专利名称：一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法
技术领域：
本发明涉及摄影测量技术领域，尤其是涉及一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法。
背景技术：
旋转摄影测量系统是将相机安置在可垂直和水平旋转的平台上，进行旋转摄影测量的系统，广泛应用于近景摄影测量和计算机视觉领域中三维信息的获取。如
图1所示，在以水平旋转轴Rfi和垂直旋转轴
的交点4为中心的空间直角坐标系马中，s,d和分别为像主卢相对于冷
点在I轴，Γ轴和Γ轴的偏移量，/为摄影焦距。其中当系统的旋转平台绕水平轴及Λ和
垂直轴ΛΓ旋转时，相机的外方位元素(识观忑J5)也会随之变化。为根据垂直旋转角
^和水平旋转角if自动获取相机的外方位元素，需要高精度的系统标定，确定系统内部相机相对于旋转平台的旋转矩阵和偏心坐标。多旋转摄影测量系统的标定是从二维平面图像中获得三维信息这一过程的关键步骤，是一个重要的研究课题。现有的相机标定方法大致可分为三类传统标定方法、自标标定法方法和基于主动视觉的标定方法。传统标定方法利用一个形状尺寸已知的物体作为标定物，用摄像机拍摄若干幅影像来解算像方和物方空间的对应关系；自标定方法不需要标定物，但需通过运动摄像机所拍摄的标定图片中匹配点的关系来进行标定；而基于主动视觉的标定方法需要预知摄像机的详细运动信息，这需要昂贵的设备对摄像机的运动轨迹进行记录，试验成本较高。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的上述问题，提供了一种利用单个测站获取多张影像的外方位元素和旋转平台的水平、垂直旋角，进行旋转摄影测量系统标定处理的方法。本发明的技术方案为一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，包括以下步骤
步骤1，导入第一个测站获取的影像数目〃各张影像获取时的外方位角元素礼、和外方位线元素式0 . /、旋转平台绕垂直旋转轴的水平角^ 和旋转平台绕水平旋转轴的垂直角~,其中下标1标识测站号Σ =1，下标J表示影像号，j = 1,2，...F, 影像数目F大于等于3 ；由外方位角元素《^.碎广~·根据识-转角系统构建旋转矩阵
% ,由外方位线元素式尽v构建线元素的坐标矩阵仏=； 步骤2，构建相机相对于物方坐标系的旋转模型，旋转模型公式如下CN 102519484 A
说明书
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其中，R为物方坐标系下相机外方位角元素在转角系统下旋转矩阵；Ac为物方坐标系与标准摄影测量坐标系间的旋转矩阵；R班为标准摄影坐标系与旋转坐标系间的旋转矩阵；於为旋转坐标系与像空间坐标系间的旋转矩阵；
根据第一个测站获取的前三张影像分别对应的旋转模型 =VwiA ,解算第一个测站对应的识转角系统下旋转矩阵i scl的转角和旋转矩阵民的转角鈐,O^irf，并以所得解算结果作为未知数的初值，其中，下标1标识测站号i =1，下标j表示影像号，J = 1X3 , Ry为步骤1构建的旋转矩阵；
步骤3，将旋转模型转化为误差方程，以转角夠⑴卿①Csil和转角为未知数，
对第一个测站获取的所有影像逐张进行线性化处理，根据未知数的初值按照最小二乘原理构建法方程，整体平差求解法方程，得到未知数改正数；
步骤4，若未知数改正数最大值小于预设的未知数改正数阈值或者迭代次数超过预设的迭代次数阈值，则执行步骤5 ；否则，以当前未知数改正数为未知数的初值，返回迭代执行步骤3 ；
步骤5，输出最后一次迭代中获取的未知数改正数，作为转角终⑴辟⑴.和转角 Ψι·③！而的标定结果，根据转角(Psui,似,Kn的标定结果重新组建旋转矩阵RSci ,跟据转角朽, ,,&的标定结果重新组建旋转矩阵J^ ；
