多基线近景摄影测量（通用3篇）
多基线近景摄影测量 篇1
摘要：本文对基于多基线近景摄影测量技术,以Lensphotov2.0系统作为内业处理平台,研究其技术优势;按照数字近景摄影测量方法研究大比例尺测图中的内、外业作业工序。取得的结果与传统数字化测图方法进行对比,研究及试验表明,以Lensphotov2.0系统作为内业处理平台结合非量测数码相机,应用于大比例尺地形测绘,满足精度要求,此方法是可行的。
关键词：多基线,近景摄影测量,大比例尺测图,Lensphoto系统
0 引言
普通数码影像的出现,解决了现场快速获取影像的问题,且满足了近景摄影测量作业对软硬件及技能的要求,并使摄影测量过程成为全数字流程。传统近景摄影测量获取的影像在进行自动化匹配时交会精度与数码相机的视场角有很大关系,而在航飞过程中沿航线视场角度偏小导致深度方向中误差偏大,多基线摄影测量能实现影像大量重叠,增大视场角提高精度[4]。此外,在进行摄影过程中考虑到测区地形复杂设站会有困难,而且如果测区范围地势险峻,人工采集地形点困难且周期会较长,而且在小面积范围内的传统航空摄影测量成本比较高[9]。多基线近景摄影测量可获取高精度的影像,弥补传统航测的缺陷,减少成本缩短作业周期,可实现更高效的摄影测量,提高测绘精度。
多基线数字近景摄影测量系统Lensphoto通过运用普通单反数码相机获得相关的图片,自动完成空中三角测量到各种比例尺数字线划图的应用,而且Lensphoto系统可直接将地面摄影的数字影像中获取的测绘信息作为软件平台应用,并重新精密地组建数码相机获取的照片;弥补了近景摄影测量技术多年来处于空缺的尴尬,因此Lensphoto系统的应用领域与前景是非常广阔的[1,2]。作者应用非量测普通数码相机,进行近景摄影测量,拍摄多组相片;应用Lensphoto系统按多基线近景测量的方法解算,成功地进行了小区域大比例尺测图,得到点云图、1∶1000数字线划图等成果。
1 实验过程
1.1 大比例尺测图像控点的布设方案
多基线近景摄影测量需要用到控制点的三维坐标与像点坐标解算出外方位元素,获取同名点坐标,因此控制点的选取与数量分布对平差解算有很大影响[8]。全部测区内应均匀布设控制点并使得检查点在控制点范围之内。在进行多基线近景摄影进行大比例尺测图时,需满足以下条件:①控制点数量为4个点,分布在被拍区域的4个角但是不能太靠近边缘,其他控制点分上、中、下三层,上、下层为5个;中间层4个,为棱型分布,保证至少有三张相片是可以选取到相同的控制点。②由于拍摄角度与距离影响,不便于放置标志牌,所以用明显地物点作为像片的控制点,以便于后期空三交互的选取。为了不导致影像变形较大,所以采取多工程航带拍摄,不同工程航带间要保证有几个相同的控制点,而且不同工程航带间要保证30%左右的重叠度;保证相邻测区重叠度和公共控制点,是为了能够更好地进行多工程测区的拼接和整体平差,保证整个测区的精度。一般相邻测区保证两个公共控制点进行连接即可。上下测区会有一层控制点即作为公共控制点,也作为连接点。③尽量减少树木的遮蔽,以免降低匹配成果。特征点要避免选突出的崖石尖端(因为易散射和折射反而大大影响精度)而要选较平处两种明显的色块交界处[10]。④建筑物体转角处,因为变换角度比较大,则布设控制点时候,在物体拐角处必须分布控制点,便于不同测区工程数据间的连接。
1.2 实验流程(见图1)
1.3 影像获取与旋转多基线摄影方法
