多重交向式数字近景摄影测量系统的研制

多重交向式数字近景摄影测量系统的研制

杨朝辉

（苏州科技大学城市与环境学系，江苏 苏州 215011）

摘要：针对常规近景摄影测量工作量大，效率差，自动化程度低等缺点，作者把普通数码相机和经纬仪组合在一起，研制成功了多重交向式数字近景摄影测量系统。本系统能够在每一测站上同时进行测站点的导线测量和数字影像的拍摄，外业工作方便快捷；另外还着重介绍了系统的关键技术和内业数据处理方法，展示了本系统操作简单、自动化程度高、三维模型快速重建等优点；最后以虎丘塔为例，对实验成果进行了精度评定，结果证明本系统完全能满足虎丘塔三维可视化的要求。

关键词：多重交向；近景摄影测量系统；数码相机；光线束平差法

1前言

近景摄影测量，即各类物体外形和运动状态的摄影测量，已广泛应用于科学技术的各个领域[1]。传统的基于量测摄影机的近景摄影测量系统一般以立体像对为单位进行处理。这种方法影像获取速度较慢，数字化程度低；并且当被测物体形体比较特殊时（例如高塔），很难进行拍摄及后继数据处理。为此，作者研制了比较实用的多重交向式数字近景摄影测量系统，它综合了数字图像处理，模式识别、影像匹配和数字摄影测量等方面的技术，实现了近景摄影测量的自动化[2]，可快速采集原始影像数据，并快速完成被摄物体三维模型的重建工作。

2摄影设备的选择及检校

2.1摄影设备的选择

选择摄影设备是整个系统中最基本的步骤。为了提高影像获取速度，并实现图像数据的完全数字化处理，作者选择了普通数码相机加经纬仪的方案，即通过加工，将数码相机连接至经纬仪上，并可快速拆卸。具体摄影设备为和J2经纬仪连接的日本FUJI MX-2900数码相机，它有长短两档焦距，分别为35mm 和105mm 。

2.2数码相机的检校

普通数码相机具有体积小，重量轻，成像方便快捷等优点，但它不能提供内方位元素[3]，并且存在较大的物镜畸变。因此必须通过实验检校出数码相机的内方位元素和畸变差系数。具体做法为在室内设立平面格网控制场和三层立体钢架控制场，利用畸变差系数和内方位元素交替求解法解出所求系数。图1为三层立体钢架控制场。

图1 三层立体钢架控制场

3摄影过程中的主要技术

3.1多重交向摄影技术

为了解决复杂形态物体的拍摄问题，并提高摄影测量的精度与可靠性，本系统基于交向摄影方式，实现对被测物的多重覆盖，即多测站摄影测量。以苏州虎丘塔为例，各测站围绕塔基而设，形成环绕摄影（参见图2）。在每一测站上，如图3所示，可上下左右交会拍摄P1～P7等多张像片，而在不同测站也可重复拍摄同一局部。这种一站多摄的拍摄方式能够得到一组多焦距、多角度、多空间分辨率的数字影像，从而形成真正意义上的多重覆盖摄影，解决了摄影过程中出现拍摄死角的问题。

图2 环绕拍摄法 图3 同一测站的多角度拍摄

3.2近景摄影测量的控制

实施近景摄影测量控制的目的有3个：一是把所构建的近景摄影测量网纳入给定的物方空间坐标系；二是通过多余的控制（包括控制点或相对控制）加强摄影测量网的强度；三是通过多余的控制点或相对控制检查摄影测量的精度和可靠性[4]。

3.2.1测站控制点

近景摄影测量所测目标一般仅需要它的形状与尺寸，而不需要它的绝对位置，所以可采用布设局部测站控制点的方法形成物方空间坐标系。控制点布设时要满足下列条件：（１）在满足拍摄像片密度与消除拍摄死角的基础上，使控制点点数较少；（２）点位选在视野开阔、易于扩展，土质坚实的地方，点位尽量均匀布设在被测物体周围，各点互相通视以拍摄虎丘塔为例，测站点环绕塔而设，形成闭合导线。

