应用基确与工程科学学报JOURNALorBASICSCIENCEANDENGINEERING：1005-0930(2008)05-0726-07:P23文献标识码:A地面摄影单像投影变换的研究及应用李浩，贾晓敏，王明华，陈新玺(河海大学土木工程学院，江苏南京210098)摘要:为避免近景影像信息投影变换的立体摄影测量工作方式，本文探讨地面摄影的单像投彩变换方法及其实际应用•研究表明，无需转换数字高程模型(DEM)的投影面，顾及近景影像和DEM的关系，将投彩光线投形至不同坐标平面处理，地面摄影单像投影变换对各种目标形态的计算均能够正确收敛;基于普通数码影像的单像投影变换物方坐标的相对误差小于摄影纵距的1/600,能够满足对工程信息的大比例尺投影变换的精度要求•结合普通数码相机量测化技术,地面摄影单像投影变换能为基于影像的工程监测带来新的技术支持.关键词：单像投影变换;地面摄影;普通数码影像;边坡监测;精度影像信息处理过程中,经常需将表示在影像上的信息投影变换至物方坐标系中.信息由像方变换至物方的处理过程，一般采用立体摄影测量方式实现I®•该作业方式对专门设备和专业技能有较高要求•作业需在数字摄影测量系统或具有影像立体测绘功能的其它设备上进行，还需有能从事立体测绘的专业人员⑷•当作业区域建有适用的数字高程模型(DEM)时，则可利用DEM实现单张像片的投影变换，由此可大大降低投影变换对专业设备和专业技能的要求，拓展影像信息量测应用的领域•然而，单像投影变换的技术和方法目前仅用于对航摄影像或高分辨率卫星影像的信息处理⑸，即限于从空中对地观测，尤其被非专业测绘部门用于专题信息的修测.在工程摄影测量中，影像拍摄大多采用地面摄影方式，拍摄对象通常为近距离的自然地表或地表开挖面，可用的相机一般只有普通数码相机，而信息处理时可能既无专业设备又无测绘专业人员•正是这种条件,使地面摄影的单像投影变换难以应用于工程实际•为此，本文探讨地面摄影单像投彫变换算法和基于普通数码影像的单像投影变换精度，以及该方法在岩石边坡多技术组合监测中的应用.1地面摄影单像投影变换的基本原理在地面坐标系中,像片的内外方位元素确定后，像点所在的投影光线在空间的方位即可确定•当建立有被测目标区的DEM时，投影光线与DEM的交点即是像点所对应的物方点位，由此可实现单张像片的像点——物点的空间定位，即单像投影变换，如图1所示.收稿日期：200705-19；修订日期：2007-12-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50579013)作者简介:李浩(1964—)■男，博士，教授.E-mail：lihao@hhu.edu地面摄影的投影变换的物点定位公式由中心投影构像方程变形得到:”二Zs+(Y-YQ彳式中=+a2/+a3z；y=6Ix+62/+63Z;Z=cxx+c2f+c3z；xyz为像点的像平面坐标;/为像片主距;X、Y、Z为像点所对应的物点的物方坐标;兀、h、Zs为投影中心的物方坐标;叫一C3为像片的方向余弦.在确定了像片的内外方位元素，建立有被测对象DEM后，任一像点的地面摄影的投影变换计算过程可如下进行：(1)给定投影点的丫坐标近似值丫0；(2)由式(1)计算得投影点坐标(X,Z);(3)由所得立面点位(X,Z)在DEM上内插计算得坐标Y;(4)判断前后两次丫坐标差值(r-r0)是否小于规定限差•若不小于，则以丫为新的坐标近似值，重复步骤(2)和步骤(3)的计算并判断，直到小于规定限差•所得坐标(X、Y、Z)即为投影点的物方坐标.2地面摄影单像投影变换的收敛性若DEM所描述的对象是定义在XZ立面上的单值曲面,则投影光线与DEM的交点是唯一的，且计算是稳定的•但实际目标面大多复杂,DEM所描述的表面不可能用一个整体函数表达，故在具体计算上，确定投影光线与DEM交点位置的过程只能是一个迭代趋近过程，这种方法造成投影变换计算可能的不收敛•此外，地面摄影单张影像的投影变换,最好采用定义在XZ立面上的DEM(或称DSM)，但事实上各种方法建成的DEM均是定义在XY平面上的.因此，地面摄影像片的投影变换应该适应于通常的DEM,并设法保证投影变换的计算收敛和精度.考虑到地面摄影影像与被摄立面目标的方位特点，即投影光线与立面(XZ坐标平面)的夹角通常很大，而目标面与立面的夹角一般均小于这一角度•这种情况下，投影变换计算过程是收敛的，并且当作业区域内目标面...