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数字工业摄影测量技术研究与实践

作　者: 冯其强
导　师: 李广云
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 测绘科学与技术
关键词: 数字工业摄影测量回光反射标志编码标志概略定向匹配 MetroIn_DPM
分类号: P231
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 352次
引　用: 4次
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内容摘要

论文根据我国制造业的发展特点和对高精度摄影测量技术的现实需求,针对数字工业摄影测量系统的软硬件组成、测量方式和精度要求,总结了国内外典型测量系统的特点,分析了数字工业摄影测量技术的未来发展趋势。论文的研究工作围绕高精度数字工业摄影测量系统涉及的相机、测量标志等硬件设备以及相机检校、标志点图像中心坐标提取、测量数据处理等关键技术展开,提出了一系列创新性技术和算法;并结合天线测量项目介绍了数字工业摄影测量技术在实际工程中的应用情况。论文主要工作总结如下:(1)分析了编码标志的设计原则,介绍了常用的同心圆环型编码标志和点分布型编码标志;设计制作了一种由5个模版点和3个编码点组成的点分布型编码标志,编码容量为496个;研究并实现了基于交比不变量的编码标志图像自动识别算法。(2)设计制作了由1个圆环标志和5个圆标志组成的定向靶;研究并实现了其图像自动识别算法。(3)介绍了CCD、CMOS及科学级CCD等影像传感器的工作原理及其成像性能差异;分析了数码相机中影响摄影测量精度的因素,包括图像分辨率、成像噪声、畸变差、结构稳定性及彩色成像机理等;提出了用于高精度数字工业摄影测量的数码相机选型原则。(4)介绍了3种常用的相机畸变模型:一般多项式模型、10参数模型和有限元模型,通过实验验证了不同模型的检校效果;提出了基于有限元模型和10参数模型的数码相机组合检校方法,有效提高了量测型相机的测量精度。(5)分析了圆形回光反射标志图像的灰度分布规律,介绍了常用的标志图像识别算法和中心坐标提取算法;提出了基于边界搜索的标志图像中心提取算法,像点坐标定位精度优于0.022像素。(6)利用均匀散焦退化模型生成了圆形回光反射标志的仿真图像;利用仿真图像验证了基于Canny算子的椭圆拟合算法及基于边界搜索的像点坐标定位算法的精度,分析了标志中心位置、噪声、标志图像半径等因素对定位精度的影响。(7)分析了圆形测量标志成像为椭圆时的椭圆偏心差分布规律;利用仿真图像定量分析了平面、球内表面、球外表面及圆柱面测量目标上的标志图像椭圆偏心差分布规律,给出了不同测量目标上的标志半径选择和摄站布设原则。(8)提出了基于4个非共线控制点的单张像片空间后方交会算法,以及基于定向靶和编码标志的多张像片自动概略定向算法;通过实验验证了像片定向算法的有效性。(9)介绍了基于核线约束的像点自动匹配算法,分析了核线约束的不足;提出了基于已知点和核面约束的像点匹配算法,并通过实验验证了算法的有效性。(10)推导了基于逐点法化消元法的自检校光束法平差快速计算方法;研究了利用多根基准尺确定测量坐标系长度基准的方法;提出了利用像点坐标残差和多余观测数检测粗差的方法。(11)介绍了在论文研究内容基础上集成开发的MetroIn_DPM数字工业摄影测量系统组成及软件主要功能模块;实验验证了系统测量精度;通过工程实例介绍了数字工业摄影测量技术在指导天线安装调整和天线工作状态下的变形测量方面的应用。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-22
  1.1 引言  12-14
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  14-20
    1.2.1 国外研究现状  14-17
    1.2.2 国内研究现状  17-18
    1.2.3 数字工业摄影测量技术发展趋势  18-20
  1.3 论文研究的背景和内容  20-22
    1.3.1 研究背景  20
    1.3.2 研究内容及论文结构  20-22
第二章人工标志及测量附件  22-36
  2.1 回光反射标志  22-27
    2.1.1 回光反射材料的结构  22-23
    2.1.2 回光反射材料的性质  23-25
    2.1.3 回光反射材料的等级  25-27
  2.2 编码标志设计与识别  27-33
    2.2.1 编码标志设计原则  27
    2.2.2 编码标志种类  27-29
    2.2.3 一种新的点分布型编码标志设计方案  29-30
