页） 普通数码相机的量测化方法研究 摘要： 随着计算机技术的进步和数字图像处理、模式识别、数字摄影测量等学科的进一步发展，以及数码相机分辨率的不断提高，数码相机已经成为开展摄影测量重要的影像采集设备。所以对普通数码相机的量测化方法进行研究，以进一步完善作业方法、提高普通数码相机的实际应用精度显得尤为重要。数字摄影测量的首要任务是获取原始影像。影像获取装置一般分为二种 :第一种是由量测摄影机或普通相机拍摄获得纸质像片后 ,用扫描仪将像片完全数字化 ,再输入计算得到数字影像；第二种是由 CCD 数码相
5、机直接获取数字影像，数字影像可直接输入计算机进行处理。显然第二种 方法更简便，省去了像片扫描数字化的过程。虽然 普通数码相机在图像获取方面有着很多优势，但它是非量测化相机， 普通数码相机存在较大的镜头畸变，并且内方位元素、主距 f 和像主点（ x， y）都是未知的， 不能用普通数字摄影测量方法对其进行数字图像处理。 由 CCD 数码相机直接获取数字影像，数字影像可直接输入计算机进行处理。 本文根据普通数码相机在获取图像过程中的优缺点，对普通数码相机的量测化方法进行研究，主要成果为： 1、提出了基于 DLT 算法的非量测数码相机的可量测化思路。从空间射影变换理论出发，推导 DLT 的基本公式，并
6、对该算法的 数码相机应用精度进行评价。实验表明， 利用本文的 DLT 算法对数码影像进行计算处理能用于中等精度的近景摄影测量应用。 2、 研究将数码相机当作非量测用摄影机的数码影像处理方法 直接线性变换解法中的若干关键技术 ,如控制点布设条件、构像畸变模型对直接线性变换算法的精度影响。试验得出了 DLT 算法中有关控制点的优化布设方案、畸变模型选择方案等。 3、 利用室内控制场对数码相机进行量测化改造 ,确定数码相机的构像畸变系数和内方位元素 ,并对量测化后的数码相机应用精度进行评价。 4、探讨适用于量测化后的普通数码影像的量测处理算法及其特点 ,包括空间后方交会 前方交会、像对的相对定向 绝
7、对定向和光束法等。根据实际应用情况分析四种光束法的数学模型。 5、 结合算法评定了数码影像量测化应用的作业精度。实验表明 ,数码相机量测化应用可以达到与非量测化应用相当的测绘精度 ,而对现场控制要求可大大降低。数码相机量测化应用方式更适宜于工程应用。 对于普通数码影像 ,光束法仍是精度最高的算法。 关键词： 普通数码相机；数字摄影测量；量测化 1 绪论 第 2 页（共 35 页） 1.1 数码相机的简介 数码相机 （又名：数字式相机；英文全称： Digital Camera，简称 DC），是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。数码相机与普通照相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录
8、图像的原理不同，数字相机的传感器是一种光感应式的电荷耦合器件(CCD）或互补金属氧化物半导体 (CMOS）。在图像传输到计算机以前，通常会先储存在数码存储设备中（通常是使用闪存；软磁盘与可重复擦写光盘（ CD-RW）已很少用于数字相机）。 工作原理：数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理 和实时拍摄等特点。光线通过镜头或者镜头组进入相机，通过数码相机成像元件转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在存储设备中。数码相机的成像元件是 CCD 或者 CMOS，该成像元件的特点是光线通过时，能根据光线的不同转化为电子
9、信号。数码相机最早出现在美国， 20 多年前，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片，后来数码摄影转为民用并不断拓展应用范围。 1.2 数字摄影测量的发展现状 数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字图像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论和方法，提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学。利用数字摄影测量， 高分辨率的遥感影像、以及其定位参数文件的应用，只要极少量的外业控制点，就能迅速生成正射影像图，它已在城市、土地的变迁、规划中得到愈来愈广泛的应用。航空激光扫描雷达也愈来愈成熟。 1.3 基于普通数码相机在摄影测量中的应用 在 数字摄影测量的信息获取手