在被测物体周围布设14个控制点,确保任意4个控制点能够在图片上找到其准确位置,以保证点的稳定性。摄站离被测区域最远距离大于160m,远景近景之差约10m,基线长度一般为景深的1/5~1/10,交会角度一般在5°~10°[5]。相机型号:SONY/索尼DSC-HX50数码相机,像幅宽6000,像幅高3376,像素大小0.0042mm,外业拍摄ISO值(感光度)设置为100-200,外业光线越强,ISO值越小,一般光线强度,设置为160即可。拍摄地点选择视野开阔能够俯视全部测区的地方,确定像幅拍摄区域,选择拍摄方式(旋转摄影或平行摄影)和相机拍摄姿势(竖着拍摄或横式拍摄),此实验设站于高处能够俯瞰测区全貌;采用横式拍摄的旋转摄影方式每个摄站摄4张相片。采集相片摄影平均距离150m,共7个摄影基站,30张相片。拍摄的时候用相机的取景框观察,后一张照片的中心位置对准前一张照片的右边边缘,使得重叠度为80%,这样在保证重叠度的情况下观察这个区域需要拍摄张照片的数量,记住这些中心位置,在其他的摄站也对应这些区域拍摄。拍摄的方向与目标物垂直,拍摄方向与目标物夹角越大,变形越大。拍摄过程中减少树木的遮蔽,以免降低匹配成果;不同摄站针对相同区域所拍摄的范围需相同(摄影中心尽量一致),这样影像间的变形才不会过大。由于相机拍摄相幅有限,拍摄过程中有部分区域拍摄不到,房屋之间与树木植被的遮挡使得影像出现拍摄死角,因此将此区域单独补测。在遮挡区域加入控制牌引入控制点进行拍摄,最后将遮挡区域与其他片区拼接。为避免拍摄影像变形过大,保证摄影有效,两摄站间距取约为1/12摄距(大致)即75m;首摄站与尾摄站的间距应在1/4到1/2摄距之间。这就确定了摄站的至少及最多数量。在同一个摄站上,针对目标物旋转相机拍摄多张具有重叠的影像,重叠度至少60%以上。旋转摄影拍摄方法如图2所示,部分原始影像图见图3。
1.4 数据处理
首先按照旋转摄影方式用相机拍摄坐标格网图进行相机参数的检校,相机参数检校确定内方位元素与畸变系数如表1所示。然后进行空三匹配,在同名相片间选取种子点进行自动匹配,添加种子点时尽量要选取颜色变换分明的分界限上的点,这样有助于加强系统自动匹配效果,匹配完成后检查整幅图内有无匹配不均匀与不对称的点进行修饰。按照自由区域网平差模式进行光束法平差,之后引入控制点与检校参数进行空三交互完成像点的自动连接。最后进行测图拼接,整体法平差生成点云图[9]。对点云进行编辑剔除粗差,删除边缘无效的点。由于有一些地区有树木遮挡,因此将点云数据导入到Lensphoto多点配准及自动纹理映射软件MCJT中进行滤波处理,将散乱的点云和大面积植被剔除。利用迭代的方法,通过精化每一张影像的内方位元素和外方位元素实现点云与影像之间的精密配准,使得点与影像有一一对应的自动纹理映射。在这之前,点云要选择正确的视觉位置,即景深方向,显示查看TIN景观界面(可以在设置里给被摄影物体添加纹理,给其上色,显示其更真实的立体效果),生成点云图、TIN立体三角网图与TIN景观图如图4~图6所示。启动数字测图以后界面后打开原始像对,将点云图附着于立体像对上构建立体模型进行绘图处理。绘制完成后将数字线划图与数字正射影像图DOM进行叠加,检查房屋房檐点的正确位置,对其进行修正,测图拼接完成后将所有模型接边检查,部分数字线画图如图7所示。
2 多基线近景摄影测量交会精度分析
传统的近景摄影测量模拟人眼的视觉观测的原理,在一条基线的两端用相机对同一地物获取一个立体像对,重现物体的空间景观,测绘物体的三维坐标,由这一原理相片的航向重叠度就要达到60%以上[1]。近景摄影测量应用前方交会原理,其误差主要取决于交会角度θ,若测量中误差为固定值σx,测量深度误差为σy=tanθ/σx交会角度越小,测量的深度误差就越大,如图8(a)所示[3]。但是影像之间的匹配却和交会角度成负相关关系,角度越小影像越容易匹配。为了解决单基线摄影测量误差缺陷,采用多基线,扩大影像重叠度,如图8(b)所示,交会角度由θ1增加到了θ2,相邻的影像交会角度小,易于匹配,同时多方向的交会提供了多余观测,提高了影像匹配的精度[6]。多基线近景摄影测量根据前方交会原理以共线方程作为基本数学模型,线性化得到误差方程式(1),矩阵A为误差方程线性化系数,X为坐标改正数,L为常数项矩阵;式(2)为误差方程矩阵形式。由式(1)可推算出m张相片的误差方程协因数矩阵如式(3)所示。
