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1、双像立体测图基础与立体测图摄影测量学第四章摄影测量学第四章 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 立体像对与双像立体测图立体像对与双像立体测图 立体像对的相对定向元素与模型的绝对定立体像对的相对定向元素与模型的绝对定向元素向元素 模拟法立体测图模拟法立体测图 解析法立体测图解析法立体测图双象立体测图双象立体测图是指利用一个是指利用一个立体像对立体像对（即在（即在两摄站点对同一地面景物摄取有一定影像重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，直接给出符合规定对该几何模型进行量测，直接
2、给出符合规定比例尺的地形图，获取地理基础信息。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使用一个立体像对构建地面立体模型的方法称为称为立体摄影测量立体摄影测量。4.1 人眼的立体视觉原理与立体量测人眼基本构造视网膜上大约有视网膜上大约有10108 8个杆状细胞，直径个杆状细胞，直径2 2mmmm；6.5106.5106 6个个锥状细胞锥状细胞，直径直径2828m mm m一、双眼观察的天然立体视觉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来自物体的光刺激视网膜的杆状和锥状细胞（物理过程物理过程）使其感光（）使其感光（生理过程生理过程），通过视），通过视神经
3、纤维传至后大脑视觉中心，经记忆加入已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（有的概念与经验（心理过程心理过程），从而形成感知），从而形成感知人眼分辨力单眼能够判别最小物体的能力称单眼能够判别最小物体的能力称单眼分辨力单眼分辨力 用单眼所能观察出两点间的最小距离称用单眼所能观察出两点间的最小距离称第一分辨力第一分辨力 用单眼所能观察出两平行线间的最小距离称用单眼所能观察出两平行线间的最小距离称第二分辨力第二分辨力双眼观察精度比双眼观察精度比单眼提高单眼提高人眼立体视觉人用双眼观察景物可判断其远近，得到景物的立体效应，人用双眼观察景物可判断其远近，得到景物的立体效应，这种现象称为这
4、种现象称为人眼的立体视觉人眼的立体视觉二、人造立体视觉 P P a b a b A B左眼左眼右眼右眼人眼的立体视觉是立体测图的基础l 立体像对立体像对l 分像条件分像条件l 两像片上相同景物（同名像点）的连线两像片上相同景物（同名像点）的连线 与眼基线应大致平行与眼基线应大致平行l 两像片的比例尺应相近（差别两像片的比例尺应相近（差别1510Hz叠映影像立体观察叠映影像立体观察 偏振光法偏振光法 在两投影光路中安装两块偏振在两投影光路中安装两块偏振 平面互成平面互成90的起偏镜的起偏镜 观测者带上一副检偏镜观测者带上一副检偏镜 镜片与起偏镜相同镜片与起偏镜相同 左右偏振平面左右偏振平面相互垂
5、直相互垂直像对的立体观察方法液晶闪闭法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。睛各看一张像片的目的。双目镜观测光路的立体观察双目镜观测光路的立体观察 通过双筒望远镜观察通过双筒望远镜观察 每个望远镜像面有一固定的测标每个望远镜像面有一固定的
6、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放大倍率可调节像对的立体观察方法2.2.立体量测立体量测在摄影测量中不仅需要用像对进行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，而且还需要对立观察，建立立体模型，而且还需要对立体模型进行量测。体模型进行量测。浮游测标量测法浮游测标量测法用一个在立体表面游动的测标来进行用一个在立体表面游动的测标来进行量测，用测标切准立
