15、数字成像系统的几何校准与摄影测量应用

数字成像系统的几何校准与摄影测量应用

1. 校准与定向技术概述

数字相机用于测量时，需要了解描述相机内部模型以及外部位置和方向的不同参数，这些参数的确定就是测量系统的校准和定向。不同的应用场景有不同的校准和定向策略，也有多种数学模型可用于描述光学测量系统。

2. 实验室校准方法

2.1 测角仪法

在实验室明确的条件下可确定畸变参数。测角仪法中，将高精度网格板置于相机像平面，用测角仪从物方观测网格交点并确定相应角度，通过标称值与实际值的比较得到畸变值。

2.2 准直仪技术

准直仪技术是用多个按确定角度设置的准直仪将测试图案投影到像平面，同样通过标称值与实际值的比较获取内部定向参数，但该方法仅适用于对焦在无穷远的相机。

不过，使用上述实验室技术校准数字成像系统存在一些问题：
- 设备布局成本高；
- 相机的内部定向通常不稳定，用户需定期重新校准；
- 内部定向（包括畸变）会随不同的对焦和光圈设置而变化，因此在实际条件下校准似乎更合适。

3. 光束法平差

3.1 基本原理

通过摄影测量光束法平差可获取校准和定向所需的所有参数。对于图像中测量的每个点，基于特定方程建立两个观测方程，所有对应物点的图像点方程构成一个系统，可确定未知参数。由于这是一个非线性方程组，最初无需线性化，通过最小二乘法迭代计算，使观测图像坐标的偏差平方最小来确定未知量。较新的方法采用现代算法，如平衡参数估计。

3.2 仅基于图像信息的校准

这种方法特别适合校准单个成像系统。它需要对几何稳