基于线阵旋转全景影像的大曲面精密坐标测量关键技术研究

近景数字摄影测量技术成为目前最具发展潜力的一种现场精密三维坐标测量技术，但利用常规面阵数码相机进行大曲面精密坐标测量时，受窄视场角和小面阵的影响，需采取特殊措施才能得到满足要求的影像进行摄影测量，其效率与精度难以兼顾。本项目提出利用旋转全景影像解决大曲面精密坐标测量问题，旋转全景相机利用线阵CCD传感器，通过镜头旋转曝光达到全景拍摄。项目研究全景相机的成像数学模型，推导全景相机带有各种系统误差改正参数的光束法平差及检校模型，研究采用球形标志点的全景三维控制场建立及全景相机的检校方法，研究全景影像拍摄交会网形及控制方案的设计与优化，研究存在较大投影变形全景图像的匹配算法，并针对大曲面研制精密测量原型系统，进行大曲面精密坐标测量试验和评价。本研究为数字近景摄影测量应用于大曲面的精密坐标测量提供新手段、新方法和新理论。

全景摄影具有全视角、成像快速、分辨率高等特点，本项目将全景摄影的方法引入近景摄影测量中，研究应用全景数字影像进行精密坐标测量的关键技术问题，项目的研究基本按项目研究计划执行，并取得了一些原创性的研究成果，主要包括以下几个方面：.1）项目组利用学院一楼综合开放实验室建立了室内全景三维控制场，解决了全景三维控制场中标志的设计与布设、三维基准网观测与平差、标志点的观测与计算等问题，给出了球形标志的观测精度的评价方法，对其实际观测精度进行了统计与分析，全景三维控制场标志点点位精度优于±0.1mm，且控制场中的球形标志具有旋转不变性，适合全景大角度交向摄影。全景三维控制场可进行全景相机检校、模型验证及精密坐标测量等方面的研究，是一个全景摄影相关理论及试验研究的基础性平台。.2）研究了线阵全景相机几何成像模型，并在此模型的基础上，加入偏心距、线阵与旋转轴不平行和镜头畸变等系统误差，推导了基于线扫全景光束共线条件的严密误差方程及平差函数模型，分别用模拟和实际全景控制场数据验证了该平差函数模型，结果表明该模型参数选择合理，正确描述了线阵全景相机的内部结构关系，是线阵全景相机的一种实用模型。经实际全景控制场数据计算分析可知，采用线阵全景影像进行交会测量，可达到较高的点位精度。.3）项目组将普通数码相机固定在高精度旋转平台上集成为低成本的旋转全景相机，研究了旋转全景相机的旋转平台竖轴与相机投影中心相对位置、姿态关系数学表达模型，推导了旋转全景相机的平差函数模型，并基于此平差模型开发了旋转全景相机的相对位置、姿态关系检校和多站旋转全景影像精密坐标测量软件。实验结果表明本文提出的方法能够在近景摄影测量中少受视野和控制点数量的限制，通过较少的控制点即可解算出物方点坐标，点位精度较高。.4) 项目组集成构造了环形固定多台普通数码相机的组合式全景相机，研究了组合式全景相机多台相机之间相对位置及姿态关系的数学表达模型，给出了相机间相对关系的传递矩阵公式，推导了组合式全景相机的平差函数模型，开发了组合式全景相机检校和多站组合式全景影像精密坐标测量软件。实验结果表明，用少量控制点解算的组合式全景相机各像片的外方位元素稳定，多摄站像片前方交会可得到较高精度的物方点坐标。组合式全景相机具有成本低、瞬间完成拍摄、分辨率高、携带操作方便等特点，具有良好的发展、应用与推广前景。