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集成RTK和全站仪的近景摄影测量方法研究

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 近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个重要的分支。由于其具有瞬时性、无接触性、相对精度较高的特点,在国民生产生活和工业发展中得到了广泛的应用。过去的二十年中,随着光学技术和计算机技术的快速发展,近景摄影测量的方法和设备以及数据处理流程也发生了巨大的变化。随着普通数码相机的普及、RTK(Real - time kinematic)与相机的结合使用,以及摄影全站仪的引进,以往单一依靠量测相机提供数据源的局面发生了改变。针对于普通相机的传统近景摄影测量数据处理中存在的一些问题,例如普通数码相机畸变较大、相邻影像之间相对转角较大、像控点像点坐标提取比较麻烦、外方位元素初值未知等一系列问题,本文结合相机RTK系统和摄影全站仪对传统近景摄影测量数据处理流程进行了相应的改进,并且做了进一步的研究。本文的主要研究内容如下:
1、介绍相机RTK以及摄影全站仪的系统构成,各部分的功能原理,优势和特点。
2、针对普通相机内参数未知和畸变参数较大的问题,利用室内三维控制场对相机进行检校,用来解算普通数码相机的内方位元素和畸变参数。
3、对于近景摄影测量中外方位元素初值未知的情况,提出了一种基于RTK的影像外方位元素的初值获取方法。通过相机与RTK构成的刚体系统,利用RTK和电子罗盘数据转换为影像外方位元素初值。
4、提出了一种基于外方位元素约束的相关系数匹配法,用来对摄影全站仪影像和数码相机影像进行匹配,提取像控点像方坐标。同时利用Asift算法对数码相机影像进行特征提取与匹配,获取匹配点像点坐标。
5、针对基于相机RTK和摄影全站仪的数据处理方面,综合比较几种不同的光束法平差模型,提出了一种带有位姿初始值的光束法平差方案。同时研究控制点的数量和分布对平差结果的影响,寻求更好的控制点布设方案。
6、通过实验验证基于相机RTK和摄影全站仪的数据处理技术在实际应用中的精度。
关键词: 近景摄影测量;摄影全站仪;相机RTK;光束法平差
目 录

摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 研究内容与技术路线 4
1.4 本文章节安排 5
2 相机RTK及摄影全站仪 7
2.1 相机RTK系统 7
2.1.1 RTK简介 7
2.1.2相机与RTK集成 8
2.1.3相机RTK系统构成 8
2.2 摄影全站仪 10
2.3 本章小结 12
3相机RTK数据预处理 13
3.1相机检校 13
3.1.1 相机成像模型 13
3.1.2 畸变参数 14
3.1.3 相机检校原理 16
3.2 基于RTK的外方位元素初值获取 18
3.2.1几种坐标系统定义 19
3.2.2 角度转换 21
3.2.3 位置转换 24
3.2.4 安置参数标定 26
3.3 本章小结 26
4多元数据近景摄影测量处理 27
4.1全站影像与数码相机影像匹配 27
4.1.1几种改进的相关系数匹配法 28
4.1.2 基于外方位元素约束的相关系数匹配 32
4.2 匹配点像点坐标获取 33
4.2.1 成像模型 34
4.2.2 Asift基本原理 35
4.2.3 误匹配点剔除 36
4.3 数据处理模型及解算方法 37
4.3.1 平差模型 38
4.3.2 LM算法 42
4.3.3 基于稀疏矩阵的加速算法 45
4.3.4 选权迭代法剔除粗差 47
4.4 本章小结 48
5实验及分析 49
5.1相机检校实验 50
5.2相关系数匹配实验 52
5.3基于Asift的匹配实验 53
5.4多元数据近景摄影测量处理实验 55
5.4.1三种光束法平差模型的比较 55
5.4.2两种不同相机镜头测量精度比较 58
5.4.3控制点数量以及分布对实验结果的影响 59
5.5 本章小结 62
6结论与展望 63
6.1总结 63
6.2展望 63
参考文献 65
致谢 68
近年来,随着光学技术的快速发展,电子元器件的不断更新,出现了多种新型的摄影器材,导致了摄影测量的快速发展。摄影测量按照摄像机平台与被摄目标距离可以分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量等。其中,近景摄影测量是一门通过摄影手段以确定(地形以外)目标的外形和运动状态的学科。相比较于其他三维测量的方式,近景摄影测量可以瞬间获取物体大量的物理信息和几何信息、测量动态物体的信息,并且其是一种非接触式的测量方式,适用于极端自然环境下的测量。在测量精度方面,近景摄影测量针对不同的测量手段和测量方式,可达到千分之一甚至百万分之一的精度(冯文灏,2002)。
针对于近景摄影测量,一般可以采用两种相机(詹总谦,2006;吴笛,2010)。一种用来进行专业的量测使用。这种相机在出厂的时候就已经对内方位元素进行精密标定,其制作工艺精良,畸变较小(汪磊,2002)。但是这种相机价格昂贵,而且对拍摄距离,拍摄方式限制较多,经常被用于精度较高的摄影测量工程。另一种相机是非量测相机,即我们经常使用的普通数码相机。该相机内方位元素在出厂时并未严格标定,相应的成像畸变也比较大,主点位置和畸变参数随着焦距的改变变化也比较大。但是这种相机价格低廉,易于携带,对拍摄方式并没有太高的要求。其内方位元素和畸变参数可以通过相机检校获取,只要焦距不发生改变,在某一时间段内可以默认其内方位元素和畸变参数为定值。
在传统航空摄影测量中,机身本身搭载了POS系统,其可以为相机提供初始的外方位元素(刘军等,2006),并且在航空摄影测量在拍摄过程中,翻滚角和俯仰角都比较小,可以将初始值设为零,然后通过迭代计算其真实值。然而,在近景摄影测量中,使用数码相机拍摄影像时,并不能保证其摄影基线长度、影像间相对关系完全符合规范要求(闾海庆,2006;陈新玺,2006;李能,2013)。而且地面近景摄影测量目标大多不规则,受场地、拍摄物、拍摄条件的影像,影像间的相对转角可能会非常大,在进行迭代运算时往往出现不收敛的情况。在求取外方位元素初值时,往往需要借助于其他算法,比较常用的方法是先利用二维直接线性变换的方法求取外方位元素初值,再利用后方交会精化初值,然后将初值用于迭代运算,但是该方法增加了计算复杂度,并且大多数影像上并没有均匀分布的四个以上的控制点用于后方交会。目前尚没有可以为数码相机提供外方位元素的便携式设备,无法像航空摄影测量一样通过POS获取初值。
由于近景摄影测量拍摄方式的特点,影像之间的视角变化非常大。Sift算法虽然具有旋转、平移、缩放不变性(Lowe etal, 2004),但是对于近景影像,Sift算法已经不再适用,有实验表明,Sift算法仅仅只能在倾斜度低于2度时才能达到很好的匹配效果(Yu, Guoshen,2009) 。另外,在像控点像点坐标的提取方面,大部分情况下依赖目视判读,人工刺点。在传统的近景摄影测量项目中,控制点往往通过普通全站仪或者其他测量工具量测,只能获取像控点(控制点)的三维坐标,然后通过草图或点之记标注大致位置,在内业数据处理时则通过人工刺点。一旦建筑物复杂程度较高或者重复部分较多时,极易发生误判,导致提取的像控点像点坐标发生较大偏差,直接影响平差结果。
对于摄影测量的数据处理方面,运用的最多则是光束法平差。因为其能在解算结果的同时优化相机参数和三维坐标,而且其理论严密,充分利用了所有多余条件,因此在摄影测量中获得了广泛应用。如何针对不同的实验条件选择合适的平差模型,以及提高光束法平差的计算速度和精度,一直是国内外测量学者讨论的热点。
一直以来,控制点的分布和测量精度对实验结果有着很大的影响。在空中三角解算过程中,往往只需要提供极少数控制点就可以解算大多数加密点坐标,近景摄影测量中的解算方式与航测中的解算方式高度类似,控制点的数量和分布情况对最终结果影响较大,寻找一种简易实用的控制点布设方式也成为了近景摄影测量中亟需解决的问题。
本文章节安排
本文针对基于相机RTK和摄影全站仪的近景摄影测量数据处理,对其中涉及到的基本原理和技术问题做了详细的研究和介绍。一方面论述如何利用多元传感器在近景摄影测量中进行辅助测量,一方面论述基于多元传感器的近景摄影测量数据处理流程。论文的主要内容如下:
第一章介绍近景摄影测量的研究背景、研究现状以及研究意义。介绍相机与多传感器联合测量的方法、摄影全站仪的历史与发展,以及光束法平差的一些进展。
第二章 简要介绍相机RTK和摄影全站仪。介绍相机RTK系统的基本构造以及测量原理,以及摄影全站仪针对与近景摄影测量的一些基本功能。
第三章 介绍相机RTK系统的数据预处理,其中普通数码相机的检校,以及外方位元素初始值的获取流程。提出了一种将RTK获取的位置信息以及电子罗盘获取的姿态信息转换为影像角元素和线元素的初值的方法。
第四章论述了多元数据集成的近景摄测量的数据处理方法。提出了一种利用外方位元素对相关系数匹配法进行约束的方法,通过该方法获取像控点在数码相机影像中的像点坐标。然后介绍如何利用Asift算法对数码相机影像进行特征提取,获取匹配点。最后介绍数据处理中涉及到的几种光束法平差模型,以及解算法方程和加速光束法平差的方法。
第五章为实验章节,主要对文章中提出的算法进行实验验证和分析,主要分析外方位元素约束下的相关系数匹配法的精度、Asift算法提取的匹配点的精度。比较几种不同光束法平差模型中的平差结果、不同相机镜头的量测精度,以及控制点数量以及分布对解算结果的影响。
第六章 对论文全文进行概括和总结,提出本文结论,以及针对实验过程中出现的问题分析,针对本文的数据处理算法和流程的缺点提出改进策略。

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作者:佚名
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