10、段中，最常用的设备就是量测摄影机了。它灵活轻便，操作简单。量测摄影机的内 方位元素参数是已知的，其影像具有明确的几何位置关系。但量测摄影机价格昂贵，仪器笨重，进行外业测量时很不方便。与之相比，非量测数码相机作为影像获取装置有如下优点： （ 1）一般非量测相机是不能提供内方位元素的，然而由于数码相机是以数字方式存储相片的，对于每一张相片而言，像素点的数目及第 3 页（共 35 页） 排列都是一定的，这就使得在微机上所量测的像平面坐标系参考点全都相同。 （ 2）软片压平误差是量测摄影机的主要系统误差之一。而数码相机摄影时不需要底片，因此不存在此项误差。 （ 3）采用量测摄影机，需要冲洗底片、放大相
11、片。这样不仅消耗人力 物力，而且数据处理周期长，效率低，信息反馈慢，不符合一般工程监测快速安全的特点。而且非量测数码相机采用存储卡存储影像，可直接与计算机连接，因而效率高，信息处理周期短。 （ 4）一体化，体积小，重量轻，适应性强，在地形复杂地区进行外业拍摄具有很强的机动灵活性。 1.4 非量测数码影像的量测算法 目前在近景摄影测量的实际应用中，对普通数码相机的使用通常可分为两类。一类是直接将普通数码相机当做非量测摄影机使用，另一类是首先在试验场内对普通数码相机进行标定，测得普通数码相机的构象畸变系数和内方位元素，然后将其当做量测 摄影机使用，普通数码相机的两种不同使用方式决定了对所获得非量测
12、数码影像采用不同的处理方法。 将数码相机当作非量测摄影机使用时，处理获取的数码影像，比较试用的解算方法主要有直接线性变换解法和时间基线视差法（或称伪视差法），一定条件下，亦可采用光线束法。其中时间基线视差法主要用于测量物体的运动或形变。于承新曾用于钢结构变形监测。此方法主要用于测量物体的二位平面变形，有一定的局限性。直接线性变换解法（ DLT）直接建立坐标仪坐标与物方坐标之间的关系式，因此在实际试用中具有如下优点而得到广泛应用。（ 1）各相机光轴不需相交；（ 2）相机位置可任意放置而不需测定；（ 3）只需要获得两张像片即可获得三维坐标；（ 4）利用多张具有一定重叠度的像片，可获得的三维坐标精度
13、更高。但直接线性变换解法对现场布设的控制点要求较高：控制点个数要达到一定的数目（一般至少 8 个），控制点要对称、均匀地布设在整个摄区等，且不可共面或接近共面。只有满足这些控制要求， DLT 才能达到理想精度，否则 DLT 精度就较低，解算结果不稳定，难以满足一般的工程要求。目前近景摄影测量中就将数码第 4 页（共 35 页） 相机作为非量测摄影机使用均采用 DLT 算法，但过去对 DLT 中一些关键性、综合性技术问 题研究较少，有的也仅局限于对普通光学相机的研究，而没有专门针对普通数码相机的特点进行系统研究。本文将针对普通数码相机非量测化应用中一些关键性方法进行系统的试验研究。 将数码相机当
14、作量测用的摄影机使用，涉及两个关键技术：一个是对数码相机进行检校（或标定），即测定数码相机的构象畸变系数和内方位元素；另一个是处理量测化数码影像的量测算法。本文结合中低精度要求的测量工程应用项目，利用相对低廉的试验设备，建立室内平面控制场和三维控制场，利用所建立的控制场探讨对数码相机的检校方法，测定数码相机的构象畸变系数和内方位元素 。另一方面，在处理经校检后的数码相机摄得的数码影像时，虽可以采用数字摄影测量学中一些基本的理论和方法，如空间前方交会 后方交会，像对的相对定向 绝对定向和光束法等，但由于普通数码相机的物镜畸变差较大以及近景摄影测量本身外业的作业特点，如像片的外方位元素初始值难以确
15、定，像对的方位元素差别较大等，使得量测化数码影像使用的量测处理方法与传统解析法又存在区别。本文针对普通数码影像的特点，对现有用于量测影像数据处理的解析方法进行适当的改进，形成适合于处理普通数码影像的空间前方交会 后方交会法、像对的相对定向 绝对定向 和光束法等计算方法。 2 非量测数码影像的直接线性变换算法 在航空摄影测量中，由像片坐标计算物方坐标，通常应已知像片的内方位元素和外方位元素的初始值。普通数码相机为非量测用相机，由于无框标，内方位元素未知，因此不能利用航空摄影测量学中的解析处理方法来处理非量测数码影像。 直接线性变换算法（ Direct Linear Transformation）