式(3)中,H为摄影高度;f为焦距。由此可以分析出,当摄影基线长度不变,交会精度与重叠度m有关。相片重叠度增加,交会精度也增大,当相片重叠度一定,基线距离增加,交会精度也随之增加,即使基线长度短,但在高重叠度条件下平差结果也具有可靠性。
应用Lensphoto系统经过空三加密光束法平差和整体平差后得到的结果如表2所示。测图完成后,选取野外检查点中的30个地物点,43个地貌特征点与传统大比例尺测图方法进行对比,并获取检查点的精度,如表3所示。根据《1∶500 1∶10001∶2000外业数字测图技术规程》(GB/T 14912-2005)1∶1000地物点的平面位置中误差为±0.5m;等高线插求点相对于邻近图根点的高程中误差,平地不应大于基本等高距的1/3,丘陵地不应大于基本等高距的1/2。山地不应大于基本等高距的2/3,高山地不应大于基本等高距(本次实验为山地地区,应为0.66m)。通过多次试验,使得匹配精度达到了0.001325,小于1/2检校参数像素,即0.0021。平面地物特征点位中误差为0.214m,地貌特征点中误差0.294m,平均高程误差为0.312m,小于误差允许范围,满足1∶1000大比例尺测图要求。
3 结论
通过多次实验研究,应用非量测数码相机,以Lensphoto v2.0软件为测绘处理平台,能够满足1∶1000数字线划图规范要求。多基线近景摄影测量改变了传统的线性交会法,应用严密区域光束法平差保证精度,同时降低了传统航测成本与外业人工采集工作量。通过此方法能快速获取地物信息,改进了传统的测图作业模式,提高了生产效率,为大比例尺测图提供了新的方法。
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近景摄影测量影响精度因素分析 篇2
将反光片均匀布置在待测物体上, 如图1所示。利用全站仪对控制点测量, 结果如表1。
2 精度影响因素分析
2.1 交会角不同精度影响分析
实验中以28.3m的摄距为数据, 说明交会角大小对精度的影响, 本组实验共设6个基站。分成三组数据, 计算不同交会角时的平差精度、中误差和相对中误差。分别如表2和图2、图3、图4所示。
从图2可以看出, 平面和深度中误差随着交会角的减小迅速增大;从图3中可以清楚地看出, 随着交会角的减小, X、Y方向的精度越来越低, 而Z方向的精度一直很高, Z方向的精度受交会角变化的影响不是那么明显;图4为不同交会角时相对中误差精度示意图, 平面精度是指与像平面平行的面的精度, 深度精度是指摄影方向的精度, 空间三维坐标即为“点位”。根据实验结果, 交会角的增大, 平面、深度、点位的精度都会得到提高。根据近景摄影测量原理, 当摄距一定时, 交会角与摄影基线的长度成正比。即点位、深度精度随着摄影基线长度的增加而提高。基线长, 则精度高;基线短, 则精度降低。
2.2 摄影距离不同精度影响分析
在实验时, 分别选择12.5m、21.4m、28.3m和42.6m的摄距, 其中12.5m、21.4m摄距处采用18mm的镜头拍摄, 28.3m处采用35mm的镜头拍摄, 42.6m处采用55mm的镜头拍摄。
由表3和图5可知, 摄影距离的增大, 相应的平面、深度中误差也随之增加。但当采用不同焦距的镜头, 图像分辨率增大时, 测量精度也随之提高。如图5所示, 摄影距离为28.3m时, 由于采用了35mm的镜头, 其精度比摄距为21.4m镜头为18mm时高。
2.3 利用不同个数的控制点对解算精度的影响
