CN1007179B

CN1007179B - 从至少一组立体象对中提取三维定量信息的设备

Info

Publication number: CN1007179B
Application number: CN86105861A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·古兹瓦德
Original assignee: STICHTING INTERNATIONAL INST VOOR LUCHT-EN
Current assignee: STICHTING INTERNATIONAL INST VOOR LUCHT-EN
Priority date: 1985-07-12
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CH671458A5; CN86105861A; NL8601552A; US4697347A

Abstract

从至少一张立体象对中提取三维定量信息的设备，在照片成图过程中完全避免了定向处理，从而不需要具有高度技能的操作员。设备包括支承装置，测量装置和观察系统，立体象对固定于只有一块平板的支承装置上，支承装置可按预选的自由度移动，测量装置测定支承装置相对于预选坐标系统的位置坐标和角度坐标，观察系统则通过调节装置测定立体象对的单一图象中对应象点的坐标位置之差，从而提取象点的三维信息。

Description

本发明涉及从至少一组所述目标的立体象对（例如地球表面的航空照片）中提取该目标三维定量信息的设备，所述设备包括：

支承装置，用于支承上述照片，所述支承装置可以按予先选择的自由度移动。

测量装置，用于测定上述支承装置相对于一个予先选择的坐标系统的位置坐标和角度坐标。

一个立体象观察系统，装有一个可调装置，用于测定上述立体象对的单张象片上对应图像的位置坐标之间的差值，通过这样的方式，使用者能对立体象对的每个点提取所需要的三维信息。

在摄影测量学中使用航摄照片，该照片在立体测图仪器中被测量并作进一步处理。其目的是从不同位置摄取的两张照片中提取三维的地形参数。在这种仪器的光学观察系统中，存在例如点状的测量标志，在立体象片中的每个观察点都能用它表示其空间位置。每个要测定的位置是由两张照片中相应的位置坐标来确定的。所需的地形坐标可根据解析摄影测量中的已知关系，通过计算装置从照片中的位置坐标提取。

通常航摄照片（负片）是记录于软片上的。两张连续记录的共同地形复盖范围（重叠），可达到照相幅面的60%。

为了在惯用的仪器中作进一步处理（测图），对使用者来说，妥制作每张单独记录的拷贝（正片）。但是，为了对立体象对进行测图，通常只使用重叠的记录。

所有惯用的立体摄影测量仪器均装有两个独立的支承板，用于固定两张独立的照片。

为了计算地形坐标，需要一些参数，这些参数取决于记录期间的内部和外部情况，还取决于照片相对于测图仪器中测量装置的取向。这些参数通常是依靠定向处理来确定的，而这种处理可以是也可以不是全部或部分地自动控制，测图阶段的这种定向处理是由经过特殊训练的操作员进行的。

作为本发明的目的之一，完全避免了测图过程中的定向处理，从而能得到如下的优点：

1.测图设备能作到更简单，从而也更便宜。

2.测图仪器的操作更简单，也就不再对操作员提出很高的摄影知识和技能要求。这也导致了不再需要特殊训练的操作员。在某些专业场合的应用中，诸如在地形测量学，地质学，林业，土木工程，制图学以及其它方面，只要经过短时间的训练，就能作为一个熟练者去完成必要的测量。这些对价格、较高的工作效率和最后成果的质量同样会产生有利的影响。

还可应当指出，本发明能为立体象对，特别是航摄照片的测量目的带来大量的应用场合。

为了实现上述目的，本发明提供的设备有可能使用单独处理过程中予先测定的参数，这样，在测图阶段就不需要进行定向处理。此外，在序言中叙述的这种类型的设备，其特征在于所述支承装置仅仅包括一块平的支承板，用来将立体象对支承在一个平面上，所述的支承板在所述的平面上可相对于测量装置由使用者自由地移动，并适合于使有关的照片相对于上述支承板保持在予先选择的固定位置上。

最佳实施例呈现自己独特的特点，即支承板与各有一根固定测量线的三个线性测量装置相联系，所述测量线中的两根是相互平行的（ y₁， y₂），其间距离为D，而第三根测量线（ x）与上述第一和第二根测量线垂直。在这种情况下，比较有利的作法是使上述线性测量装置中的每一个能让支承板的两条垂直边与相应测量线上的点接触。在本实施例中，实现了线性测量装置的测量线在支承板旋转时总是通过线性测量装置和支承板的接触点。

