基于未檢校CCD相機的三維測量方法及其在結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、利用視覺測量或數(shù)字近景攝影測量技術(shù)進行高精度三維測量與重建是當(dāng)前計算機視覺和數(shù)字攝影測量領(lǐng)域的重要研究方向，在大型土木工程結(jié)構(gòu)的變形測量中，采用傳統(tǒng)的千分表或其它接觸式傳感器的方法往往不能滿足要求，而隨著高分辨率CCD數(shù)碼相機的廣泛應(yīng)用，運用普通數(shù)碼相機進行非接觸的光學(xué)三維測量日益廣泛。傳統(tǒng)的數(shù)字近景攝影測量采用專業(yè)量測相機或已檢校的普通數(shù)碼相機，而在某些場合難以實現(xiàn)，論文研究了無足夠物方控制條件下運用未檢校CCD相機進行三維測量的基本

2、理論和方法，并將其用于結(jié)構(gòu)試驗變形監(jiān)測中。
　　 1.論文比較了攝影測量領(lǐng)域的共線方程和計算機視覺領(lǐng)域的線性或非線性針孔模型的聯(lián)系與區(qū)別。分析和比較了經(jīng)典攝影測量中的空間交會方法、直接線性變換方法、相對定向—絕對定向、光束法平差等解析處理方法的理論模型、解算方法以及應(yīng)用場合；總結(jié)歸納了外極線約束、基本矩陣、本質(zhì)矩陣、單應(yīng)矩陣的估計方法及其與相機內(nèi)、外方位元素的關(guān)系。對于無物方控制點的未檢校影像，基本矩陣是唯一能從立體像對中恢復(fù)的

3、元素，本文提出了附約束條件最小二乘穩(wěn)健估計法；
　　 2.提出了適用于數(shù)字近景攝影測量的點特征的提取和匹配策略并分析了所能達到的精度，即先對可編碼人工標(biāo)志進行自動檢測并用基于矩和曲率保持方法提取子像素邊界后，用最小二乘擬合方法對標(biāo)志中心精確定位，然后恢復(fù)外極線，采用基于外極線約束的最小二乘匹配，并輔之以必要的人工量測；
　　 3.針對經(jīng)典攝影測量采用歐拉角表示旋轉(zhuǎn)矩陣的不足，本文研究了采用單位四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)矩陣的方法，推

4、導(dǎo)出了單位四元數(shù)表示方法與歐拉角表示方法、羅德里格矩陣表示方法之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。并將單位四元數(shù)表示的旋轉(zhuǎn)矩陣應(yīng)用于相對定向、絕對定向、光束法平差中。改進了相對定向的PH算法，使得使用該方法進行相對定向不需要初值時也能實現(xiàn)全局收斂，采用基于單位四元數(shù)的絕對定向的閉合解，不需要初值也能得到定向參數(shù)的最小二乘解。
　　 4.研究了無任何物方信息情況下雙像、多像三維度量重建的方法，提出基于單位四元數(shù)的附約束條件一維搜索迭代法進行廣義相對定

5、向的新方法，和現(xiàn)有的直接解法相比，該方法極大地提高了廣義相對定向的精度和穩(wěn)健性，使得利用兩張未檢校影像實現(xiàn)度量重建在絕大多數(shù)條件下可行；改進了計算機視覺領(lǐng)域的多像層次重建方法并應(yīng)用于立體攝影測量內(nèi)、外方位元素的初值估計之中，有效地解決了攝影測量中無物方控制信息的相機方位元素的初值估計問題；
　　 5.研究了相機單站純旋轉(zhuǎn)的理論模型，提出了采用基于顯參數(shù)的最小二乘估計方法代替分步估計方法，該方法極大地提高了自檢校的精度和穩(wěn)定性。建

6、立了考慮旋轉(zhuǎn)偏心條件下，相機做Pan-Tilt-Zoom運動的投影模型以及三維測量方法。該方法包括同站相對定向、基片擴充、異站定向、絕對定向四個步驟。其中同站相對定向理論是對經(jīng)典攝影測量理論的創(chuàng)新，同站定向在理論上減少了定向參數(shù)，只需要少量的同名點即可完成，有利于提高定向精度?？赏ㄟ^架設(shè)于普通腳架上的數(shù)碼相機的純旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)攝影測量，有助于改善大型構(gòu)件攝影測量的構(gòu)像條件；
　　 6.自檢校光束法平差是理論最嚴(yán)密、解算精度最高的攝影測

7、量解析處理方法，在獲取內(nèi)、外方位元素的初值后，高精度的測量成果需要用光束法平差求精。論文研究了附基準(zhǔn)條件自檢校光束法平差的統(tǒng)一模型，這一模型既適合于經(jīng)典攝影測量控制網(wǎng)，也適用于攝影測量自由網(wǎng)，對于基于攝影測量的變形監(jiān)測具有重要意義。對于三維變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，變形分析和預(yù)測是一項主要內(nèi)容，論文給出了基于誤差橢球的假設(shè)檢驗方法以及基于小波變換的去噪方法；特別是后者，對于分析觀測周期長、位移量小的觀測數(shù)據(jù)序列具有比常規(guī)處理方法更好的效果；