7、体模型表面。量测，用测标切准立体模型表面。形状：形状：点状或线状点状或线状双测标量测法双测标量测法是用两个刻有量测标是用两个刻有量测标记的测标进行量测。记的测标进行量测。左右测标分别切准左左右测标分别切准左右同名像点右同名像点两单测标相当于同名两单测标相当于同名像点，构成立体测标像点，构成立体测标T TT T与立体模型表面与立体模型表面M M点点重合重合同名像点：地面上一点在同名像点：地面上一点在相邻两张像片上的构像相邻两张像片上的构像必须说明必须说明摄影测量 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、右摄得如右：利用左、右摄得
8、得两张影像，原则上就得两张影像，原则上就能获得能获得“人造视觉立体人造视觉立体”23正面正面下面下面上面上面右面右面左面左面摄影测量摄影测量二维影像二维影像三维空间立体三维空间立体问题问题？如何利用如何利用 影像影像建立建立 空间三维立体模型空间三维立体模型4.2 立体像对与双像立体测图 双像立体测图双像立体测图是以一个立体像片对为量测单元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？AS1S2p1p2l1l2同名光线同名光线同一地面点发出同一地面点发出的两条光线的两条光线S1A,S2A同名像点同名像点同名光线在左右同名光线在左右像片上的构像像
9、片上的构像同名核线同名核线核面与左右核面与左右像片面的交像片面的交线线核面核面摄影基线与某一摄影基线与某一地面点组成的平地面点组成的平面面一、立体像对的重要点线面一、立体像对的重要点线面摄影基线摄影基线相邻两摄站的连相邻两摄站的连线线核点核点核点核点核线核线核线核线核点核点：基线的延长线与左右像片面的交点。基线的延长线与左右像片面的交点。核线核线：核面与像片的交线，核线会聚于核点核面与像片的交线，核线会聚于核点主核面主核面：通过像主点的核面。一般情况下，通过：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。面和
10、右主核面。垂核面垂核面：通过像底点的核面。一个像对只有一个：通过像底点的核面。一个像对只有一个垂核面。垂核面。在倾斜像片上诸核线汇聚于核点。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同名核线，同名像点在同名核线上立体摄影测量立体摄影测量（双像立体测图）（双像立体测图）：是利用一个立体像片对，在恢复它们的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。型，并对该模型进行量测的一种摄影测量方法。二、立体摄影测量的基本原理空中对地面的摄影过程摄影过程的几何反转摄影过程的几何反
11、转：根据摄影过程的可逆性，设计两个与摄影机一样的投根据摄影过程的可逆性，设计两个与摄影机一样的投影器，将像片影器，将像片P P1 1和和P P2 2分别装到投影器内并保持两投影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，即将投影器距离缩小，即将投影器S S2 2搬到搬到S S2 2 处，此时两投影器处，此时两投影器间的距离间的距离S S1 1S S2 2 =b=b，称，称b b为投影基线。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
12、空间的交点。所有的交点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。的集合，构成与地面相似的几何模型。二、立体摄影测量的基本原理立体测图的关键立体测图的关键：重建与实地相似的几何模型重建与实地相似的几何模型 恢复摄影时的空间方位恢复摄影时的空间方位恢复像片对的恢复像片对的 内方位元素：摄影中心与像片之间相关位置内方位元素：摄影中心与像片之间相关位置 外方位元素：像片在摄影瞬间的空间位置和姿态外方位元素：像片在摄影瞬间的空间位置和姿态内方位元素：已知内方位元素：已知(内定向）内定向）恢复两张像片的相对位置（相对定向）立体模型恢复两张像片的相对位置（相对定向）立体模
