CN105241422A - 一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法。该发明是针对无标记情况，利用任意摄影测量技术，在待测区附近选取两个观测点，用定焦相机对待测目标物进行近水平正直摄影，获取立体像对，然后利用共线方程数学模型和同名6个以上像点解算出相机的相对外方位元素；在待测目标物附近竖直放置两根定长花杆，分别在两观测点摄影之后，通过定长花杆长度解算出杆端点物方坐标，然后利用数学模型和点坐标，求算出相机的相对外方位元素；在待测目标物附近竖直放置一根定长花杆，然后在摄影像片内已知3个以上的已知点，利用定长花杆的长度和3个已知点，求算出相机摄影时的相对外方位元素。

Description

一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法

一、技术领域

本发明涉及一种相对外方位元素的测定方法，特别是一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法。

二、技术背景

随着摄影测量的快速发展和应用领域的不断延伸，越来越多的问题涉及到了摄影测量的解算，而外方位元素的确定又是摄影测量解算的关键，在目前摄影测量的应用中，求算外方位元素一直是一个复杂的问题，其中存在的不足和局限性也较为明显，为摄影测量后处理带来了很大的麻烦与不便：

①外方位元素随着摄影相机位置和姿态的变化而不同，在摄影测量解算时较难确定摄影时相机的外方位元素。

②当摄影测量外方位元素较难确定时，往往采用假定或预先设定的方式来确定外方位元素。

因此，目前采用非量测相机进行摄影测量时，存在着很大的不足和局限性，特别是相机摄影时的外方位元素难以确定给摄影测量带来了较大的麻烦。

三、发明内容

为了克服现有摄影测量在确定外方位元素时的不足和局限性，更大程度和更广范围应用摄影测量技术，本发明的目的就是提供一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法。

本发明的目的是这样实现的：

针对无标记情况，利用任意摄影测量技术，在待测区附近选取两个观测点，用定焦相机对待测目标物进行近水平正直摄影，获取立体像对，然后利用共线方程数学模型和同名6个以上像点解算出相机的相对外方位元素；

在待测区选定两个观测点后，在待测目标物附近竖直放置两根定长花杆，分别在两观测点摄影之后，通过定长花杆长度解算出杆端点物方坐标，然后利用数学模型和点坐标，求算出相机的相对外方位元素；

在待测区选定两个观测点，在待测目标物附近竖直放置一根定长花杆，然后在摄影像片内已知3个以上的已知点，利用定长花杆的长度和3个已知点，求算出相机摄影时的相对外方位元素。

本项发明具有以下优点：

①在摄影测量时，无需额外仪器测定，可以很确定出相机摄影时的相对外方位元素；

②对任意地形、地物进行摄影，操作简便，只需从摄影像片上后续换算，就能确定出相机摄影时的相对外方位元素。

四、附图说明：

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1为任意摄影像对测定相对外方位元素的原理示意图；

图2为外加两根定长花杆后像对测定相对外方位元素的原理示意图；

图3为外加一根定长花杆和特征点后像对测定相对外方位元素的原理示意图。

五、具体实施方式：

利用无已知控制点进行像对相对外方位元素测定，无论在理论还是操作上，都有了较大的改进，提供了一种新相机外方位元素测定的理论和方法，具体是：

1)(1)如图1所示，在待测区地面选定S1、S2两观测点，分别用相机对待测目标物进行正直摄影，保证待测目标物清晰地成像在摄影像片上，以此获得所需立体像对；

(2)以其中一张像片为基准，即旋转矩阵R＝E，利用数学模型① $\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right)={\mathrm{\λ}}_i{R}_i\left(\begin{array}{c}{u}_i\\ f\\ v_i\end{array}\right)$ 和数学模型② $\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right)+{{\mathrm{\λ}}_i}^{\′}{R_i}^{\′}\left(\begin{array}{c}{u_i}^{\′}\\ f\\ {v_i}^{\′}\end{array}\right)$ 分别建立待测目标物立体像对的模型方程，其中，(X_i，Y_i，Z_i)为空间任意一点的物方坐标，λ_i、λ_i′为缩放系数，R_i、R_i′为由三个欧拉角定义的旋转矩阵，(u_i，f，v_i)、(u_i′，f，v_i′)为内方位元素值，(ΔX，ΔY，ΔZ)为坐标增量，通过两模型联立，建立求解外方位元素的数学模型③其中，k_i、k_i′为缩放系数(k_i＝λ_i/λ_i′，k_i′＝1/λ_i′)，R_ufv是关于u_i′、f、v_i′的矩阵 $(R_{ufv}=\left(\begin{array}{ccc}-{v_i}^{\′}& 0& -f\\ 0& -f& {u_i}^{\′}\\ {u_i}^{\′}& {v_i}^{\′}& 0\end{array}\right));$

(3)利用像片中6个以上同名像点代入数模③，即可解算确定出相机6个相对外方位元素值。

2)(1)如图2所以，在待测区的待测目标物附近分别立两根定长为1的竖直花杆，两杆底位置分别为A、B，并在待测区远处选定S1、S2两观测点；

(2)在S1、S2两观测点分别架设相机，严格整平，对待测目标物进行正直摄影，保证待测目标物清晰地成像在像片内，获取待测目标物的立体像对；

(3)以其中S1观测点为坐标原点，已知两根定长花杆长均为1，利用数学模型④和数学模型⑤ $\left\{\begin{array}{c}{X}_p=\frac{Y_p}{f}\·u_p\\ Y_p=\frac{f}{{\mathrm{\Δv}}_p}\·l\\ Z_p=\frac{Y_p}{f}\·v_p\end{array}\right.,$ 其中，(X_i，Y_i，Z_i)为任意点在S1坐标系中的物方坐标，(u_i，v_i)为任意点在S1坐标系中的像方坐标，(X_p，Y_p，Z_p)为竖直杆底端的物方坐标(p＝A，B)，f定焦相机的焦距，(u_p，v_p)为杆底端点在S1坐标系中的像方坐标，Δv_p为竖直杆在像片中的长度，l为竖直杆的实际长度，解算出A、B点在S1坐标系中的物方坐标；