3.2.2相对控制条件

塔有一些很明显的几何特征，如同层同向上，很多局部的点均处于同一个平面，在对这些点进行处理的时候，可增加一个共面条件；另外在门拱、檐等局部还存在着许多共线条件。

因此，本系统引入了被测物局部相对控制的方法，使控制手段多样化，对简化和减少控制工作和提高摄影测量工作的质量有明显作用。

［5］。

3.3多焦距拍摄技术

由于虎丘塔高约47米，并且位于山丘之上，四周没有制高点，摄站点只能环绕塔基而设，并且与塔基的直线距离较短。由于在每一摄站上要对塔的底部和顶部分别进行拍摄，仰角差别大，摄影比例相差悬殊，造成不同部位的像片空间分辨率相差很大，导致后继数据处理的困难。为了减弱不同像片分辨率的巨大差异，采用了多焦距拍摄的技术，即在同一摄站上，对塔的下半部分采用短焦拍摄，对塔的上半部分采用长焦拍摄，从而使不同像片的空间分辨率相对一致，提高了后续数据处理的精度。

3.4坐标检核杆检核技术

由于虎丘塔的特殊性，在其表面很难贴附标志设立物方控制点。为此，可以设计一些坐标检核杆，以增加图像控制点。杆上设置若干标志点，标志点与杆件底部触点的距离事先用高精度仪器测定。在摄影虎丘塔的同时，可以把坐标检核杆也拍摄进去。最后在图像处理时，这些点可参与计算，也可用于图像精度检核。坐标检核杆参见图4。

图4 坐标检核杆

3.5数字影像的处理技术

3.5.1影像自动识别和匹配

数字摄影测量引入了数字图像处理、模式识别等理论与技术，为摄影测量的（半）自动化开辟了最广泛的前景［6］。当前，不同影像上同名点标志的识别主要有两类解决方案：一是使用编码标志，在各影像上分别探测目标时予以识别和标识；二是利用核线技术和各种几何约束条件，建立不同影像上同名点的自动标识算法[7]。处理的原理是同名像点必然位于同名核线上[8]。沿核线搜索同名点的长度可通过目标空间深度信息的先验知识预先加以限制。当然，因影像畸变的原因，核线很可能是一条曲线，在搜索前要对核线先进行改正。

同名点自动识别后，就能进行同名点的匹配。本系统采用了多级金字塔匹配和整体的多点最小二乘影像匹配。实验结果证明此法快速有效。

3.5.2光线束平差法

本系统摄影方式灵活，多焦距，多角度获取物体影像。基于此特点，采用近景摄影测量光线束平差法来处理影像数据。它是把控制点的像点坐标、待定点的像点坐标以及其它内业、外业量测数据的一部分或全部均视作观测值，以整体联合地解求它们的最或是值和待定点空间坐标的解算方法[9]。它是以内业和外业直接量取的数据作为观测值的一种严格的摄影测量数据处理方法。

4实际应用

苏州虎丘塔是一座千年古塔，塔体呈香蕉形弯曲状，是古城苏州的标志，也是国家首批重点文物保护单位。利用本系统获取其DSM 数据和表面纹理数据，是实现濒危古迹全面、系统、科学保存和真实再现的有效途径，具有现实意义。

虎丘塔高47.7米，位于虎丘山顶，塔周围绿树环绕，遮挡现象很突出。摄影距离大都只有十几米，所拍摄的塔体上部仰角达50-70度。为确保塔体能够被全部覆盖摄影，作者根据现场情况布设了8个导线点（测站控制点），形成闭合导线。这些点基本上平均分布于塔体四周，两两通视，并且对塔体有较好的拍摄角度。每个点的摄影距离如表1所示。

表1 摄影距离表 点号

摄影距离 1号点 37.4m 2号点 14.1m 3号点 16.5m 4号点 29.0m 5号点 21.78m 6号点 16.8m 7号点 19.8m 8号点 9.3m