13、型外方位元素：未知外方位元素：未知 模型的大小和空间位置是任意的模型的大小和空间位置是任意的 （外定向）（外定向）恢复立体模型的大小和空间方位（绝对定向）恢复立体模型的大小和空间方位（绝对定向）三、双像立体测图概述 利用像对重建并量测立体模型的测绘方式，实质上是将实质上是将外业外业测绘工作搬到测绘工作搬到室内室内进行进行。摄影测量双像立体测图方法有如下三种：1.1.模拟法立体测图模拟法立体测图2.2.解析法立体测图解析法立体测图3.3.影像数字化立体测图影像数字化立体测图航测立体测图的方法有：航测立体测图的方法有：模拟法立体测图模拟法立体测图 以立体像对为单元，根据摄影过程几何反转以立体像对为
14、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原理，在模拟测图仪上重建和摄区相似的立体模型。型。解析法立体测图解析法立体测图 利用解析测图仪测图，核心是计算机。利用解析测图仪测图，核心是计算机。数字化测图数字化测图 利用数字摄影测量系统。采用数字影像或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，建立数字像点并量测坐标。采用解析计算方法，建立数字立体模型。立体模型。无论采用哪一种测图方法，都要经过无论采用哪一种测图方法，都要经过内定向、相内定向、相对定向、绝对定向对
15、定向、绝对定向及测图等过程。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出像片对的相对定向元素与模型的绝对定向元素。定向元素。二、立体像对的相对定向元素二、立体像对的相对定向元素XYZa1(x1,y1)u1v1w1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)w2v2u2S2像片外方位元素像片外方位元素：Xs1，Ys1，Zs1，1，1，1 Xs2，Ys2，Zs2，2
16、，2，2描述立体像对中两张像片相对位置和姿态关系的参数描述立体像对中两张像片相对位置和姿态关系的参数完成相对定向的完成相对定向的唯一标准是像片唯一标准是像片上同名像点的投上同名像点的投影光线影光线对对相交对对相交 相对定向元素是描述立体像对中两张像相对定向元素是描述立体像对中两张像片的相对片的相对位置位置和和姿态姿态关系的元素，因此，关系的元素，因此，可以把两张像片各自相对于选定的可以把两张像片各自相对于选定的同一个同一个像空间辅助坐标系像空间辅助坐标系来讨论相对定向元素。来讨论相对定向元素。为便于讨论，仿照外方位元素的定义，引为便于讨论，仿照外方位元素的定义，引入入“相对方位相对方位元素元素
17、概念将像片在选定的概念将像片在选定的像空间辅助坐标系中的位置（摄影中心像空间辅助坐标系中的位置（摄影中心S S的的坐标，用坐标，用 表示表示 ，和姿态，和姿态（像片的姿态角，用（像片的姿态角，用 表示）表示）定义为像片的相对方位元素定义为像片的相对方位元素一般确定两像片的相对位置有一般确定两像片的相对位置有两种两种方法：方法：u其一：将左像片置平或将其位置固定不其一：将左像片置平或将其位置固定不变变连续法连续法像对相对定向系统。像对相对定向系统。u其二：将摄影基线固定水平其二：将摄影基线固定水平独立法独立法像对相对定向系统像对相对定向系统依附于像空间辅助坐标系，选取的像空间辅助依附于像空间辅助
18、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。坐标系不同就有不同形式的相对定向元素。以左像空间以左像空间坐标系为基坐标系为基础，右像片础，右像片相对于左像相对于左像片的相对方片的相对方位元素位元素连续法相对定向元素连续法相对定向元素：bv，bw，1.1.连续法连续法相对定向元素相对定向元素左像片：左像片：右像片：右像片：2.2.单独法单独法相对定向元素相对定向元素单独法相对定向元素单独法相对定向元素：1，1，2，2，2在以左摄影中心在以左摄影中心为原点、左主核为原点、左主核面为面为 UW UW 平面、平面、摄影基线为摄影基线为 U U 轴的右手空间直轴的右手空间直角坐标系中，左