步骤6，构建相机相对于物方坐标系的偏心模型，偏心模型公式如下
P = Rsa^m^i + ^c
P=(X5X,Zf ,为物方坐标系下相机外方位线元素的坐标矩阵；。为像空间坐
标系原点在旋转坐标系下的坐标；Pc = (XcJc^af ,为旋转中心在物方坐标系下的坐标矩阵；
根据相机相对于物方坐标系的偏心模型4 =^01 +; + ,根据第一个测站获取的影像逐张构建误差方程和法方程，按照最小二乘原理，整体平差解算像空间坐标系原点在旋转坐标系下的坐标1和旋转中心在物方坐标系下的坐标Pei ,输出坐标乃的解算结果，
其中，下标1标识测站号，=1，下行表示影像号， / = 1,2,.I, ~为步骤1构建的坐标矩
阵，为步骤5重新组建的旋转矩阵；
步骤7，根据步骤5重新组建的旋转矩阵R1和步骤6所得像空间坐标系原点在旋
转坐标系下的坐标的解算结果、已知的其余测站第一张影像获取时的外方位角元素
和外方位线元素式^ril,、旋转平台绕垂直旋转轴的水平角/^1和绕水平旋转
8轴的垂直角& ,通过旋转模型和偏心模型重新解算在其余测站条件下，物方坐标系与标准摄影测量坐标系间的旋转矩阵鳥^和旋转中心在物方坐标系下的坐标4 ；其中下标 表示测站号，2= 2,3，…，下标1表示影像号=1 ；
步骤8，根据已知的其余测站第一张以外其他影像获取时旋转平台绕垂直旋转轴的水平角 和绕水平旋转轴的垂直角 ,通过旋转模型和偏心模型解算其余测站第一张以外
其他影像获取时的外方位角元素务％而和外方位线元素其中下标i表示测站号， = 2,3,...,下标J表示影像号，J =之3,…。 而且，根据第1个测站获取的前三张影像分别对应的旋转模型, J 二 1,2,3 ,解
算识-Φ-r转角系统下旋转矩阵Rsa的转角AJsc^rsra和旋转矩阵Ri的转角(P1,%，巧， 具体实现方式如下，
第1张影像对应的旋转模型为^ = RsaREniRi,
第2张影像对应的旋转模型为化=^mnKr,
第3张影像对应的旋转模型为i B = RsciRmsRi,
其中，及卿为第1个测站获取的第J张影像对应的标准摄影坐标系与旋转坐标系间的旋转矩阵，J = 12,3 ;
消除其中一组未知数，得到
权利要求
1. 一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，导入第一个测站获取的影像数目各张影像获取时的外方位角元素巩,、气·，《V和外方位线元素式V，iW，4V、旋转平台绕垂直旋转轴的水平角Iv和旋转平台绕水平旋转轴的垂直角&，其中下标1标识测站号 =1，下行表示影像号，J = 1,2,.Ι.ΑΓ,影像数目大于等于3;由外方位角元素《,、气^^^根据识-flj-r转角系统构建旋转矩阵^!^·,由外方位线元素式v7iV，25V构建线元素的坐标矩阵4 = (131/，1^，2山/ ；步骤2，构建相机相对于物方坐标系的旋转模型，旋转模型公式如下i = RscRjwRJ其中 力物方坐标系下相机外方位角元素在 Ρ-r转角系统下旋转矩阵为物方坐标系与标准摄影测量坐标系间的旋转矩阵；Rm为标准摄影坐标系与旋转坐标系间的旋转矩阵；A为旋转坐标系与像空间坐标系间的旋转矩阵；根据第一个测站获取的前三张影像分别对应的旋转模型^ = IciAffl^i，解算第一个测站对应的φα转角系统下旋转矩阵h的转角中处③奶辜奶和旋转矩阵R1的转角 ^ /乂/，并以所得解算结果作为未知数的初值，其中，下标1标识测站号i =1，下标J表示影像号，J = 1,2,3 , %为步骤1构建的旋转矩阵；步骤3，将旋转模型转化为误差方程，以转角终⑴^sciAscl和转角9!