于數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測(cè)量技術(shù)研究

1、東北大學(xué)博士學(xué)位論文 獨(dú)創(chuàng)聲明 獨(dú)創(chuàng)聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示誠(chéng)摯的謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽 字 日 期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。（如作者和導(dǎo)師同

2、意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻悍駝t視為不同意）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo) 師 簽 名：簽 字 日 期： 簽 字 日 期：- I -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 基于數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測(cè)量技術(shù)研究關(guān)鍵詞：摘 要 - II -東北大學(xué)博士學(xué)位論文Key words： Abstract Camera Based Abstract - III -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 目 錄獨(dú)創(chuàng)聲明 . I 摘 要 . II Abstract. III 目 錄 . IV第一章 緒論 . 11.1 引言 . 11.2 近景攝影測(cè)量的起源和發(fā)展 . 21.3 近景攝影測(cè)量的應(yīng)用 . 41.4 數(shù)字近景攝影測(cè)量的現(xiàn)狀及本文研

3、究的主要內(nèi)容 . 9第二章 近景攝影測(cè)量的基礎(chǔ)理論 . 122.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與坐標(biāo)變換 . 122.1.1 世界坐標(biāo)系 . 122.1.2 攝象機(jī)坐標(biāo)系 . 122.1.3 圖象坐標(biāo)系 . 122.1.4 像素陣列坐標(biāo)系 . 122.1.5 歸一化坐標(biāo)系 . 132.1.6 坐標(biāo)變換 . 132.2 攝象機(jī)模型 . 132.2.1 針孔模型和透視投影 . 142.2.2 攝象機(jī)外參數(shù) . 152.2.3 攝象機(jī)內(nèi)參數(shù)和歸一化攝象機(jī) . 162.2.4 攝象機(jī)模型 . 182.3 空間點(diǎn)的三維重構(gòu) . 18第三章 數(shù)碼相機(jī)及其標(biāo)定 . 213.1 數(shù)碼相機(jī) . 21- IV -東北大學(xué)博士學(xué)位論

4、文 目 錄 3.1.1 數(shù)碼相機(jī)的工作原理 . 213.1.2 數(shù)碼相機(jī)的性能指標(biāo) . 213.1.3 數(shù)碼相機(jī)的鏡頭 . 223.1.4 數(shù)碼相機(jī)鏡頭的特點(diǎn) . 233.1.5 數(shù)碼相機(jī)鏡頭的類(lèi)型 . 283.1.6 數(shù)碼相機(jī)選擇的標(biāo)準(zhǔn) . 283.2 攝像機(jī)定標(biāo)基本方法 . 293.3 基于二維棋盤(pán)狀參照物的定標(biāo)原理 . 31第四章 自動(dòng)標(biāo)定計(jì)算 . 344.1 引言 . 344.2 棋盤(pán)格模板內(nèi)部角點(diǎn)的特征分析 . 354.3 棋盤(pán)格模板內(nèi)部角點(diǎn)的識(shí)別 . 364.3.1 棋盤(pán)格模板圖像角點(diǎn)的檢測(cè) . 364.3.2 棋盤(pán)格模板黑白方格交點(diǎn)的識(shí)別 . 374.3.3 棋盤(pán)格模板柵格線交點(diǎn)

5、的識(shí)別 . 394.4 棋盤(pán)格模板內(nèi)部角點(diǎn)的定位 . 414.4.1 內(nèi)部角點(diǎn)陣列的確定 . 414.4.2 棋盤(pán)格模板參考坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)的確定 . 424.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 . 444.6 結(jié)論 . 46第五章 近景攝影測(cè)量中的攝影技術(shù)與方法 . 485.1 攝影技術(shù) . 485.1.1 視場(chǎng) (f.o.v) . 485.1.2 聚焦 . 495.1.3 曝光 . 495.2 測(cè)量原理攝影測(cè)量的第二核心部分（攝影測(cè)量過(guò)程） . 495.2.1 三角測(cè)量法 . 50- V -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 5.2.2 后方交會(huì) . 515.2.3 自我標(biāo)定 . 515.2.4 成組調(diào)整（前方交會(huì)

6、） . 525.2.5 影響測(cè)量精度的因素分析 . 535.2.6 確定攝影測(cè)量的比例 . 545.3 攝影測(cè)量過(guò)程（步驟） . 555.3.1 制定測(cè)量計(jì)劃 . 555.3.2 定義物體空間坐標(biāo)系統(tǒng) . 565.4 攝影測(cè)量方法 . 565.4.1 測(cè)量方法的分類(lèi) . 565.4.2 制訂不同類(lèi)型的測(cè)量方案 . 59第六章 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的確定 . 706.1 引言 . 706.2 雙目立體視覺(jué)中的極線約束 . 716.3 匹配算法 . 736.4 匹配方案的決策性討論 . 78第七章 精度與誤差分析 . 827.1 影響精度的主要因素 . 827.2 誤差仿真分析 . 837.2.1 計(jì)算機(jī)仿真模