(4)同样的方法，在S2点解算出A、B点在S2坐标系中的物方坐标，利用数学模型⑥其中，(X_i，Y_i，Z_i)为任意点在S1坐标系中的物方坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)为外方位线量元素，(X′_i，Y′_i，Z′_i)为任意点在S2坐标系中的物方坐标(ω，κ)为外方位角量元素，结合解算出的两杆端点的四个点坐标，确定出相机的相对外方位元素值；

3)(1)如图3所示，在待测区域的待测目标物附近竖直放置一根定长为1的花杆，并在待测区选定3点以上的已知点；

(2)选定S1、S2两观测点，架设相机，严格整平，对待测目标物进行正直摄影，保证已知点均成像在像片内，获取立体像对；

(3)利用数学模型④和⑤，通过竖直定长花杆长度值1，解算出花杆顶端和顶端的物方坐标；

(4)利用数学模型⑥，通过已知点3点坐标和解算出的杆端点坐标，确定出相机的相对外方位元素值。

Claims (3)

1.一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法，其特征是：(1)在待测区地面选定S₁、S₂两观测点，分别用相机对待测目标物进行正直摄影，保证待测目标物清晰地成像在摄影像片上，以此获得所需立体像对；(2)以其中一张像片为基准，即旋转矩阵R＝E，利用数学模型① $\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right)={\mathrm{\λ}}_i{R}_i\left(\begin{array}{c}{u}_i\\ f\\ v_i\end{array}\right)$ 和数学模型② $\left(\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right)+{{\mathrm{\λ}}_i}^{\′}{R_i}^{\′}\left(\begin{array}{c}{u_i}^{\′}\\ f\\ {v_i}^{\′}\end{array}\right)$ 分别建立待测目标物立体像对的模型方程，其中，为空间任意一点的物方坐标，λ_i、λ_i′为缩放系数，R_i、R_i′为由三个欧拉角定义的旋转矩阵，(u_i，f，v_i)、(u_i′，f，v_i′)为内方位元素值，(ΔX，ΔY，ΔZ)为坐标增量，通过两模型联立，建立求解外方位元素的数学模型③其中，k_i、k_i′为缩放系数R_ufv是关于u_i′、f、v_i′的矩阵 $(R_{ufv}=\left(\begin{array}{ccc}-{v_i}^{\′}& 0& -f\\ 0& -f& {u_i}^{\′}\\ {u_i}^{\′}& {v_i}^{\′}& 0\end{array}\right));$ (3)利用像片中6个以上同名像点代入数模③，即可解算确定出相机6个相对外方位元素值。

2.依据权利要求1一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法，其特征是：(1)在待测区的待测目标物附近分别立两根定长为l的竖直花杆，两杆底位置分别为A、B，并在待测区远处选定S₁、S₂两观测点；(2)在S₁、S₂两观测点分别架设相机，严格整平，对待测目标物进行正直摄影，保证待测目标物清晰地成像在像片内，获取待测目标物的立体像对；(3)以其中S1观测点为坐标原点，已知两根定长花杆长均为l，利用数学模型④和数学模型⑤ $\left\{\begin{array}{c}{X}_p=\frac{Y_p}{f}\·u_p\\ Y_p=\frac{f}{{\mathrm{\Δv}}_p}\·l\\ Z_p=\frac{Y_p}{f}\·v_p\end{array}\right.,$ 其中，(X_i，Y_i，Z_i)为任意点在S₁坐标系中的物方坐标，(u_i，v_i)为任意点在S₁坐标系中的像方坐标，(X_p，Y_p，Z_p)为竖直杆底端的物方坐标(p＝A，B)，f定焦相机的焦距，(u_p，v_p)为杆底端点在S_l坐标系中的像方坐标，Δv_p为竖直杆在像片中的长度，l为竖直杆的实际长度，解算出A、B点在S₁坐标系中的物方坐标；(4)同样的方法，在S₂点解算出A、B点在S₂坐标系中的物方坐标，利用数学模型⑥其中，(X_i，Y_i，Z_i)为任意点在S₁坐标系中的物方坐标，(ΔX，ΔY，ΔZ)为外方位线量元素，(X′_i，Y′_i，Z′_i)为任意点在S₂坐标系中的物方坐标，为外方位角量元素，结合解算出的两杆端点的四个点坐标，确定出相机的相对外方位元素值。

3.依据权利要求1一种无已知像控点的地面任意摄影像对相对外方位元素的测定方法，其特征是：(1)在待测区域的待测目标物附近竖直放置一根定长为l的花杆，并在待测区选定3点以上的已知点；(2)选定S₁、S₂两观测点，架设相机，严格整平，对待测目标物进行正直摄影，保证已知点均成像在像片内，获取立体像对；(3)利用数学模型④和⑤，通过竖直定长花杆长度值l，解算出花杆顶端和顶端的物方坐标；(4)利用数学模型⑥，通过已知点3点坐标和解算出的杆端点坐标，确定出相机的相对外方位元素值。