利用同一组的相片, 在交会角为48.2°时, 根据控制点数量不同解算T3、T6、T12三个点的空间位置坐标, 计算精度误差。详见表4。
根据图6, 坐标中误差随着不同控制点个数的增多不断减小。
3 总结
近景摄影测量的精度会受到许多因素的影响, 通过本次实验对影响近景摄影测量精度的因素作比较分析。[4]
(1) 控制点布置及测量。控制点应均匀布在设被摄物体上, 在允许的情况下增加控制点数量 (12个左右) , 选择高精度的控制点坐标测量方法。
(2) 分辨率较高的相机能够明显提高测量精度, 在摄影测量时尽可能采用像素较高的数码相机。在分辨率较低时, 可利用图像处理软件 (如photoshop) , 进行预处理, 也可达到十分理想的效果。
(3) 在拍摄影像时, 从正面摄影, 拉长摄影基线, 有助于提高立体方向精度的提高。
(4) 相机检校。普通数码相机的镜头畸变对精度影响很大。有条件的情况下, 利用室内检校场对数码相机进行检校, 解算出镜头畸变差。
参考文献
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多基线近景摄影测量 篇3
(1) 检查过的两个碳纤维尺两个, 碳纤维尺两端的白色编码点有严格的尺寸要求。 (2) 非测量相机尼康D300S24mm定焦镜头, 1200万像素。 (3) 用于摄影位置编码点和几个定位十字。 (4) TRITOP软件。之所以无法跟测量相机一样进行内、外方位定位、对象 (即非代码点) 的定位必须依靠人工定义的特殊图形即编码的识别点才能完成, 因为测量相机的使用。
下面以德国GOM公司的TRITOP光学测量系统进行说明, 如图1所示。
2 近景摄影成像原理
通过摄影手段以确定目标外形的测量方法称为近景摄影测量。相机的姿态定位及数字照片的定位是近景摄影的关键技术, 其定位方式直接关系到相机的成像精度。目前市场上技术成熟的非量测摄影系统有AICON公司的德通社-pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统等。使用非量测摄影系统进行三维定位点构建时, 经常使用形如图2所示的非编码点和编码点的人工标识, 方便于软件在定位解算时识别, 是因为非量测摄影系统不具备专业量测摄影系统的定位框标, 无法进行相片的内方位元素和外方位元素的定位, 二维图像重建广场空间是近景摄影测量的主要任务, 这是图像形成的反过程。
近景摄影测量中常用的坐标系统有三种, 对物体进行三维测量可以利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程, 能够解算出物方点坐标。由于对摄影精度要求较为苛刻, 为了确保摄影精度, 在近景摄影测量中, 常常使用多重交向摄影技术对被测物体进行测量。通过一点多角度多次摄影, 就能达到较高测量精度。多摄站式交向摄影。超过两次对同一点的摄影, 有利于被测物体精度的提高和软件解算的稳定性。但是一般两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位。对于TRITOP摄影系统按德国VDI/VDE2634标准方法检测精度可达0.0125mm/m。
3 近景测量的主要应用
3.1 古代建筑物或者遗址的精密测绘
古代建筑一般都经历了成千上万年的历史, 由于自然和人为的破坏, 保护和修复工作显得尤为重要。无论是国内还是国外, 越来越多的古建筑古遗址修复工作正在展开。目前传统的建筑古老的历史记录测量的方法主要有:直接测量法、免棱镜全站仪测量法、三维影像扫描法。每种测量方法都或多或少存在缺点。直接量测法的缺点是要直接接触, 容易造成建筑物损坏, 而且该方法效率低下, 容易出现人为的误差精度不高。免棱镜全站仪测量虽然不用直接接触, 避免对建筑物的破坏但是在结构复杂时精度不高。传统的测量方法很难准确地衡量古建筑的整体结构条件下, 如列和光束倾斜, 弯曲梁和方舟子, 框架的倾斜和沉降等。使用传统建筑测量只能测量记录一个接一个, 只要有轻微的疏漏就很难完整的表达, 不能依照整个测量过程。使用现代的近景摄影测量手段可以更好地解决问题。