馬而为未知数，对第一个测站获取的所有影像逐张进行线性化处理，根据未知数的初值按照最小二乘原理构建法方程，整体平差求解法方程，得到未知数改正数；步骤4，若未知数改正数最大值小于预设的未知数改正数阈值或者迭代次数超过预设的迭代次数阈值，则执行步骤5 ；否则，以当前未知数改正数为未知数的初值，返回迭代执行步骤3 ；步骤5，输出最后一次迭代中获取的未知数改正数，作为转角<%a, sa，rra和转角Ψι,的标定结果，根据转角的标定结果重新组建旋转矩阵Rsa ,跟据转角务> /，[/的标定结果重新组建旋转矩阵馬；步骤6，构建相机相对于物方坐标系的偏心模型，偏心模型公式如下P - Hiwh + ^a其中Ρ = ,Z//,为物方坐标系下相机外方位线元素的坐标矩阵；乃为像空间坐标系原点在旋转坐标系下的坐标；^ =zef,为旋转中心在物方坐标系下的坐标矩阵；根据相机相对于物方坐标系的偏心模型易z^ciU/ + ^ ,根据第一个测站获取的影像逐张构建误差方程和法方程，按照最小二乘原理，整体平差解算像空间坐标系原点在旋转坐标系下的坐标巾和旋转中心在物方坐标系下的坐标A1,输出坐标巾的解算结果，其中，下标1标识测站号，=1，下行表示影像号，J = I,2,…2/, ^为步骤1构建的坐标矩阵，Rsa为步骤5重新组建的旋转矩阵；步骤7，根据步骤5重新组建的旋转矩阵R1和步骤6所得像空间坐标系原点在旋转坐标系下的坐行巾的解算结果、已知的其余测站第一张影像获取时的外方位角元素妬，珥！，^和外方位线元素式^J5jl, A1、旋转平台绕垂直旋转轴的水平角和绕水平旋转轴的垂直角R1,通过旋转模型和偏心模型重新解算在其余测站条件下，物方坐标系与标准摄影测量坐标系间的旋转矩阵在α和旋转中心在物方坐标系下的坐标^ ；其中下标i表示测站号口 = 23_ ,下标1表示影像号j =1 ；步骤8，根据已知的其余测站第一张以外其他影像获取时旋转平台绕垂直旋转轴的水平角 和绕水平旋转轴的垂直角% ,通过旋转模型和偏心模型解算其余测站第一张以外其他影像获取时的外方位角元素碍，％， 和外方位线元素其中下标,表示测立占号，i = 2,3,...,下标j表示景i像号，j = …。
2.根据权利要求1所述旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于根据第1个测站获取的前三张影像分别对应的旋转模型Sv，J = 12,3 ,解算炉-转角系统下旋转矩阵乓α的转角iki. %σι.和旋转矩阵的转角办,具体实现方式如下， 第1张影像对应的旋转模型为Rn = ^aiKwiiP-I, 第2张影像对应的旋转模型为R12 = RsaR腿R!, 第3张影像对应的旋转模型为Rn = Rss^bR!,其中，为第1个测站获取的第J张影像对应的标准摄影坐标系与旋转坐标系间的旋转矩阵，J = l，2，3 ；消除其中一组未知数，得到(RnRu )及sci = ^sai (^wiI^HVU ) ( = ^sciI (^εψ ^-ΜΒ)其中，及=^KKcos φ 0 -smipiri 0 00 1 O O oos0-sin Φsin φ 0 cos 炉」[_0 sin Φcos Φ-sin Hcosr -sinr O sin r cosr O O 0 1wcos H 0sin Hcos H1 0 O 0 cos V - sin V0 smF cos P7*令旋转矩阵Asei中右下角的元素为1，ilm矩阵中其余八个元素作为未知数！，将消除其中一组未知数所得两式分别展开为关于这八个未知数的九个方程；按照最小二乘原理构建法方程的系数阵j和常数项￡，解算旋转矩阵Affil中前八个元素的值，法方程的公式如下if =根据解算结果所得旋转矩阵Aa解算旋转矩阵馬，然后按照炉转角系统的关系解算资转角系统下旋转矩阵的转角终^咚⑴^!和旋转矩阵馬的转角 φΙ,ωΙ,κι。
