数字近景摄影测量课程论文

数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用学院班级姓名学号日期：年月日数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用摘要本文主要对近景摄影测量学进行简单概述，然后介绍了有关近景摄影测量工作流程，再介绍了近景测量在各个领域方面的应用，最后通过案例重点分析了在文物保护以及工业摄影测量中的应用。关键词：近景摄影测量文物保护工业摄影测量一、概述近景摄影测量(Close-rangePhotogrammetry)是摄影测量与遥感学科的一个分支。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分支称为近景摄影测量。随着技术不断发展从而形成了建筑摄影测量，工业摄影测量，生物医学和生物工程摄影测量三门分支学科，其目的是精密控制量测不规则表面实体凸凹不平的现状和形态，并能立体再现，提供静态目标的平面图、立面图、等值线图、影像图、纵横剖面图、轮廓线图、仰视图、斜视图、特写图、晕渲图和模型纹理图、三维虚拟景观图、三维可视化或三维空间座标，还可提供动态目标的运动轨迹或变形参数。近景摄影测量技术的特点是“凡可以摄影的东西都可以量测”，因此决定了其应用的广泛性和成果的多样性。二、近景摄影测量基本原理与作业流程1.基本原理近景摄影测量的基本原理是，以立体数字影像为基础，由计算机进行影像处理和影像匹配，自动识别相应像点及坐标，运用解析摄影测量方法确定目标物体的三维坐标并输出数字高程模型、正射影像以及矢量线划图等陈〕其目的是精密控制量测不规则表面实体凸凹不平的现状和形态，并能立体再现，提供静态目标的平面图、立面图、等值线图、影像图、纵横剖面图、轮廓线图、晕渲图和模型纹理图、三维虚拟景观图，还可以提供目标的动态轨迹或变形参数2.作业流程近景摄影测量主要工作流程为:方案拟定、精度估算、模拟试验与优化设计、摄影机或摄像机的选择与检校、摄影方式的确定、立体像对的获取方案、摄影机或摄像机同步方法的确认、照明的布置、人工标志的设计与制作、控制方式的选取、相对控制网的建立、活动控制系统、包括标志自动识别在内的各种图像处理方法的确定、外业成果获取、内业摄影测量方案(模拟、半解析、解析、数字、全数字法)的确定、坐标系旋转、数学模型的选认、各种应用软件、三维虚拟景观图、三维漫游可视化和虚拟漫游、影像数字化图像处理技术、直接线性变换最小二乘与人机协调相关三维立体模型等。三、近景摄影测量学的应用近景摄影测量技术广泛应用于:航空航天、铁道勘察、生物医学、水力船舶、地质采矿、体育运动、刑事侦破、汽车交通、文物考古、遗址遗迹、天线安装、古建筑、钢结构、起重机、涡轮机、发电机和装配架、石油等领域的勘察测绘，本文重点对近景摄影测量学在文物保护和工业摄影测量中的应用进行具体案例分析。四、近景摄影测量学案例分析（一）在工业摄影测量技术的应用案例数字近景摄影测量以其非接触、大尺寸、高精度、测量速度块以及受温度、振动等外界环境干扰小等显著特点而在许多行业和领域得到越来越多的重视和应用，如航空制造业中的飞机外壳和发动机的测量、汽车制造业中的车身模型和零部件检测、船舶制造业中的大型钢结构测量和通讯行业中的各种天线面型测量等。本章结合作者最近所从事的研究试验以及实际工作，主要介绍数字近景工业摄影技术在大型模胎面板检测、星载网状天线反射型面检测和工InSAR基线动态测量中的应用情况。1大型天线模胎面型检测1.1概述我国正在研制的某50m口径天线是目前国内最大的天线(图1)，由于天线尺寸很大，而单块面板因制造和安装的难度又不可能太大，因此设计时将50米天线由内向外分成中心体及七个环面，共包括433块小型面板，白于天线为旋转抛物面，所以每个环面的面板可以使用同一模胎拉形生产，模胎的分块如图2。因此共需加工7种不同尺寸的模胎，其中6号模胎如图7所示，其外形为近似长方形，尺寸约为4.0mx1.5m。