摄影测量——单像空间后方交会

news2025/4/16 14:49:49

空间后方交会的求解是一个非线性问题,通常采用最小二乘法进行迭代解算。下面我将详细介绍具体的求解步骤:

1. 基本公式(共线条件方程)

共线条件方程是后方交会的基础:

复制

x - x₀ = -f * [m₁₁(X-Xₛ) + m₁₂(Y-Yₛ) + m₁₃(Z-Zₛ)] / [m₃₁(X-Xₛ) + m₃₂(Y-Yₛ) + m₃₃(Z-Zₛ)]
y - y₀ = -f * [m₂₁(X-Xₛ) + m₂₂(Y-Yₛ) + m₂₃(Z-Zₛ)] / [m₃₁(X-Xₛ) + m₃₂(Y-Yₛ) + m₃₃(Z-Zₛ)]

其中mᵢⱼ是旋转矩阵元素,由三个外方位角元素(φ,ω,κ)决定。

2. 求解步骤

步骤1:数据准备

  • 已知:至少3个地面控制点的地面坐标(X,Y,Z)和对应的像点坐标(x,y)

  • 已知:相机的内方位元素(x₀,y₀,f)

  • 需要:提供外方位元素的初始近似值(Xₛ⁰,Yₛ⁰,Zₛ⁰,φ⁰,ω⁰,κ⁰)

步骤2:线性化处理

将共线方程在近似值处进行泰勒展开,保留一阶项:

复制

vₓ = a₁₁ΔXₛ + a₁₂ΔYₛ + a₁₃ΔZₛ + a₁₄Δφ + a₁₅Δω + a₁₆Δκ - lₓ
vᵧ = a₂₁ΔXₛ + a₂₂ΔYₛ + a₂₃ΔZₛ + a₂₄Δφ + a₂₅Δω + a₂₆Δκ - lᵧ

其中:

  • vₓ,vᵧ为残差

  • aᵢⱼ为偏导数系数

  • lₓ,lᵧ为常数项(观测值与计算值之差)

步骤3:建立误差方程

对于n个控制点,可建立2n个误差方程,矩阵形式为:

复制

V = AΔ - L

其中:

  • V为残差向量

  • A为设计矩阵(偏导数矩阵)

  • Δ为外方位元素改正数向量

  • L为常数项向量

步骤4:组成法方程并求解

法方程为:

复制

AᵀPAΔ = AᵀPL

解为:

Δ = (AᵀPA)⁻¹AᵀPL

其中P为权矩阵,通常初始设为单位矩阵。

步骤5:更新参数

Xₛ¹ = Xₛ⁰ + ΔXₛ
Yₛ¹ = Yₛ⁰ + ΔYₛ
Zₛ¹ = Zₛ⁰ + ΔZₛ
φ¹ = φ⁰ + Δφ
ω¹ = ω⁰ + Δω
κ¹ = κ⁰ + Δκ

步骤6:迭代计算

重复步骤2-5,直到改正数Δ小于设定的阈值(如1e-6)。

3. 偏导数计算

设计矩阵A中的偏导数系数计算如下:

4. 精度评定

单位权中误差:

σ₀ = √(VᵀPV)/(2n-6)

参数协方差矩阵:

Dₓₓ = σ₀²(AᵀPA)⁻¹

5. C#代码

输入文件格式:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using MathNet.Numerics.LinearAlgebra;

// 定义 Points 结构体
public struct Points
{
    public double x0;
    public double y0;
    public double X;
    public double Y;
    public double Z;
}

// 定义 OuterElements 结构体
public struct OuterElements
{
    public double f;
    public double Xs;
    public double Ys;
    public double Zs;
    public double phi;
    public double omega;
    public double kappa;
}

// 定义 Accurracy 结构体
public struct Accurracy
{
    public double sigema;
    public double[] m;
    public Accurracy()
    {
        sigema = 0;
        m = new double[6];
    }
}

class Program
{
    // 从文件中读取数据
    static int ReadFile(string filePath, out List<Points> p, out OuterElements o)
    {
        p = new List<Points>();
        o = new OuterElements();
        try
        {
            string[] lines = File.ReadAllLines(filePath);
            int linenumber = 0;
            Points p0 = new Points();
            foreach (string line in lines)
            {
                linenumber++;
                if (linenumber >= 2 && linenumber <= 5)
                {
                    string[] values = line.Split(new char[] { ' ' }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
                    p0.x0 = double.Parse(values[0]);
                    p0.y0 = double.Parse(values[1]);
                    p0.X = double.Parse(values[2]);
                    p0.Y = double.Parse(values[3]);
                    p0.Z = double.Parse(values[4]);
                    p.Add(p0);
                }
                else if (linenumber == 7)
                {
                    string[] values = line.Split(new char[] { ' ' }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
                    o.f = double.Parse(values[0]);
                }
                else if (linenumber == 10)
                {
                    string[] values = line.Split(new char[] { ' ' }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
                    o.Xs = double.Parse(values[0]);
                    o.Ys = double.Parse(values[1]);
                    o.Zs = double.Parse(values[2]);
                    o.phi = double.Parse(values[3]);
                    o.omega = double.Parse(values[4]);
                    o.kappa = double.Parse(values[5]);
                }
            }
            return 1;
        }
        catch (Exception)
        {
            Console.WriteLine("file open error");
            return 0;
        }
    }