与惯用的仪器不同，根据本发明的仪器只包括一块固定照片用的支承板，特别用于两张或叁张这样的照片放在一起成为一张及两张相互联系的立体象对。以一张固定的“立体象片”的形式，把重叠的图像固定在该支承板上。

为了确保能单值地再现立体象对中照片的相互位置，使用在支承板上装有用于与照片边上所打的孔连接的装置的实施例是有利的。

根据本发明优先推荐的另一个实施例，其中两张或多张照片对应的重叠部分共同被定位于一张照片固定板或其它支撑件上，以确保这些重叠部分的相互位置固定。

在一个实施例中，可保证立体照片信息能够精确和可靠地成图，该实施例的立体照片观察系统至少包括两条瞄准线，其中一条是固定的，另外的每一条只能沿 x方向移动。而在使用上述三条线性测量装置的情况下，固定的瞄准线最好贯穿线性测量装置的两条测量线的交点。这就是要保证熟知的阿贝（Abbe）测量原理。

该实施例是非常简单的，在此实施例中，支承板与一个可调节装置相联系，该可调装置依靠一个平行导向系统来测定支承板的角度位置。

现在将参照附图对本发明加以说明，附图中：

图1表示含有两张照片的立体象对的简图，所述的立体象对被固定于一个支承板上;

图2是一张用来解释本发明基本原理的图;

图3是根据本发明的适于照片对或立体象对测图用的设备;

图4是根据本发明的适于三张连续照片测图用设备的简图;和

图5是图4中Ⅴ-Ⅴ线的截面图。

图1表示的平的支承板1，适于支承由两张航摄照片3，4放在一起形成的立体象对2。立体象对2的单值性定位是依靠定位条5与立体象对2边缘上打的孔配合来保证的。

在立体象对的平面上同时标出了x和y坐标系统。

照片3中的三个象点a′，b′和c′与照片4中的点a″，b″和c″相对应。可以清楚地看到，与相关的地形点的高度有关的立体象信息，与两张照片上相关点的位置差有关。

现在参看点a。x″和y″的值可以表示为：

x″＝x′+P_x

y″＝y′+P_y

这里P_x和P_y分别是视差P的x分量和y分量。

对于一个理想的记录，照相机要精确地垂直定向，而且对每张记录的记录水平要是同一个，在所记录的立体象对中，所有对应的象点对之间的连线相互间呈平行。这意味着y的视差P_y对所有的点是相等的。它可以是零。但是距离P对所有的点通常并不是相等的，事实上是与地形高度差直接有关。

对不理想的记录，立体象对中的y视差不相等，以致连线通常是不平行的。因此，角度位移是定向参数和地形高度差的一个函数。除了y视差之外，定向参数也影响x视差的值，所以在立体象对中会出现P值。

对于本发明所述的设备，右手图相对于左手图的相对位置是用偏转角度α和有关象点之间的连线距离P来表示的。

x视差和y视差的关系表示为：

P_x＝P·cosα

P_y＝P·sinα

在根据本发明的设备中，将在下面参照图3加以说明，图象坐标是如图2中大概表明的那样来测量的。

立体象对2具有一个和表示象点a′和a″的坐标位置有关的xy坐标系统。

a′和a″的位置是通过相对于固定的辅助坐标系统 X y的测量来获得的，而此立体象对是通过如下的方式来定位的：

1.点a′与xy坐标系统中具有坐标为（D_X;D_y）的固定点相重合，

2.a′a″连线与 X轴平行延伸。

距离P和xy坐标系统相对于固定的 X y轴的用值 x， y_r′和 y_Ⅱ 表示的位置，是如图2所表示的那样来测量的。

所需的位置坐标可以从测量值根据下面的关系式获得：

x″＝x′+P·cosα

y″＝y′-P·sinα

在摄影测量中用所谓“空中三角测量”（A.T.）的方法确定方位参数，这种方法建立在对确定点的图象座标的精确测量的基础上。在现代摄影测量中，人们熟悉一种为此目的使用的专用的立体座标量测仪。从空中三角测量的角度看来，为了测量立体象对，原则上需要这样一种立体坐标量测仪。然而对于这里讨论的这类立体象对测量，没有现成的立体坐标量测仪是适合的或可用的。以上描述的测量系统，既用作测量独立的立体照片，又非常适用于测量立体象对的立体坐标量测仪。除了用作立体坐标量测仪之外，根据本发明的仪器也非常适合用作那种在摄影测量中称为“解析测图仪”（A.P.）的测图仪器，特别是当这种“解析测图仪”被用于立体像对时。