3.2 建筑物变形的测量
随着社会经济的发展, 越来越多的建筑物和桥梁在各地陆续建起, 在建设的过程中以及建成后我们都需要对建筑物的变形进行观测。与其他测量工作相比, 变形监测要求的精度比较高, 并且要求一定频率的重复观测建筑物上布置的变形监测点。获得监测点的三维 (X, Y, Z) 位移变化。建筑物变形监测的主要方法有三种:地面监测技术、GPS监测方法、近景摄影测量法。[5]
3.3 现场视觉及工业制造的精密测量
这几年来, 伴随着制造技术的进步, 也对精密测量技术提出了新要求。先进制造必备的关键技术之一就是在工业现场使用精密三维坐标测量技术。在工业上, 为了得到被测物体准确的表面尺寸 (监测项目的三维数据) , 通常使用投影光栅扫描设备。提高三维测量精度最有效的方式是使用近景摄影测量方法建立具有非编码点群的三维测量。基于测量汽车外表面为例, 表达的近景摄影测量原理和使用方法, 提出了以实现大尺寸物体的精确测量而使用近景摄影测量投影和光栅扫描方法的组合。结果表明, 三维数据采集使用近景摄影测量方法不仅在很大程度上提高大尺寸物体的扫描精度, 而且提高扫描效率。近景数字摄影视觉测量技术是一个专注于精密测量技术的研究和应用, 用于精密测量, 基于数字成像和摄影、图像处理和精密测量原理的基础上, 一种新型的精密测量技术。传统的通用三维精密测量仪器 (CMM) 一般不能应用于生产领域, 只能用于特殊的测量环境, 因为测量仪将受到线性导轨运动的条件。最近开发了各种不同类型的三维精密测量技术和设备, 以适应制造技术的进步, 如:近景数字摄影、激光跟踪干涉测量系统, 视觉测量系统基于机器人柔性坐标测量系统, 等等。
4 近景摄影测量一般流程
在工业三维数据采集的过程中, 只要遵守一定的操作流程就能获得准确的结果。但是不当的操作流程会给数据采集带来不可预知的测量误差。近景摄影测量的一般流程如下:第一, 规划测量意图:确定测量方案, 比例尺放置在恰当的位置。第二, 选择适宜的工作环境:尽量不在强光和振动的环境下进行测量, 温度20°为宜。第三, 被测物体预处理:此过程一般涉及三个方面: (1) 被测物体表面要贴上白色非编码定位点; (2) 将白色显影剂喷涂在被测物体表面; (3) 放置编码点。第四, 近景摄影的测量:初始摄站位置需正对一根比例尺用来拍摄4副两两相互成90°夹角的相片, 使用相机在距离被测物2m左右的地方进行多摄站拍片, 完成相机标定。第五, 照片处理:与TRITOP软件对整个拍的全部相片绑定, 得出三维框架。第六, 数据收集:定位的三维框架进行基于3d的扫描对象, 得出符合测量精度的三维点云。
5 结束语
我们提出利用多重交向摄影的近景摄影测量方法, 就是使用特殊人工标识, 为提高大尺寸物体光栅投影扫描的精度, 通过编码点即普通非量测摄像机, 将解算结果利用于光栅投影扫描设备, 并对非编码点建构三维空间尺寸, 得到符合测量精度的密集点云。事实证明, 此方法不仅实现了物体的高精度测量, 而且又提高了扫描效率。关于近景摄影测量的现行趋势是:能不断满足低、中、高以及超高精度的工作要求, 发展模块完整数据归算系统。总之, 根据现行活动的情况和暗中隐现的趋势来看, 近景摄影测量将会应用到越来越多的行业和地方, 为我们的生活和工作带来便捷。
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