7、型的建立 . 847.2.2 仿真分析 . 847.2.3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果 . 857.3 提高精度的措施 . 93第八章 雙目數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng) . 958.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 . 958.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 . 958.3 系統(tǒng)的主要功能 . 95- VI -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 目 錄 8.3.1 攝象機(jī)標(biāo)定 . 978.3.2 雙目結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定 . 998.3.3 目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算 . 1018.3.4 其它功能 . 103第九章 總結(jié)與展望 . 104 參考文獻(xiàn) . 105 致謝 . 106- VII -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 第1章 緒論1.1 引言攝影測(cè)量可以在不

8、接觸被測(cè)對(duì)象的情況下，瞬間獲取被測(cè)對(duì)象的高密度信息，有著其它測(cè)量方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。非接觸測(cè)量對(duì)被測(cè)物體不用加以任何干擾限制，因此可以獨(dú)立地、客觀地對(duì)被測(cè)物進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的測(cè)量。這使得許多不能在被測(cè)物上附加傳感器的測(cè)量成為可能，而且更客觀和直觀。攝影測(cè)量可從不同角度進(jìn)行分類(lèi)。按攝影距離的遠(yuǎn)近分，可分為航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地面攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量和顯微攝影測(cè)量。按處理的技術(shù)手段分，有模擬法攝影測(cè)量、解析法攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。按用途分類(lèi)，有地形攝影測(cè)量與非地形攝影測(cè)量。地形攝影測(cè)量主要用于測(cè)繪國(guó)家基本地形圖，工程勘察設(shè)計(jì)和城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地等部門(mén)的規(guī)劃與資源調(diào)查用圖和相應(yīng)的數(shù)據(jù)

9、庫(kù)；非地形鑷影測(cè)量用于解決資源調(diào)查、變形觀測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵察、彈道軌跡測(cè)量、爆破以及工業(yè)、建筑、考古、地質(zhì)工程、生物醫(yī)學(xué)等方面的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。傳統(tǒng)攝影測(cè)量中，信息源是一幅圖像或圖像序列，其記錄介質(zhì)主要是各種感光膠片，包括靜態(tài)測(cè)量的照相底片和動(dòng)態(tài)測(cè)量的各種規(guī)格的電影膠片。以往對(duì)攝影圖像主要是由人工進(jìn)行處理。例如直接在照片上使用直尺、腳規(guī)等工具進(jìn)行測(cè)量，或用投影儀將膠片放大到屏幕上再對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判讀測(cè)量。這種采用人工判讀處理的方式，不但需要專門(mén)的判讀設(shè)備，而且耗時(shí)費(fèi)力，易出錯(cuò)，精度低，從而限制了攝影測(cè)量的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，攝影測(cè)量已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代。數(shù)碼影像因其便于計(jì)算機(jī)處

10、理、存儲(chǔ)和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用，數(shù)字圖像或數(shù)字圖像序列取代傳統(tǒng)的底片和膠片已經(jīng)成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理分析技術(shù)對(duì)攝影圖像進(jìn)行處理和分析就形成了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)使得攝影測(cè)量方法有了質(zhì)的飛躍，增強(qiáng)了攝影測(cè)量的手段，擴(kuò)大了攝影測(cè)量的應(yīng)用范圍，有效提高了測(cè)量精度。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)相比有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：（1）提高圖像的質(zhì)量。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行各種處理，如圖像- 1 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 增強(qiáng)、邊緣銳化、濾除噪聲等。（2）提高測(cè)量的精度。利用提高攝像機(jī)、掃描儀等圖像采集設(shè)備的硬件分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭放大倍數(shù)等方法，