3.根据权利要求1所述旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于步骤3 具体操作方法如下，令 P = Rv - RsaR银IjR1 = O将旋转模型转化为误差方程形式如下，V--dFSadF , dP , dF , BF， dF ; ΤΓ +-UOtsci +-axrm +-(3 +-aajj+-(3%+ sadKsead&角其中，7表示误差方程的残差，未知数为识-r转角系统下旋转矩阵Aa的三个转dF dF dF dFm ^ r ，以及旋转矩陈_的二个蛘角.-dF dF和分别为误差矩阵方程按照上述六个未知数依次求解的偏导数；μ为误差方程R1 ..φΙ,ωΙ,κΙ ‘ 3φΧ .，3 ^，dfcscl，dot! 1 3rfo的常数项；误差方程按照这六个未知数依次求偏导并依次列出，得到九个误差万程的基本形式， 对于第1个测站获取的所有影像按此列出误差方程；下标1标识测站号，=1下标J表示影像号，j = 1,2,..1 ；根据未知数的初值，按照最小二乘原理构建法方程的系数阵4和常数项￡'，法方程的公式如下，I>rlAa L'未知数矩阵 I' = (i%a. sa. sci. <P!，,根据法方程解算六个未知数的改正数。
4.根据权利要求1或2或3所述旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于步骤6根据第一个测站获取的影像逐张构建误差方程和法方程的具体操作方法如下，将偏心模型转化为误差方程形式如下
5.根据权利要求4所述旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于步骤7 具体操作方法如下，根据已知的其余测站第一张影像获取时的外方位角元素￠^ . 和外方位线元素、旋转平台绕垂直旋转轴的水平角&和绕水平旋转轴的垂直角Fn , 由外方位角元素炻,^%，巧根据炉-r转角系统构建旋转矩阵&,由外方位线元素 JQ1J3^Z5il构建线元素的坐标矩阵马=(XjaJa ,由水平角Η 、垂直角&构建旋转矩阵；然后将步骤5重新组建的旋转矩阵^代入旋转模型中解算旋转矩阵,将旋转矩阵、旋转矩阵以及步骤6所得坐标的解算结果代入偏心模型中解算坐标矩阵4Pa = Ai - RsaRfmir! 其中下标ι表示测站号，
6.根据权利要求5所述旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，其特征在于步骤8 具体操作方法如下，根据其余测站第一张以外其他影像获取时旋转平台绕垂直旋转轴的水平角 和绕水平旋转轴的垂直角％，构建旋转矩阵,并将步骤7所得旋转矩阵R边和步骤5重新组建的旋转矩阵馬代入旋转模型中解算影像获取时的外方位角元素在识转角系统下旋转矩阵&，并按照炉-转角系统进一步分解出外方位角元素碍，吒，巧，解算公式如下
全文摘要
一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法，利用单个测站获取多张影像的外方位元素和旋转平台的水平、垂直角，进行旋转摄影测量系统标定。从而在其他测站已知第一张影像外方位元素的前提下，可根据定标结果和旋转平台的水平、垂直旋角，高精度地反推其他影像的外方位元素。本发明具有如下优点利用单个测站获取多张影像的外方位元素和旋转平台的水平、垂直旋角，通过多片整体平差解算，该标定方法能够实现旋转摄影测量系统高精度的标定；在其他测站已知第一张影像外方位元素的前提下，仅需提供其他影像成像时旋转平台的水平、垂直旋角，便可高精度的自动解算该影像的外方位元素。
文档编号G01C25/00GK102519484SQ20111038581
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者张永军, 柯涛, 胡堃, 黄山 申请人:武汉大学