    // 构建旋转矩阵
    static Matrix<double> BuildRotationMatrix(OuterElements eo)
    {
        Matrix<double> R = Matrix<double>.Build.Dense(3, 3);
        double cos_phi = Math.Cos(eo.phi);
        double sin_phi = Math.Sin(eo.phi);
        double cos_omega = Math.Cos(eo.omega);
        double sin_omega = Math.Sin(eo.omega);
        double cos_kappa = Math.Cos(eo.kappa);
        double sin_kappa = Math.Sin(eo.kappa);

        double a1 = cos_phi * cos_kappa - sin_phi * sin_omega * sin_kappa;
        double a2 = -cos_phi * sin_kappa - sin_phi * sin_omega * cos_kappa;
        double a3 = -sin_phi * cos_omega;
        double b1 = cos_omega * sin_kappa;
        double b2 = cos_omega * cos_kappa;
        double b3 = -sin_omega;
        double c1 = sin_phi * cos_kappa + cos_phi * sin_omega * sin_kappa;
        double c2 = -sin_phi * sin_kappa + cos_phi * sin_omega * cos_kappa;
        double c3 = cos_phi * cos_omega;

        R[0, 0] = a1; R[0, 1] = b1; R[0, 2] = c1;
        R[1, 0] = a2; R[1, 1] = b2; R[1, 2] = c2;
        R[2, 0] = a3; R[2, 1] = b3; R[2, 2] = c3;

        return R;
    }

    // 构建系数矩阵
    static void BuildCoefficientsMatrix(List<Points> p, OuterElements eo, Matrix<double> R, out Matrix<double> A, out Matrix<double> L)
    {
        int n = p.Count;
        double f = eo.f;
        double a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3;
        double a11, a12, a13, a14, a15, a16;
        double a21, a22, a23, a24, a25, a26;

        A = Matrix<double>.Build.Dense(2 * n, 6);
        L = Matrix<double>.Build.Dense(2 * n, 1);

        for (int i = 0; i < p.Count; i++)
        {
            Vector<double> V = Vector<double>.Build.Dense(3);
            V[0] = p[i].X - eo.Xs;
            V[1] = p[i].Y - eo.Ys;
            V[2] = p[i].Z - eo.Zs;

            Vector<double> Xmean = R * V;

            double x_approx = -f * Xmean[0] / Xmean[2];
            double y_approx = -f * Xmean[1] / Xmean[2];

            double obs_x = p[i].x0 / 1000.0;
            double obs_y = p[i].y0 / 1000.0;

            L[2 * i, 0] = obs_x - x_approx;
            L[2 * i + 1, 0] = obs_y - y_approx;

            a1 = R[0, 0]; b1 = R[0, 1]; c1 = R[0, 2];
            a2 = R[1, 0]; b2 = R[1, 1]; c2 = R[1, 2];
            a3 = R[2, 0]; b3 = R[2, 1]; c3 = R[2, 2];

            double denom = Xmean[2];
            double x = x_approx;
            double y = y_approx;

            a11 = (a1 * f + a3 * x) / denom;
            a12 = (b1 * f + b3 * x) / denom;
            a13 = (c1 * f + c3 * x) / denom;
            a21 = (a2 * f + a3 * y) / denom;
            a22 = (b2 * f + b3 * y) / denom;
            a23 = (c2 * f + c3 * y) / denom;

            double term1_x = y * Math.Sin(eo.omega);
            double term2_x = (x / f * (x * Math.Cos(eo.kappa) - y * Math.Sin(eo.kappa)) + f * Math.Cos(eo.kappa)) * Math.Cos(eo.omega);
            a14 = term1_x - term2_x;

            a15 = -f * Math.Sin(eo.kappa) - (x / f) * (x * Math.Sin(eo.kappa) + y * Math.Cos(eo.kappa));
            a16 = y;

            double term1_y = -x * Math.Sin(eo.omega);
            double term2_y = (y / f * (x * Math.Cos(eo.kappa) - y * Math.Sin(eo.kappa)) - f * Math.Sin(eo.kappa)) * Math.Cos(eo.omega);
            a24 = term1_y - term2_y;

            a25 = -f * Math.Cos(eo.kappa) - (y / f) * (x * Math.Sin(eo.kappa) + y * Math.Cos(eo.kappa));
            a26 = -x;

            A[2 * i, 0] = a11; A[2 * i, 1] = a12; A[2 * i, 2] = a13;
            A[2 * i, 3] = a14; A[2 * i, 4] = a15; A[2 * i, 5] = a16;

            A[2 * i + 1, 0] = a21; A[2 * i + 1, 1] = a22; A[2 * i + 1, 2] = a23;
            A[2 * i + 1, 3] = a24; A[2 * i + 1, 4] = a25; A[2 * i + 1, 5] = a26;
        }
    }