11、使獲得的圖像目標(biāo)點(diǎn)比傳統(tǒng)方法更多、更精確。同時(shí)利用各種圖像目標(biāo)模式定位方法，特別是亞像素定位技術(shù)，可以明顯地提高圖像目標(biāo)的定位精度。（3）可測(cè)量傳統(tǒng)方法不易測(cè)量的物理量。許多肉眼無(wú)法分辨的物理量，如干涉條紋的亮度變化量，某異形區(qū)域的面積，某連續(xù)變化的亮度場(chǎng)、色彩場(chǎng)、條紋方位場(chǎng)等，都可以利用數(shù)字圖像處理分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。（4）對(duì)成象系統(tǒng)的高精度標(biāo)定和誤差修正。（5）自動(dòng)化程度高。隨著數(shù)碼相機(jī)的廣泛應(yīng)用，其性能越來(lái)越高、價(jià)格越來(lái)越低，數(shù)碼相機(jī)在攝影測(cè)量的應(yīng)用將是攝影測(cè)量發(fā)展的必然趨勢(shì)。1.2 近景攝影測(cè)量的起源和發(fā)展攝影的像就是物體在底片平面上的中心投影或物體的透視成像。透視成像方法早在遠(yuǎn)古時(shí)候

12、就被發(fā)現(xiàn)，不過(guò)當(dāng)時(shí)還是以幾何學(xué)為基礎(chǔ)的。比較詳細(xì)闡明這一透視成像的幾何原理是學(xué)者廉翁獨(dú)大維契(1452-1519年)。1839年達(dá)蔡爾發(fā)明了攝影學(xué)，隨之在1858年由巴黎攝影師納達(dá)首先從空中對(duì)地面進(jìn)行了攝影試驗(yàn)。十九世紀(jì)中，法國(guó)人Laussedat研究應(yīng)用量測(cè)相機(jī)拍攝地面像片來(lái)繪制地形圖。1901年德國(guó)的Pulfrich和1903年南非的Fourcado分別研究并制出了立體坐標(biāo)量測(cè)儀，發(fā)展為地面立體攝影測(cè)量。1838年Wheatstne發(fā)明了立體鏡。到1907年Jena Zeiss廠設(shè)計(jì)了第一臺(tái)立體自動(dòng)測(cè)圖儀，使測(cè)圖方法得到進(jìn)一步完善。地面立體攝影測(cè)量與平板儀測(cè)圖相比，成圖質(zhì)量高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

13、許多部門(mén)對(duì)小范圍山地和山區(qū)中局部陡峭的地段，仍然在應(yīng)用地面立體攝影測(cè)量測(cè)制地形圖。只是在1911年發(fā)明飛機(jī)以后，航空攝影測(cè)量方法得到迅速的發(fā)展。航空攝影測(cè)量早己成為世界各國(guó)測(cè)繪地形圖的主要方法，這種方法在二十世紀(jì)初，由于受到攝影條件和儀器精度的限制，一般僅用于在中、小比例尺(1: 10萬(wàn)一1: 2.5萬(wàn))的地形圖測(cè)繪上。直到- 2 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 六十年代，各種精密立體測(cè)圖儀的大量出現(xiàn)，攝影測(cè)量就被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各種大比例尺測(cè)圖工作中。自1957年U.Helava發(fā)表“攝影測(cè)量測(cè)圖儀的新原理”，首次提出解析測(cè)圖儀的設(shè)計(jì)思想以來(lái)，到目前已出現(xiàn)十幾種解析測(cè)圖儀。隨著電子

14、計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，解析測(cè)圖儀也已發(fā)展到自動(dòng)化的解析測(cè)圖儀。近年來(lái)攝影像片數(shù)字化有了很大的發(fā)展，主要是攝影像片影像(密度)變成數(shù)字或是把大量像點(diǎn)坐標(biāo)記錄下來(lái)，然后用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，自動(dòng)繪制等高線，用繪圖儀繪成線劃圖或是直接用數(shù)字形式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，這就是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。攝影測(cè)量從七十年起，由于科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，使它完全突破了測(cè)繪地形圖的范圍，因而發(fā)展出來(lái)一個(gè)新的分支非地形攝影測(cè)量或稱為近景攝影測(cè)量，其實(shí)質(zhì)就是攝影測(cè)量在各個(gè)學(xué)科中的應(yīng)用。近景攝影測(cè)量最早是在建筑上應(yīng)用。就建筑攝影測(cè)量的任務(wù)而言，不只是記錄建筑物和紀(jì)念碑，還要考慮到損壞后的重建工作，以及測(cè)定其變形等工作。目前，全世界在建筑學(xué)上已廣