图3表示本发明的第一实施例中的设备6。它有一个与图1相应的平的支承板1，通过压紧窄板5把立体象对2单值地固定在它上面。支承板1可以在本身的平面内相对于图2中的固定坐标系 X y移动，此固定坐标系在图3中未重新画出。双筒立体观测系统7分别具有两条垂直的瞄准线8′和8″，沿着这两条瞄准线可观测两个对应的像点。

在此光学系统中有两个测量标志9和10;通过特别的调整，可使它们出现在待测点上。左边的瞄准线8′是固定的;通过测量螺杆54，可以在 X方向上移动右边的瞄准线8″。通过调节这个螺杆54，可测量视差P。

借助于三个测量标尺11、12、13可分别测量参数 x、 y和α;这些标尺可以沿三条位于支承板1移动平面中固定的测量线作轴向移动。

三根测量标尺分别装有固定的指标14、15、16，用于读出相对测量值。在本实施例中，指标14、15、16还被设计成位置传感器，用于为计算机19提供相对位置信息;计算机19被用于从输入信号中提取所需的信息。

两条固定的测量线，即标尺11和12的纵轴，平行于 y轴;而标尺13的固定测量线沿 x方向伸展。

标尺11、12、13与支承板1的相互垂直的两侧边17、18接触的各端均被削尖，使得各测量线的方位被精确地确定。

为了满足众所周知的阿贝测量原理的要求，用以下的方法选择测量标尺11和13的测量线的位置，以使它们相交于观测系统7的固定的侧边线8′上。

从标尺12的测量线到标尺11的测量线有一段固定的距离D。当移动支承板1时，标尺11、12、13由于其与支承板1的侧边17、18连接，因此也被移动。支承板1的方位和位置完全分别由指标14、15、16给出的测量读数值或由传感器14、15、16为计算机19提供的输出信号确定。根据图3的实施例，测量螺杆54通过位置传感器20能够给出输出信号。按照上述测量原理，用测量螺杆54得到的视差P的测量结果，和以上数据一起，足以用位置坐标表示立体象对的任何一对点。

为了精确调整支承板1的角度位置α，用一个平行导向系统来控制它移动的自由度。此导向系统的方位能通过调节螺杆22调整。调节螺杆22与由计算机19控制的步进电动机23相连。很明显，也可以用由计算机19控制的一个电动机来控制测量螺杆54。

平行导向系统有一个转盘21，它通过两根铰链连杆24、25与支承板1相结合。调节螺杆22则通过连杆26、27推动转盘21转动;为此目的，螺杆22与铰链臂28的自由端接在一起。

测量标志9和10被设计成观测系统7中的光学元件。

测量螺杆54与在 x方向可移动的工作台31接在一起。测量标志10和棱镜30一起被安置在工作台31上。通过调节测量螺杆54，可移动瞄准线8″，并可调整8″，使它落在与瞄准线8对准的像点所相应的像点上。

观测系统7通过半透明反射镜32、33分别接收照片3和4的图像;用这样的办法，所述照片上的对应的像点，与各自的测量标志实现光学重合。

如上所述本发明的实施例，即设备6，可以用作立体坐标量测仪，也可以用作解析测图仪。在第一种情况下，支承板1和测量螺杆54的移动直接由操作员操纵。在第二种情况下，通过计算机19，数字式地控制螺杆22和54，而各测量标尺的指标14、15、16都被设计为传感器，这些传感器直接向计算机提供信息。

图4表示本发明的另一实施例。其中，非常概略地示出设备34，它与图3中相应的设备6的不同在于同时被解析的照片的数量。设备6解析了两张照片3和4的重叠部分;而在图4相应的实施例中，要解析位于中间的完整的照片35以及分别与照片35有重叠部分的两张照片36、37;因此35、36以及35、37分别构成立体象对。使用这个实施例，可以避免连接误差的产生，从而能够减小误差传播。

此设备34包含一个具有左目镜39和右目镜40的立体观测系统38。

在用实线表示的观测系统38的工作方式中，可以观测形成立体象对的照片35和37以及与它们对应的测量标志42和44，从而看到立体图像。为说明此过程，我们注意到，照片35的有关图像和测量标志42一起，沿着光路56，向立体观测系统38的方向传播。此图象穿过透镜57，被棱镜58反射，改向半透明反射镜51，然后穿过道威棱镜（Dove-prim）59，到达右目镜40;用户可通过目镜观察此图像。