图150m天线效果图图26号模胎根据天线安装完成后总体1mm的面型精度要求，模胎第一环到第四环的设计面型误差为。σ≤0.25mm，第五环到第七环的设计面型误差为σ≤0.3mm，根据测量误差可忽略不计原则，则6号模胎面型的测量误差应该达到。σ/3，即测量精度要优于0.1mm。模胎检测使用了两种不同的测量方法:一是基于2台高精度电子经纬仪的工业测量系统方法;二是采用基于专业数码相机的近景摄影测量方法，本节主要以6号模胎的测量为例来介绍第二种方法。图3天线模胎分块示意图1.2测量方案我们采取的测量方案是:在模胎表面粘贴人工RRT标志，采用双经纬仪测量系统测量少数控制点坐标，用专业数码相机从不同的摄站位置拍摄模胎的像片，采用光束法平差解算标志点坐标，再用CAD面型转换法计算实际模胎的面型误差。(1)人工标志采用圆形的RRT标志，白于定向反光材料的反射系数很高，仅用闪光灯微弱闪光，即可得到被测物影像清淡、标志点影像密度大而清晰的“准二值影像”。在6号模胎上共粘贴了281个RRT标志，图4为实际得到的模胎影像。图44模胎的RRT标志影像(2)控制点测量为了便于数据处理与提高整体精度，在模胎表面下的支撑架上布置了8个控制点(图4中白色小三角形)，用两台0.5的电子经纬仪T3000构成工业测量系统测量其三维坐标，坐标测量精度优于0.05mm。（3）摄站布设为了便于测量，模胎用支架支撑、侧立但不完全垂直〔图2〕在模胎前方约4m处分别在上、下不同的的位置从14个摄站对其进行摄影〔如图5所示)，各相邻的像片间有足够重叠〔重叠度)95.%〕，保证每个待测标志点至少被12个摄站摄影成像〔其中2个点在12张像片上成像，19个点在13张像片上成像，其余点均在14张像片上成像)，交会角范围从58°～74°，平均值为67°图5摄站示意图（4）坐标解算从第四章的实验可以看出，数码相机D2H的内部参数不稳定，故坐标解算采用光束法自标定技术进行整体解算，对像机内部参数和待测点坐标进行了整体优化。自标定时又根据视各.张像片内部参数是否相同分为两组:第一组视各张像片的内部参数均不同;第二组视所有像片的内部参数均一样。（5）面型误差计算面型误差计算采用了比较稳健的CAD面型转换法，其原理为:手工输入或者通过公共点坐标转换给出坐标系转换的初值(精度要求不高)，然后将测量点投影到理论面上，以投影点为公共点的设计坐标，重新进行坐标转换，获得新的转换参数，重复上述步骤，直到测量点相对于CAL曲面距离平方和最小时停止迭代计算1.3.测量结果〔1)点坐标测量结果为了比较和验证视觉测量的精度，用经纬仪测量系统同样测量了所有标志点的坐标。因控制点坐标也是用经纬仪测得的，所以像机测量的坐标系与经纬仪的是一致的。与经纬仪测量的坐标比较部分结果见表1，详细的测量结果与数据见附录A。表1点坐标测量结果从上表可以看出:a坐标的测量精度要优于0.25mm，模胎的最大长度为4m，因此采用内部参数不同的自标定坐标测量的相对精度达到了1.6万分之一;b采用内部参数均不同的自标定法坐标测量的结果要比内部参数均相同的高0.015mm，相对精度提高了6.7°c验后精度的沽计值比实际的精度要高，也就是说实际测量的精度要比理论沽计的稍低(2)面型误差计算结果将经纬仪丈测量的点坐标和像机测得的点坐标用CAD面型转换法分别计算了模胎的面型误差，结果见表2。表2法向偏差比较从上标可以看出:a面型的测量精度要优于。.1mm,采用内部参数不同的自标定相对测量精度则达到了下万分之一;b对于像机测量点所计算的面型的法向偏差值的均方根，采用内部参数均不同的自标定法的结果要比内部参数均相同的高0.029mm，相对精度提高了33.7°采用内部参数均不同的自标定法的测量点所计算出的模胎面型的法向偏差如图7所示。图7模胎面型的法向偏差由此可见，相对于点坐标的测量精度，像机对模胎面型误差的检测精度提高了2.7倍，达到了0.056mm，这是由于模胎表面虽是曲面，但其曲率很大而较平，而平面的测量其实质是一维量(平面法向)的测量，而单点的坐标是三维的，故平面测量精度要高于点的三维测量精度。