15、泛應(yīng)用近景攝影測(cè)量。直到第一次世界大戰(zhàn)，近景攝影測(cè)量的發(fā)展幾乎和攝影測(cè)量的發(fā)展是一樣的。二者都是從地面站拍攝像片，使用的方法和儀器也相同。到1920年攝影測(cè)量己經(jīng)主要使用航空像片了。同時(shí)為使用航空像片而發(fā)展了立體測(cè)圖儀器，這些儀器是用光學(xué)、機(jī)械辦法來(lái)恢復(fù)被攝地區(qū)的立體模型。這些儀器主要用于測(cè)制地形圖，而有些儀器的設(shè)計(jì)也可適用于地面攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量。從1920年到1960年期間，發(fā)展了使用固定基線的立體量測(cè)相機(jī)，這種相機(jī)的測(cè)圖系統(tǒng)能用于建筑、考古、工程、采礦和事故等方面，這些都是近景攝影測(cè)量的重要發(fā)展。當(dāng)時(shí)近景攝影測(cè)量所使用的模擬儀器主要有三種類(lèi)型:(1) 專為近景攝影測(cè)量所設(shè)計(jì)的正直攝影

16、測(cè)圖儀；(2) 兼用于航空攝影和地面攝影的全能型儀器，這種儀器具有相當(dāng)大的傾斜范圍、景深、主距和基線安置范圍；(3) 專為航空攝影測(cè)圖所設(shè)計(jì)的全能型儀器，使用垂直和近似垂直航攝像片，但有時(shí)也可用來(lái)進(jìn)行近景攝影測(cè)量。由于電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及高精度立體(平面)坐標(biāo)儀的生產(chǎn)，因而使解析法- 3 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 得到應(yīng)用，人們認(rèn)真研究了解析空中三角測(cè)量，進(jìn)行電算加密，不但提高了加密點(diǎn)的精度，同時(shí)也減輕了野外體力勞動(dòng)。這是航空攝影測(cè)量的重大發(fā)展。為提高地面攝影測(cè)量的精度，以適應(yīng)非地形攝影測(cè)量日益廣泛的應(yīng)用需要，人們己將空中解析三角測(cè)量的基本原理應(yīng)用到地面攝影測(cè)量中，亦即所謂解析

17、地面攝影測(cè)量。70年代初己進(jìn)一步發(fā)展到直接線性變換DLT的解算方法，使近景攝影測(cè)量的應(yīng)用有了更大的靈活性，并在實(shí)際應(yīng)用中己取得了令人滿意的成果。為解決活動(dòng)目標(biāo)及快速變化物體的有關(guān)問(wèn)題，儀器制造也有了新的發(fā)展，其特點(diǎn)是：兩部攝影機(jī)快門(mén)的同步化并能自動(dòng)連續(xù)拍攝以及帶有時(shí)標(biāo)的高速攝影機(jī)等。實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重大發(fā)展，不但使用量測(cè)攝影機(jī)(即有框標(biāo)與定向設(shè)備)，而且已廣泛使用非量測(cè)攝影機(jī)，亦即所謂的普通業(yè)余照相機(jī)，普通業(yè)余照相機(jī)不但價(jià)錢(qián)便宜，而且具有較大的靈活性。特別是數(shù)字相機(jī)的出現(xiàn)，以及其精度的不斷提高和價(jià)格的不斷降低，使得數(shù)字近景攝影測(cè)量在實(shí)際中得到廣泛地應(yīng)用。1.3 近景攝影測(cè)量的應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展迅速

18、的非地形攝影測(cè)量就是為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的需要，由地面攝影測(cè)量而發(fā)展起來(lái)的。目前己經(jīng)在許多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用非地形攝影測(cè)量的方法解決某些特定的問(wèn)題。例如在一些科學(xué)技術(shù)工作中，往往要知道所研究對(duì)象的變化規(guī)律或變化軌跡，非地形攝影測(cè)量不但能測(cè)量目標(biāo)物的位置、形狀、大小，而且可以得到更多標(biāo)量，例如面積、周長(zhǎng)、重心、容積、角度和不均勻度、并能測(cè)得速度、加速度和變形時(shí)間等研究其三維或四維的空間變化。在這方面，非地形攝影測(cè)量是一種高速、精確甚至有時(shí)無(wú)法用其它途徑所能取代的量測(cè)方法。近景攝影測(cè)量可采用構(gòu)成影像數(shù)學(xué)模型的中心投影光束，也可采用掃描確定影像(方向和距離)的平行投影和其他投影方式等，其傳感系統(tǒng)不單使用

19、照相機(jī)和軟片，也可使用X射線，掃描和電傳輸顯微鏡或帶有模擬數(shù)字輸出的光電二極管。近景攝影測(cè)量應(yīng)用范圍很廣，如變形攝影測(cè)量、建筑攝影測(cè)量、工程攝影測(cè)量、工業(yè)攝影測(cè)量、考古攝影測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量、水中攝影測(cè)量、事故攝影測(cè)量、波浪攝影測(cè)量以及特殊攝影測(cè)量等。以下就近景攝影測(cè)量在許多方面應(yīng)用情況進(jìn)行介- 4 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 紹和總結(jié):(一) 變形攝影測(cè)量用近景攝影測(cè)量方法量測(cè)物體的變形，主要是確定在像片上被測(cè)求點(diǎn)的坐標(biāo)與其實(shí)際的坐標(biāo)的較差(或與設(shè)計(jì)的已知數(shù)據(jù)比較)，從而確定某個(gè)方向的變形，或確定幾個(gè)方向的變形。例如用近景攝影測(cè)量方法觀測(cè)高層建筑物的變形。高層建筑物變形觀測(cè)工作