19、角坐标系中，左右像片的相对方右像片的相对方位元素位元素左像片：左像片：右像片：右像片：像空间辅助坐标系：像空间辅助坐标系：U轴：摄影基线；轴：摄影基线；V轴：垂直于左主核轴：垂直于左主核面；面；W轴：位于左主核面；轴：位于左主核面；三、模型的绝对定向元素 描述立体像对在摄影瞬间的绝对位置和姿态的描述立体像对在摄影瞬间的绝对位置和姿态的描述立体像对在摄影瞬间的绝对位置和姿态的描述立体像对在摄影瞬间的绝对位置和姿态的参数称即参数称即参数称即参数称即恢复模型的大小和空间位置的元素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通过将相对定向建立的立体模型进行通过将相对定向建立的立体模
20、型进行通过将相对定向建立的立体模型进行缩放缩放缩放缩放、旋转旋转旋转旋转和和和和平移平移平移平移，使其达到绝对位置使其达到绝对位置使其达到绝对位置使其达到绝对位置相对定向后相对定向后模型的大小和空间位置是任意的模型的大小和空间位置是任意的U1V1W1PZpYpXpU2V2W2Aa1s1a2s2OZtXtYtYSXSZS绝对定向元素绝对定向元素：，XS，YS，ZS，绝对定向元素绝对定向元素绝对定向元素：绝对定向元素：模型缩放比例因子模型缩放比例因子模型旋转因子模型旋转因子坐标原点平移量坐标原点平移量基本公式基本公式借助地面控制点，恢复或计算这借助地面控制点，恢复或计算这七个七个参数，就参数，就完
21、成完成绝对定向绝对定向。建立建立“空间几何立体模型空间几何立体模型”(a)相对定向相对定向确定两张影像的确定两张影像的相对位置相对位置光线在空间光线在空间 对对相交对对相交如何如何 确定两张影像的确定两张影像的 相对位置？相对位置？相对定向的过程相对定向的过程初始状态初始状态投影光线投影光线不相交不相交 交叉交叉中间状态中间状态改变投影器的改变投影器的相对位置，使相对位置，使光线相交光线相交最终状态最终状态所有光线所有光线 对对相交对对相交相对定向：相对定向：5 个元素个元素它只确定两个影像的它只确定两个影像的相对相对位置位置，但，但是不能确定它们的是不能确定它们的绝对绝对位置位置或或或或例如
22、例如(b)绝对定向绝对定向确定模型在空间的绝对位置确定模型在空间的绝对位置由相对定向由相对定向建立的建立的 地面模型地面模型实际的实际的 地面模型地面模型相对定向：相对定向：个元素个元素绝对定向：绝对定向：个元素个元素571266两张像片的外方位元素两张像片的外方位元素因此，通过相对定向绝对定向因此，通过相对定向绝对定向 也能够恢复也能够恢复两张影像两张影像的外方位元素的外方位元素4.4 模拟法测图模拟法立体测图原理模拟法立体测图原理原理：摄影过程的几何反转原理：摄影过程的几何反转恢复投影光束的方位，使同名恢复投影光束的方位，使同名光线对对相交，建立与实地相光线对对相交，建立与实地相似的几何模
23、型。似的几何模型。立体测图的基本单元：立体测图的基本单元：立体像对立体像对利用光学投影或机械投影的方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。法实现摄影过程的几何反转。二、像对摄影过程的几何反转二、像对摄影过程的几何反转 方法两种：方法两种：v 恢复像片的内、外方位元素恢复像片的内、外方位元素v 像对的相对定向和绝对定向像对的相对定向和绝对定向 模拟法测图通过模拟法测图通过模拟测图仪上的机械装置的运动模拟测图仪上的机械装置的运动来实现。来实现。步骤：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：
24、恢复两张像片的相对方位，建立与地面相似的立体模型。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。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。立体测图：用量测工具量测立体模型，测制地形图。双像解析摄影测量：双像解析摄影测量：根据立体像对中的物像几何关系，用数根据立体像对中的物像几何关系，用数学计算方法学计算方法 解求被摄目标空间坐标的理论方法。解求被摄目标空间坐标的理论方法。常用的理论方法有：常用的理论方法有：1 1、单像空间后方交会、单像空间后方交会+双像空间前双像空间前方交会方交会 2 2、解析相对定向、解析相对定向+解析绝对定向解析绝对定向 3 3、光线束法空中三角测量、光线束法空中三角测量