2、近景摄影测量在产品检验中的应用案例近景摄影测量在短时间内可以获得大量点的三维坐标而不必接触所测物体，凡是能够被摄影的物体都可以进行摄影侧量，由于具有以上优点，近景摄影测量已逐步引起汽车设计与制造人员的注意，国内外均有把近景摄影测量应用于汽车工业的报道，目前这项工作还处于试验阶段，但可以预见它的应用潜力是很大的，下面将这方面的情况作一简要介绍。2.1、欧空局ESTEC“普朗克”（Planck）望远镜和“赫歇尔”（Herschel）望远镜是欧空局于2009年5月14日利用“阿里安Ⅴ”火箭同时送入太空的新一代望远镜。2006年，ESTEC利用摄影测量法在LSS大型空间环模设备内对“普朗克”望远镜进行了真空低温变形测量，测量温度为常温至95K，测量对象包括“普朗克”望远镜的反射镜、主体结构框架和固定安装机构等。该望远镜的主镜和次镜均为离轴椭球面镜，主镜尺寸为1555.9mm×1886.78mm，曲率半径为1440mm；次镜尺寸为1050.96mm×1104.39mm，曲率半径为-643.972mm。图(a)是贴有约2150个回光反射标志点（反射镜及框架上的亮点）的“普朗克”望远镜，图(b)显示了2台测试相机及望远镜在容器内的安装位置。相机及望远镜位置分布，在此基础上，ESTEC于2008年在LSS大型空间环模设备内利用摄影测量法完成了“赫歇尔”望远镜在真空低温环境下的变形测量，测量精度为50µm。2.2近景摄影测量在钢板检验的案例我们使用1架CCD数码相机从2个不同的视点对已知设计坐标的标准样板拍摄图像，进行了实际检测试验。图8是用数字相机拍摄的钢板的数字影像。钢板规格:600mmX400mm，其中圆孔106个，半径分别为4.5mm和3.6mm，矩形孔76个，板厚为1mm，加工误差|△|0.1mm。数字影像幅面为1280像素X1024像素。检测圆孔的位置与大小是否符合设计要求。图8检测的钢板影像在该试验中，只考虑x,y2维坐标，但在实际工业零件检测中一般需要考虑3维坐标。试验所得数据如下。表3列出了利用Wong圆点定位算子与直接线性变换求得的圆心位置与设计坐标相比较的精度结果。点位中误差:±0.671383mm;最大点位误差:±0.405444mm表4列出了利用最小二乘影像匹配法提取的圆心位置与直接线性变换和光线束法平差结果与设计坐标相比较的精度结果。表3表4点位中误差:±0.1365~;最大点位误差:±0.3588mm孔心距测量:选择样板上指定的孔，分别对其孔心距进行测量，每一对孔测量5次。对4对孔心距测量的平均值偏差分别为0.11mm,-0.27mm,0.35mm,0.38mm，达到设计要求。（二）在文物保护中的案例分析对河南洛阳龙门石窟的佛像的近景像片进行处理，简要说明作业步骤如下:1.摄影相机用120相机，镜头焦距:101.57rnm,像幅为18cm*13cm，扫描分辨率:0.028cm，边框标，框标距:_上下171.118mm,左右122.64mn，柯达120彩卷。2.外业摄影作业首先在佛像上布设像控点。在布设像控点时一边布设一边用全站仪进行测量像控点的三维坐标，共布设了像控点6个，像控点布好后进行摄影。3.内业处理设A1,A2为摄影站，分别对被摄影区拍摄，组成AlA2像对进行处理分析。对所拍摄的胶片冲洗后进行数字化。用helava高精度影像扫描仪对底片进行扫描。为了减少数据量，把彩色底片按黑白方式扫描，扫描分辨率为2811m。每张像片大约30兆左右的数据量。对A1,A2摄影站拍摄的两张底片进行扫描分别建立A1.BMP和A2.BMP数字影像文件，然后按作业顺序进行定向处理。a.建立模型目录不准备一些相关的参数文件，如:像控点文件、相机参数、等高线间距、DEM间距等等，以便在生成等值线、内插DEM等步骤时自动启用这些参数。将数字影像文件A1.BMP,A2.BMP组成独立模型，其主要参数为:DEM间距为16毫米，等值线间距为16毫米。b.内定向。c.DLT定向。DLT定向必须用手工或半自动手工加入，对六个控制