20、是工程測(cè)量的一個(gè)重要工作。由于高層建筑(如高層大樓、高煙囪、高塔、大油罐、冷卻塔等)用傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法作業(yè)比較困難，而要測(cè)定各個(gè)部位的變形情況，應(yīng)用近景攝影測(cè)量方法就比較有利，許多國(guó)家近年來(lái)在這方面做了不少研究工作，并己取得不少實(shí)際成果。例如西德Darmstadt工程院發(fā)表了他們對(duì)高142m的43層大樓進(jìn)行變形觀測(cè)的研究成果。采用了大地測(cè)量和攝影測(cè)量綜合測(cè)定點(diǎn)位的方案。使用的攝影機(jī)是Wild BC4型彈導(dǎo)攝影機(jī)，焦距為45cm，像幅為17X 17cm。在六個(gè)攝站對(duì)該建筑物各個(gè)方向進(jìn)行了測(cè)定，攝影距離在120-180m之間，其中二個(gè)攝站在屋頂上?？刂泣c(diǎn)測(cè)量使用的是AGA710激光電子速測(cè)儀及N

21、it水準(zhǔn)儀，內(nèi)業(yè)量測(cè)儀器為精密立體坐標(biāo)量測(cè)儀PSK-2，大地測(cè)量與攝影測(cè)量的計(jì)算工作均在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。近景攝影測(cè)量是用光束法進(jìn)行計(jì)算的。最后成果表明，近景攝影測(cè)量方法達(dá)到了應(yīng)用高精度大地測(cè)量方法的精度。前蘇聯(lián)在“高教通訊”上發(fā)表了關(guān)于“用立體攝影測(cè)量方法測(cè)定高層建筑的傾斜”。他們用攝影經(jīng)緯儀，9/1318對(duì)煙囪的傾斜進(jìn)行了測(cè)定。用該法可以達(dá)到施工規(guī)范中對(duì)傾斜與煙囪高度比所規(guī)定的要求，即相對(duì)誤差1/16000。東德Freiberg礦山研究所發(fā)表了對(duì)某露天煤礦運(yùn)輸橋在負(fù)載情況下進(jìn)行變形研究的報(bào)告。使用的攝影機(jī)為UMK10/1918和19/1318攝影經(jīng)緯儀，內(nèi)業(yè)量測(cè)為立體坐標(biāo)量測(cè)儀1818。用視差

22、變形的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。在不同負(fù)載的情況下，研究了橋的各個(gè)支點(diǎn)及各個(gè)部位的變形情況(主要是垂直變形)，平均精度在士1cm以內(nèi)。(二) 建筑攝影測(cè)量的情況近景攝影測(cè)量在建筑業(yè)上是最早得到使用的，甚至就連“攝影測(cè)量”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，也是早在1867年由一位建筑師阿爾布雷特邁登鮑埃爾AlbrechtMeydenbauer)命名- 5 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 的。目前近景攝影測(cè)量在建筑方面的應(yīng)用極其廣泛，包括歷史紀(jì)念物測(cè)量、考古測(cè)量和歷史遺址的測(cè)量。測(cè)量任務(wù)不只是記錄建筑物和紀(jì)念碑，還能考慮建筑物損壞后的重建工作，以及量測(cè)、變遷、變形和修復(fù)工作等等。在一些國(guó)家對(duì)古跡建筑物，如教堂、宮殿、廟宇等

23、古代建筑物，用地面立體攝影測(cè)量方法進(jìn)行藝術(shù)研究與修復(fù)工作。如柏林博物館應(yīng)用地面立體攝影測(cè)量方法來(lái)復(fù)制某些有價(jià)值的藝術(shù)品，英國(guó)對(duì)愛(ài)丁堡城北部的懸崖也用地面立體攝影測(cè)量來(lái)確定破壞地段的加固工程。對(duì)被測(cè)物的精度要求不高時(shí)，可用快速簡(jiǎn)易攝影測(cè)量，進(jìn)行歷史紀(jì)念物的初步研究，以供修復(fù)或重建、提供修復(fù)方案、對(duì)歷史紀(jì)念物的資料編目工作以及對(duì)藝術(shù)歷史的研究。一般僅用立體攝影機(jī)或者其他小像幅相機(jī)進(jìn)行攝影，在立體測(cè)圖儀上測(cè)圖，制圖比例尺一般選在1:100左右。用于提供珍貴建筑遺產(chǎn)或珍貴建筑傳統(tǒng)詳盡而系統(tǒng)的資料，可用精確完整的測(cè)量。測(cè)圖比例尺一般選在1: 50左右，對(duì)細(xì)部則采用1: 20或1: 10的比例尺。這類(lèi)工作