16、直接建立坐标和物方空间坐标之间关系，计算中无需内外方位元素的初始近似值，故特别适用于非量测影像的摄影测量工作，目前已经成为近景摄影测量的重要组成部分，也成为处理非量测数码影像的主要方法。传第 5 页（共 35 页） 统三维 DLT 的基本公式是由共线方程式推导而来，有一定的局限性。本文将从空间射影变换理论出发，推导 DLT 的基本公式，也可以称之为共线条件方程式，并对共线方程式算法给予广义的解析。 2.1 直接线性变换算法（ DLT）解析 DLT 的基本公式：由空间射影定理所知：坐标变换时点的齐次坐标的变换是以线性齐次关系表示的，即为： 1 1 1 1 2 1 3 1 42 2 1 2 2 2
17、 3 2 43 3 1 3 2 3 3 3 44 4 1 4 2 4 3 4 4x A x B x C x D xx A x B x C x D xx A x B x C x D xx A x B x C x D x （ 2-1） 如用非齐次坐标来表示线性变换公式，则可用上式的第四个式子逐项除前三个式子，并令 331 2 1 2 4 4 4 4 4 4, , , , ,xxx x x xX Y Z x y zx x x x x x （ 2-2） 将式（ 2-2）代入式（ 2-1），可得： 1 1 1 14 4 4 4 2 2 2 24 4 4 4 3 3 3 34 4 4 4A X B Y C
18、 Z DxA X B Y C Z DA X B Y C Z DyA X B Y C Z DA X B Y C Z DzA X B Y C Z D （ 2-3） 式（ 2-3）为摄影测量中表示的三维的射影变换，如若表示二维的射影变换，即点 ,x y z 满足某一平面方程，设这一平面方程为 0a x b y c z d ， 即 z 可以由 x 、 y 表示，即式（ 2-3）中前两式与式（ 2-3）中三式等价 当式（ 2-3）前两式分子、分母同除以 4D ，即有下式成立： 1 2 3 49 1 0 1 1 5 6 7 89 1 0 1 111L X L Y L Z LxL X L Y L ZL X
19、L Y L Z LyL X L Y L Z （ 2-4） 第 6 页（共 35 页） 式（ 2-4）即为直接线性变换的基本公式，形式上与由共线条件方程导出的完全一样，但它比惯用的共线条件方程式具有一般的意义。广义的共线条件方程式是物方空间仿射变换坐标与像方平面仿射坐标的摄影关系，而摄影测量中的共线条件方程式表示的是空间直角坐标到平面直角坐标的射影关系，只是广义共线条件方程式的一个特例。 从整个推导过程可知，式（ 2-4） 中包含有 11 个 L 系数是客观存在且相互独立的。要解求 11 个 L 系数，至少需要 6 个控制点。 2.2 DLT 算法精度的影响因素 在近景摄影测量中，虽然控制方式的
20、选择较航空摄影测量灵活，除了采用控制点控制外，还可以采用如相对控制等其他形式的控制方式，但控制点的布设条件仍然是一个非常重要的环节，它直接影响着近景摄影测量平差结果的精度。 试验控制点条件对 DLT 算法的精度影响需要点位合理、稳定、高精度的三维控制场。 2.2.1 室内三维控制场的建立 综合考虑数码影像量测应用方法研究中对控制场的要求，室内三维控制网中控制点的布设应满足以下条件：控制点的布设应分层布设，不能布设在同一平面或近似在同一个平面，且每层控制点的布设应考虑对称性；控制点数应达到一定的数目，以利于精度研究；控制点必须稳定清晰；能在室内三维控制场前方一定位置看到一定数量的控制点，以利于拍
21、摄和观测；控制场的长、宽、高适合拍摄成像。根据以上要求，现利用一个大约相距 1m、有三个层面的空间控制金属架建成如图 2-1 所示的室内三维控制场。金属架三个层面上贴上 22个标志点作为控制点。标志点的标志为黑 白相间的同心圆，以利于不同比例尺和分辨率的影像量测。考虑到标志点分布的层次性和均匀性，各标志点分布如下情况：第一层贴 8 个标志点，第二层贴 5 个标志点，第三层贴 9 个标志点。每个标志点上都注上附有标志点号的标签，标志点的命名规则为：第一层第一个点标为 11，第二层第三个标志点标为 23，以此类推。各标志点分布示意图如图 2-2 所示。 第 7 页（共 35 页） 图 2-1 室内三维控制场 图 2-2 标志点分布示意图 2.2.2 控制点个数对 DLT 算法精度的影响 试验方案： 取控制点的布设处于较理想的方式，实验控制点个数对 DLT 算法的影响，设计步骤如下： （ 1）在室内三维控制场内选取 6 个分布状况较好的标志点作为控制点，其余标志点为检查点，计算检查点中误差。 （ 2）在上述 6 个控制点上加上两个对称控制点，使控制点数变为8 个且维持良好的分布状况，其余标志点为检查点，计算检查点中误差。