    2.2.4 点分布型编码标志识别算法  30-33
  2.3 主要测量附件  33-35
    2.3.1 定向靶  33-34
    2.3.2 基准尺  34-35
  本章小结  35-36
第三章数码相机及其检校  36-59
  3.1 影像传感器  36-42
    3.1.1 CCD  36-38
    3.1.2 CMOS  38-39
    3.1.3 CCD和CMOS比较  39-40
    3.1.4 科学级CCD  40-42
  3.2 影响测量精度的主要因素  42-49
    3.2.1 分辨率  42
    3.2.2 噪声  42-44
    3.2.3 畸变  44
    3.2.4 结构稳定性  44-47
    3.2.5 彩色成像  47-49
  3.3 常用相机畸变模型  49-56
    3.3.1 一般多项式模型  49
    3.3.2 10 参数模型  49-51
    3.3.3 有限元模型  51-52
    3.3.4 实验及结果分析  52-56
  3.4 数码相机组合检校  56-58
    3.4.1 整体规律性畸变与局部规律性畸变  56
    3.4.2 相机组合检校方法  56-58
  本章小结  58-59
第四章标志图像中心坐标提取  59-99
  4.1 常用标志图像识别及中心定位算法  59-66
    4.1.1 标志图像灰度分布规律  59-61
    4.1.2 标志图像识别算法  61-64
    4.1.3 标志图像中心定位算法  64-66
  4.2 基于边界搜索的像点坐标提取  66-71
    4.2.1 标志图像识别算法  66-68
    4.2.2 标志图像中心定位  68-69
    4.2.3 性能分析与结论  69-71
  4.3 标志图像中心定位精度仿真分析  71-80
    4.3.1 标志成像过程仿真方法  71-73
    4.3.2 定位算法精度分析  73-79
    4.3.3 结论  79-80
  4.4 标志图像椭圆偏心差仿真分析  80-98
    4.4.1 椭圆偏心差  80-81
    4.4.2 椭圆偏心差仿真方法  81-83
    4.4.3 平面目标  83-86
    4.4.4 球面目标  86-93
    4.4.5 圆柱面目标  93-98
  本章小结  98-99
第五章摄影测量数据处理  99-126
  5.1 像片自动概略定向  99-107
    5.1.1 基于4 个非共线控制点的单张像片空间后方交会  99-104
    5.1.2 基于定向靶和编码标志的多张像片自动概略定向  104-105
    5.1.3 实验及结论  105-107
  5.2 像点自动匹配  107-116
    5.2.1 基于核线约束的像点匹配算法  107-109
    5.2.2 基于已知点和核面约束的像点分组匹配算法  109-113
    5.2.3 实验  113-114
    5.2.4 结论  114-116
  5.3 自检校光束法平差快速计算  116-124
    5.3.1 基于逐点法化消元法的自检校光束法平差快速计算  116-121
    5.3.2 长度基准  121-122
    5.3.3 粗差检测  122
    5.3.4 平差速度实验  122-124
    5.3.5 结论  124
  本章小结  124-126
第六章系统集成与应用  126-147
  6.1 MetroIn_DPM系统集成  126-131
    6.1.1 硬件组成  126-127
    6.1.2 MetroIn_DPM软件  127-131
  6.2 精度分析与测试  131-136
    6.2.1 精度估计  131
    6.2.2 内符合精度  131-132
    6.2.3 外符合精度  132-133
    6.2.4 实验及结论  133-136
  6.3 工程应用  136-146
    6.3.1 天线安装检测  136-141
    6.3.2 ASKAP天线工作状态下的变形测量  141-146
  本章小结  146-147
第七章总结与展望  147-151
  7.1 论文的主要工作总结  147-149
  7.2 论文的创新点总结  149-150
  7.3 下一步工作展望  150-151
参考文献  151-157
攻读博士学位期间完成的主要工作  157-159
致谢  159

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