隧道近景摄影测量影像解析与快速实现研究

摘要

目前隧道变形监测方法还过多依赖传统的地面仪器测量方法，传统的技术途径存在劳动强度大的问题，同时在获取信息的准确性、全面性、及时性等方面也存在诸多技术局限，不能满足信息化变形监测的需求。随着数码相机的不断发展和数字近景摄影测量理论持续完善，人们开始利用数码相机与数字近景摄影测量技术相结合的方式进行工程应用研究。
　　本文在总结前人研究成果的基础上将数字近景摄影测量技术引入隧道工程中，对整个作业流程中所需的关键技术进行了相关研究，并开发了相应的隧道近景摄影测量实验系统。本文主要进行的工作概括以下几点:
　　(1)针对数码相机内方位元素未知、物镜畸变差大且不稳定的特点，研究普通数码相机成像的原理，编写数码相机的现场快速检校与标定程序。程序结果与现有商业相机标定软件结果对比，其精度可以达到商业软件水平，且程序在计算速度、标定影像适应性、运行硬件要求等方面具有明显优势。
　　(2)针对隧道影像灰度相似性高、重复纹理特征多的特点，研究目前主流的影像特征点提取、匹配算法的适应性，通过实际隧道影像实验，对不同的特征点提取、匹配算法进行对比、性能评价。在SURF算法基础上融入RANSAC算法，解决SURF算法影像匹配错误率高的问题。分别使用隧道影像和卫星影像对两者结合后的匹配效果进行验证，实验结果表明，对SURF影像匹配结果进行RANSAC去噪，可以得到可靠性高的同名点对。
　　(3)基于本文研究的理论算法，完善了隧道近景摄影测量作业流程，并开发设计了隧道近景摄影测量实验系统。该系统包括相机标定、影像特征点提取与匹配、影像量测解析、三维显示四个模块，并将系统在实际隧道工程中应用进行检验。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究目的和意义

1．4 论文章节安排

第2章 近景摄影测量影像量测方法

2．1 数字摄影测量坐标系

2．1．1 常用坐标系

2．1．2 坐标系间转换

2．2 近景影像成像方式

2．2．1 单像对影像

2．2．2 多基线影像

2．3 直接线性变换法

2．4 单像后交—多片前交算法

2．4．1 单像空间后方交会的初始值

2．4．2 空间后方交会及前方交会解算

2．4．3 精度分析

2．4．4 可靠性分析

2．5 光束法平差

2．6 本章小结

第3章 数码相机快速标定

3．1 数码相机及其构像特性

3．1．1 数码相机线性成像模型

3．1．2 数码相机非线性成像模型

3．2 标定程序设计与实现

3．2．1 数码相机标定程序设计

3．2．2 数码相机标定程序实现

3．3 相机标定实验

3．3．1 相机硬件选择

3．3．2 相机标定结果分析

3．4 本章小结

第4章 隧道影像特征点提取与匹配

4．1 隧道特征点提取

4．1．1 Moravec算子

4．1．2 Harris算子

4．1．3 Forstner算子

4．2 隧道特征点匹配

4．2．1 基于相关系数的灰度匹配

4．2．1 最小二乘影像匹配

4．3 改进的SURF特征点提取与匹配

4．3．1 Hessian矩阵构造高斯金字塔尺度空间

4．3．2 利用非极大值抑制初步确定特征点

4．3．3 特征点描述符

4．3．4 特征点匹配

4．3．5 RANSAC去噪

4．4 特征点提取与匹配算法分析

4．4．1 特征点提取算法分析

4．4．2 特征匹配算法分析

4．5 本章小结

第5章 隧道近景摄影测量实验系统设计与开发

5．1 系统设计

5．1．1 系统开发平台

5．1．2 系统功能构架

5．2 系统功能介绍

5．2．1 数码相机标定模块

5．2．2 影像量测解析模块

5．2．3 特征点提取与匹配模块

5．2．4 三维数据可视化模块

5．3 系统应用

5．3．1 实验方案

5．3．2 实验过程

5．4 本章小结

总结与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果