[发明专利]一种旋转摄影测量系统多片整体平差标定方法

说明书

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                                                和垂直旋转轴的交点为中心的空间直角坐标系中，和分别为像主点相对于点在轴，轴和轴的偏移量，为摄影焦距。其中当系统的旋转平台绕水平轴和垂直轴旋转时，相机的外方位元素也会随之变化。为根据垂直旋转角和水平旋转角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和外方位线元素、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=1，下标表示影像号，，影像数目大于等于3；由外方位角元素根据转角系统构建旋转矩阵，由外方位线元素构建线元素的坐标矩阵；

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

其中，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；为物方坐标系与标准摄影测量坐标系间的旋转矩阵；为标准摄影坐标系与旋转坐标系间的旋转矩阵；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，解算第一个测站对应的转角系统下旋转矩阵的转角和旋转矩阵的转角，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=1，下标表示影像号，，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 和转角的标定结果，根据转角的标定结果重新组建旋转矩阵，跟据转角的标定结果重新组建旋转矩阵；

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

其中，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；，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，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和旋转中心在物方坐标系下的坐标，输出坐标的解算结果，其中，下标1标识测站号=1，下标表示影像号，，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、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和旋转中心在物方坐标系下的坐标；其中下标表示测站号，，下标1表示影像号=1；