24、最好采用長(zhǎng)焦距大像幅量測(cè)用攝影機(jī)，以滿足精度要求。對(duì)各類(lèi)歷史建筑物結(jié)構(gòu)上的技術(shù)履歷則用精密攝影測(cè)量，用一級(jí)立體測(cè)圖儀處理像片資料，研究紀(jì)念物的結(jié)構(gòu)線條，提出保護(hù)和修復(fù)紀(jì)念物的條件和需要。前不久我國(guó)也開(kāi)展了采用數(shù)字近景攝影測(cè)量進(jìn)行莫高窟壁畫(huà)的保護(hù)測(cè)量。(三) 工程攝影測(cè)量的情況隨著各國(guó)測(cè)繪工作的進(jìn)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大地測(cè)量工作比重有所下降，而地形測(cè)圖任務(wù)逐漸增加，特別是城市大比例尺測(cè)圖和工程上用的大比例尺測(cè)圖任務(wù)增加得很快。而攝影測(cè)量在工程上的應(yīng)用也逐年增多。目前攝影測(cè)量方法己成功地應(yīng)用于工程建筑物的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)階段的測(cè)量工作，包括廠房、高層建筑物、橋梁、水壩、隧道、礦山開(kāi)采

25、等各個(gè)方面。尤其是近年來(lái)用解析法可進(jìn)行精度要求高的變形觀測(cè)。根據(jù)像片可編制各種比例尺的廠址平面圖。應(yīng)用立體像對(duì)可繪制地形圖，供勘測(cè)設(shè)計(jì)之用。在建筑物施工過(guò)程中可檢查建筑物的裝配精度。在變形觀測(cè)中，應(yīng)用解析地面攝影測(cè)量精度可達(dá)1:10000-1:100000(相對(duì)于攝影距離而言)。利用近距離同步攝影測(cè)量方法，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各種建筑物的模型試驗(yàn)。- 6 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 目前越來(lái)越多的重要建筑物和設(shè)備的變形及位移，如橋梁、高樓、機(jī)器、水壩以及測(cè)定地形的運(yùn)動(dòng)、環(huán)境的其它參數(shù)等都采用攝影測(cè)量方法。利用攝影像片可以進(jìn)行路線設(shè)計(jì)、水利工程設(shè)計(jì)、土地整理、林業(yè)建設(shè)，城市和鄉(xiāng)村(鎮(zhèn))的平

26、面規(guī)劃等工程攝影測(cè)量工作。在許多場(chǎng)合，尤其在建筑施工中可以用攝影測(cè)量的檢驗(yàn)代替大地測(cè)量的檢驗(yàn)。特別是對(duì)大批量以及難以接近的點(diǎn)位的檢驗(yàn)。(四) 工業(yè)攝影測(cè)量工業(yè)攝影測(cè)量的主要任務(wù)是研究攝影測(cè)量用于工業(yè)測(cè)量技術(shù)和開(kāi)辟攝影測(cè)量應(yīng)用的新領(lǐng)域。工業(yè)攝影測(cè)量范圍有:汽車(chē)制造、機(jī)械制造、冶金、船舶制造、飛機(jī)制造等，包括研究、規(guī)劃、生產(chǎn)、試驗(yàn)、監(jiān)視、修復(fù)等各個(gè)階段。例如在機(jī)械制造與金屬加工方面，可以利用近景攝影測(cè)量進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械零件的量測(cè)、離心泵的流程量測(cè)、震動(dòng)量測(cè)、質(zhì)量控制等；在汽車(chē)制造方面，例如車(chē)身模型尺寸的量測(cè)、試驗(yàn)事故中的變形觀測(cè)、側(cè)面風(fēng)力反作用的量測(cè)、汽車(chē)與障礙物碰撞后的特性量測(cè)、輪胎變形觀測(cè)等都可以