可以通过左目镜39观察照片37的图像及其相应的测量标志44。此过程如下：图像沿着光路60，穿过棱镜48和透镜65，再穿过半透明反射镜50，被半透明反射镜49反射，穿过半透明反射镜52，被棱镜61反射，最后经过五棱镜62的反射而到达左目镜。

在用虚线表示的立体观测系统38的工作方式中，可通过左目镜39观察照片35及其测量标志42，以及通过右目镜40观察照片36及其测量标志43。

此外还有一个开关装置，其作用类似于一个“双稳态多谐振荡器”。此开关装置有一个不透明的、可旋转的屏幕53;它还与棱镜58连在一起。在用实线表示的工作方式中，屏幕53遮断反射镜50和51之间的光路;在用虚线表示的工作方式中，屏幕53遮断反射镜49和52之间的光路。在现在讨论的情况下，照片35的图象沿着光路56，经由透镜57、棱镜58、半透明反射镜52、棱镜61和五棱镜62，最后到达左目镜39。

照片36的图象连同测量标志43一起，沿着光路63，经由棱镜47、透镜64，穿过半透明反射镜49，被反射镜50所反射，穿过半透明反射镜51和道威棱镜59，最后到达右目镜40。

照片35上的侧线55及其对应的测量标志42具有固定的位置;而照片36和37的侧线66和67连同对应的测量标志43和44，借助对应的滑动托架45和46各自都可移动。与图3中的工作台31相应，可以在x方向调节托架45和46的位置。一些必要的调节工具，如图3中的调整螺杆54，在图4中未画出。把棱镜47和48安装在滑动托架45和46上，以使测量标志43和44可以在 x方向移动。

由上所述可以明白：仅仅通过立体观测系统38的光学开关，特别是通过将棱镜58以及不透明屏幕53的位置旋转180°，就可实现从一个立体象对35、37到另一立体象对35、36的变换。

在讨论了图3的实施例之后，不再给出图4的实施例的原理性描述。以下事实是清楚的：为测量有关立体象对的相对视差P，要在x方向调整侧线66、67。

与图4相应的设备34是按以下方式设计的：对于左边图像和右边图像，其图像转换次数是相同的。

还考虑了以下问题：在由一个立体象对转换到另一个立体象对时，同一象对的两张照片的相互位置总是相同的;换言之，例如在本实施例中，右边照片总是出现在左边目镜中，而左边照片总是出现在右边目镜中。这样，就避免使用人员接收到假的立体信息，由于这种假的立体信息，使用人员会把高处看成深处或者反过来。

最后，图5表示穿过中间照片35、侧线55、半透明反射镜41和测量标志42的横截面。把眼睛68象征性地作为立体观测系统38的有关部份。

最后，为完整性起见，我们再次指出：中间照片35分别与其他两张照片36、37部分地重叠;通过在两对各自的立体像对35、37以及35、36之间的转换，将不可能产生连接误差，从而可完美地处理和使中间照片35成图。

Claims

1、一从所述目标照片(例如地球表面的航摄照片)的至少一组立体象对中提取三维定量信息的设备，所述设备包括：

用于支承上述照片的支承装置，所述支承装置可按予先选择的自由度移动，

用于测定上述支承装置相对于一个予先选择的坐标系统的位置坐标和角度坐标的测量装置，

一个立体象观察系统，装有一个可调装置，用于测定上述立体象对的单张照片上相应图像的位置坐标之间的差值，通过这样的方式，使用者能对立体象对的每个点提取所需要的三维信息，其特征在于：

所述支承装置只有一块平的支承板，用于把照片的立体象对支承在一个平面上，所述支承板在所述的平面上可相对于测量装置由使用者自由地移动，并适合于使相关的照片相对于上述支承板保持在予先选择的固定位置上。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：支承板与各有一根固定测量线的三个线性测量装置相联，所述测量线中的两根是相互平行的（ y₁， y₂），其间距离为D，而第三根测量线（ x）与上述第一和第二根测量线垂直。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于：上述每个线性测量装置与支承板的两条垂直边之间为点接触。

4、根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于：支承板上装有用于与照片边上所打的孔连接的装置。

5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：两张或多张照片的对应重叠部分共同被定位于一张照片固定板或其它支撑件上，以确保这些重叠部分的相互位置固定。

6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：立体照片观察系统至少包括两条瞄准线，其中一条是固定的，另外的每一条只能沿 x方向移动。

7、根据权利要求2或6所述的设备，其特征在于：固定的瞄准线贯穿线性测量装置的两条测量线的交点。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于：支承板与一个依靠平行导向系统来测定支承板角度位置的可调节装置相联。