8个测站点布设好后，就能开始进行拍摄工作。在每一测站上算出仪器高（正常经纬仪仪器高加上数码相机偏移的改正数），用数码相机拍摄多张交会像片，同时由经纬仪读出像片的竖角，并测出相邻控制点之间的水平夹角和边长，这种边测边摄的方法实现了拍摄像片与测站控制点布设的同步完成，充分体现了整个系统快速准确的特点。另外，在拍摄虎丘塔的过程中，可将坐标检核杆垂直放置在摄影机侧前方3~10m处，既能被相机拍摄下来，又不造成对塔体的遮挡，从而增加一些检核条件。

为了提高影像匹配的成功率，使各张影像的灰度差较小，要分时段对塔的各面进行拍摄，

避免由于光照角度的差异而给塔面留下阴影。可在上午对迎光的几个塔面先进行拍摄，然后到下午再对另外几个塔面进行拍摄。此外，环绕一周多重交向拍摄完后，还有极少部分的塔体由于树梢遮挡等原因形成拍摄盲区，这时就需对这些盲区进行补拍。

用多重交向式拍摄法得到数字影像后，要利用软件对其数字影像进行一系列处理，通过影像匹配、相对定向、绝对定向等步骤，采集到塔体的原始离散点三维数据。再对其进行格网点内插，即可得到塔的三维DSM 数据，从而生成虎丘塔的三维模型。

5精度评定

DSM 的精度评价有很多方法，此处利用检查点来进行精度评定。检查点布设在塔内每层每面的门洞口处，其坐标由全站仪在塔内联测地面控制点得到。实际工作中，共布设了51个检查点，通过这些检查点的坐标与重建模型的三维坐标作分析，可以求出重建三维模型的最终精度。利用中误差公式

m = 分别求得检查点精度为m x =2.95cm ，m y =2.25cm ，m z =2.89cm 。其中，m x max =6.31cm，m x min =2.03cm，m y max =6.53cm，m y min 1.38cm ，m z max =7.05cm，m z min =1.67cm。像点偏移误差s为4.7cm 。而平均拍摄距离约为20米，则像点偏移的相对误差为4.7/2000=1/426。以塔底层的图像计算，焦距为35cm 时，相机分辨率为1200´800，图中的每个像素宽度约为实地的3cm ，所以重建模型的最终偏移误差约为1.5个像素，能够满足三维可视化的需要。

6结束语

通过选用普通数码相机加经纬仪的方案，研制成功了多重交向式数字近景摄影测量系统。本系统能够快速方便地提取拍摄物体的三维DSM 数字，重建其三维模型。以后随着量测数码相机的普及、分辨率的提高和像幅的加大，拍摄的原始图像会越来越少，系统对数据处理的速度和精度将会进一步提高。因此，系统在重建三维模型方面具有广泛的普遍性，必将有良好的应用推广前景。

参考文献：

[1] 冯文灏．近景摄影测量－物体外形与运动状态的摄影法测定．武汉：武汉大学出版社，2002

[2] 陈建华，潘庆林．灵山大佛数字近景摄影测量．工程勘察，1998，5：51～54

[3] 寇新建，宋计棉．数字化摄影测量及其工程应用．大坝观测与土工测试，2001，25（1）：33～35

[4] 冯文灏．近景摄影测量的控制．武汉测绘科技大学学报，2001，25（5）：453～459

[5] 斐亮，胡仲良．近景摄影测量监测网的建立及其数据处理．测绘工程，1999，8（1）：49～54

[6] 张祖勋,张剑清,张力．数字摄影测量发展的机遇与挑战．武汉测绘科技大学学报，2000,25（1）：7～11

[7] 李建松．工业物体表面三维视觉量测的关键技术研究．武汉大学学报信息科学版，2001，26（4）：337~342

[8] 张祖勋，张剑清．数字摄影测量学．武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997

[9] 冯文灏．近景摄影测量的基本技术提要．测绘科学，2000，25（4）：26~30