27、用近景攝影測(cè)量方法來(lái)解決。在船舶制造中，如超級(jí)油船的船體安裝、大型斷面維度與開(kāi)關(guān)的檢核、監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程、船內(nèi)管道圖形設(shè)計(jì)、不同制造階段的螺旋漿測(cè)量、模型試驗(yàn)中波形測(cè)量與定位等。(五) 在考古遺址方面的應(yīng)用在許多國(guó) 際會(huì)議上，經(jīng)常討論修復(fù)歷史古城的問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)教科文組織也選擇某些歷史古跡作為世界文化最寶貴和最有價(jià)值的遺產(chǎn)。應(yīng)用近景攝影測(cè)量方法對(duì)考古遺址進(jìn)行測(cè)繪，在世界各國(guó)都己取得了很好的效果。日本奈良國(guó)立文化遺產(chǎn)研究所，利用配有攝影機(jī)平臺(tái)的直升機(jī)或使用能升降很高專門(mén)設(shè)備的攝影機(jī)對(duì)考古遺址進(jìn)行了攝影，并使用攝影測(cè)量測(cè)量成圖方法測(cè)繪了發(fā)掘后的考古遺址圖，其比例尺分別為1:20, 1:50。波蘭古城 K

28、rakow城，需要對(duì)城內(nèi)的許多古跡進(jìn)行測(cè)繪。這項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)量工作是由110多名大地測(cè)量、攝影測(cè)量、建筑以及藝術(shù)史專家組成的工作組完成的。其中攝影測(cè)量工作占有很大的比例，約占全部工作量的50-60%左右.攝影測(cè)量常用于立面圖、斷面攝影圖、小建筑物裝修、內(nèi)部裝飾以及設(shè)備測(cè)量等，有時(shí)還測(cè)量垂直和水平投影- 7 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 的外部輪廓圖等。目前在很多國(guó)家或地區(qū)的歷史文物機(jī)構(gòu)都設(shè)立了自己的攝影測(cè)量部門(mén)。攝影測(cè)量在保護(hù)文物中的意義和必要性愈來(lái)愈被人們所了解。在國(guó)際建筑攝影測(cè)量委員會(huì)中就專門(mén)設(shè)立了一個(gè)國(guó)際古跡遺址委員會(huì)，它設(shè)在羅馬國(guó)際文物保管及修復(fù)研究中心。(六) 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

29、生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量主要包括用攝影測(cè)量方法研究生物結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)與非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如植物學(xué)、昆蟲(chóng)學(xué)等)內(nèi)的作業(yè)技術(shù)。生物、醫(yī)學(xué)立體攝影測(cè)量己經(jīng)成為國(guó)際攝影測(cè)量與遙感協(xié)會(huì)（ISPRS)第五委員會(huì)的一個(gè)重要課題。利用立體像對(duì)可以測(cè)定人體參數(shù)指標(biāo)，配合X射線成像可以更為合理地處理外科手術(shù)。利用立體像對(duì)能對(duì)眼底要素及其病理變化進(jìn)行分析，還能研究牙齒的排列與結(jié)構(gòu)以校正牙齒，利用X射線立體攝影測(cè)量還可以進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)及人體結(jié)構(gòu)病理變化的合理運(yùn)用，利用電子掃描顯微鏡拍攝立體像對(duì)測(cè)定人血球的體積。在外貌整容手術(shù)中可以充分利用近景攝影測(cè)量的成果。(七) 在海洋研究中的應(yīng)用海洋占全球面積的7096,蘊(yùn)藏著極度為豐富

30、的生物和礦產(chǎn)資源，各國(guó)對(duì)海洋測(cè)繪也越來(lái)越重視?，F(xiàn)代海洋測(cè)繪發(fā)展為三個(gè)方面，即常規(guī)海洋測(cè)繪、海洋工程測(cè)繪和海洋科學(xué)測(cè)繪。用攝影測(cè)量方法研究海底和海岸帶的問(wèn)題己在一些國(guó)家中開(kāi)展。如1970年美國(guó)成立了一個(gè)美洲攝影測(cè)量協(xié)會(huì)所屬的海底攝影委員會(huì)在進(jìn)行海底攝影時(shí)，由于光線穿過(guò)具有不同折射率的層體而產(chǎn)生折射，因而所攝圖像就偏離了中心投影，同時(shí)還要將測(cè)量?jī)x器加上密封窗的光學(xué)系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了多介質(zhì)攝影問(wèn)題。德國(guó)學(xué)者Hohll在他的“水下攝影的理論與實(shí)踐”的博士論文中指出，海底攝影儀器經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算，可以換算成單介質(zhì)攝影的情況，他研究了一種全能解析法，對(duì)未知的外方位元素、各介質(zhì)間的分界面參數(shù)、水的折射率和目標(biāo)點(diǎn)坐

31、標(biāo)用逐次趨近法一并平差計(jì)算可求得，并提出相應(yīng)的數(shù)字模型。在美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家對(duì)水下攝影測(cè)量進(jìn)行了廣泛的研究試驗(yàn)，并對(duì)攝影儀器、照相設(shè)備等進(jìn)行改革，組成了專門(mén)的水下攝影測(cè)量系列設(shè)備。有的國(guó)家把“聲納”回聲定位法與攝影測(cè)量方法相結(jié)合施測(cè)海底地形圖。- 8 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 (八) 非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)的應(yīng)用非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)主要包括有：全息攝影測(cè)量、各種固態(tài)構(gòu)像系統(tǒng)、雙介質(zhì)測(cè)圖電視、X射線、掃描電子顯微鏡系統(tǒng)及其應(yīng)用等。近年來(lái)在非常規(guī)構(gòu)像系統(tǒng)方面己取得了某些成果，例如美國(guó)Worcester工業(yè)學(xué)院R.J. Pr yputniewicz介紹了對(duì)飛機(jī)翼形狀的全息攝影測(cè)量；美國(guó)光學(xué)研究院的K.B

32、i edermam介紹了變形觀測(cè)全息攝影測(cè)量系統(tǒng):英國(guó)Rolls-Royce介紹了關(guān)于“試驗(yàn)中的汽輪機(jī)近景X光攝影測(cè)量”的論文。此外，還有高速攝影測(cè)量的應(yīng)用。高速攝影己廣泛應(yīng)用在機(jī)械零件的火花加工、流體力學(xué)的螺旋漿設(shè)計(jì)過(guò)程中風(fēng)洞試驗(yàn)、電工技術(shù)的電弧焊接、爆炸過(guò)程的監(jiān)視及沖擊波特性的測(cè)試、原子武器的試驗(yàn)、火箭的彈道、以及體育等方面。如歐洲彈道研究所采用高速攝影機(jī)對(duì)各種子彈在不同的介質(zhì)中的運(yùn)行速度及軌跡進(jìn)行研究。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量(Real-Time Photogrammetry)簡(jiǎn)稱RTP，這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展是隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近年來(lái)工業(yè)市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人三維視覺(jué)系統(tǒng)即機(jī)器

33、視覺(jué)(Machine Vision)日益增長(zhǎng)的需要和數(shù)字相機(jī)(CCD)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得視覺(jué)系統(tǒng)、人工智能等成為現(xiàn)實(shí)，它為實(shí)時(shí)攝影測(cè)量開(kāi)創(chuàng)了廣闊的前景。許多用于解析攝影測(cè)量和影像處理的基礎(chǔ)理論可與固態(tài)相機(jī)一道，用來(lái)完成實(shí)時(shí)測(cè)量任務(wù)。從而將近景攝影測(cè)量推進(jìn)到實(shí)時(shí)攝影測(cè)量(RT P)的新領(lǐng)域。目前在汽車(chē)下線檢測(cè)、工業(yè)零件的檢測(cè)等方面己經(jīng)采用實(shí)時(shí)攝影測(cè)量。1.4 數(shù)字近景攝影測(cè)量的現(xiàn)狀及本文研究的主要內(nèi)容攝影測(cè)量經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段，即模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是近二十年以來(lái)由模擬和解析攝影測(cè)量發(fā)展而來(lái)。近年來(lái)取得的飛躍進(jìn)展主要得益于數(shù)字傳感器、微處理器、陣列傳感器、機(jī)器人

34、視覺(jué)的飛速發(fā)展以及硬件軟件成本的大幅下降。毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量已成為攝影測(cè)量領(lǐng)域中的重要部分。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于人眼視覺(jué)原理將影像的灰度電信號(hào)通過(guò)耦合裝置CCD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后應(yīng)用圖像處理、模式識(shí)別、人工智能以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等方法求出被攝物體的空間坐標(biāo)，進(jìn)而精確描繪出其三維形體的全自動(dòng)化過(guò)程。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量從原始影像到中間數(shù)據(jù)及最終產(chǎn)品都是數(shù)字形式的，即數(shù)字?jǐn)z影測(cè)- 9 -東北大學(xué)博士學(xué)位論文 第1章 緒論 量是基于攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從影像(包括硬拷貝與數(shù)字影像或數(shù)字化影像)提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量分支學(xué)科。近景攝影測(cè)量是攝影測(cè)量的一個(gè)重要分支，數(shù)字近景攝影測(cè)量是隨著CCD數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字影像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、三維重建等數(shù)字技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，數(shù)字近景攝影測(cè)量在工程建設(shè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也