    // 最小二乘法
    static int LeastSquares(List<Points> p, ref OuterElements o, ref Accurracy acc, string outFilePath)
    {
        double threshold = 1e-6;
        int n = p.Count;
        int NumberofIteration = 0;

        Vector<double> x = Vector<double>.Build.Dense(6, 1);
        Matrix<double> R = Matrix<double>.Build.Dense(3, 3);
        Matrix<double> A = Matrix<double>.Build.Dense(2 * n, 6);
        Matrix<double> L = Matrix<double>.Build.Dense(2 * n, 1);
        Matrix<double> V = Matrix<double>.Build.Dense(2 * n, 1);
        Matrix<double> Q = Matrix<double>.Build.Dense(6, 6);

        while (!x.All(d => d < threshold))
        {
            R = BuildRotationMatrix(o);
            BuildCoefficientsMatrix(p, o, R, out A, out L);
            Q = (A.Transpose() * A).Inverse();
            x = Q * (A.Transpose() * L);
            V = A * x - L;

            o.Xs += x[0];
            o.Ys += x[1];
            o.Zs += x[2];
            o.phi += x[3];
            o.omega += x[4];
            o.kappa += x[5];

            Accuracy_assessment(V, Q, ref acc);
            NumberofIteration++;

            if (NumberofIteration > 10)
            {
                Console.WriteLine("Not converging!");
                return 0;
            }

            Save_Adjustment_report(outFilePath, o, acc, NumberofIteration);
        }

        return 1;
    }

    // 精度评估
    static void Accuracy_assessment(Matrix<double> V, Matrix<double> Q, ref Accurracy acc)
    {
        int n = V.RowCount / 2;
        double m0 = 0.0;

        acc.sigema = Math.Sqrt((V.Transpose() * V)[0, 0] / (2 * n - 6));

        for (int i = 0; i < 6; i++)
        {
            m0 = acc.sigema * Math.Sqrt(Q[i, i]);
            acc.m[i] = m0;
        }
    }

    // 初始化外方位元素
    static void Initialize_Outerelements(List<Points> p, ref OuterElements o)
    {
        double X_all = 0.0;
        double Y_all = 0.0;
        int n = p.Count;

        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            X_all += p[i].X;
            Y_all += p[i].Y;
        }

        o.Xs = X_all / n;
        o.Ys = Y_all / n;
        o.Zs = 50000 * o.f;
        o.phi = 0.0;
        o.omega = 0.0;
        o.kappa = 0.0;
    }

    // 保存调整报告
    static void Save_Adjustment_report(string outFilePath, OuterElements o, Accurracy acc, int NumberofIteration)
    {
        using (StreamWriter writer = new StreamWriter(outFilePath, true))
        {
            writer.WriteLine($"Iteration: {NumberofIteration}");
            writer.WriteLine($"Xs: {o.Xs}, Ys: {o.Ys}, Zs: {o.Zs}, phi: {o.phi}, omega: {o.omega}, kappa: {o.kappa}");
            writer.WriteLine($"sigema: {acc.sigema}");
            for (int i = 0; i < 6; i++)
            {
                writer.WriteLine($"m[{i}]: {acc.m[i]}");
            }
        }
    }

    static void Main()
    {
        List<Points> p;
        OuterElements o = new OuterElements();
        Accurracy acc = new Accurracy();

        string filename = "input.txt";
        string outfilename = "result.txt";

        if (ReadFile(filename, out p, out o) == 1)
        {
            o.f = o.f / 1000.0;
            LeastSquares(p, ref o, ref acc, outfilename);
        }

        Console.WriteLine("The calculation is complete!");
    }
}

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大纲 1.Sentinel流量治理框架简介 2.Sentinel源码编译及Demo演示 3.Dashboard功能介绍 4.流控规则使用演示 5.熔断规则使用演示 6.热点规则使用演示 7.授权规则使用演示 8.系统规则使用演示 9.集群流控使用演示 5.熔断规则使用演示 (1)案例说明熔断和降级 (2)Sentin…

IDEA的常用设置(更新中......)

文章目录 1. 自动导包2. 忽略大小写3. 设置项目文件编码格式4. 设置方法之间分割线5. 设置字体大小6. 设置IDEA默认不打开项目持续更新中...... 1. 自动导包 File->Settings->Editor->General>Auto Import 2. 忽略大小写 File->Editor->General->Code…

c# Kestrel

Kestrel 是 .NET 中用于 ASP.NET Core 应用程序的跨平台 Web 服务器。它是轻量级且高性能的&#xff0c;能够处理大量并发连接&#xff0c;常被用作 ASP.NET Core 应用的默认服务器。以下为你介绍 Kestrel 的基本使用和配置&#xff1a; 基本使用 创建一个简单的 ASP.NET Cor…

x86 保护模式中的GDT表是什么?

GDT&#xff08;全局描述符表&#xff0c;Global Descriptor Table&#xff09;是 x86 保护模式下用于描述不同类型内存段的一个重要数据结构。在保护模式下&#xff0c;GDT 用于管理和保护系统内存&#xff0c;它通过提供一组段描述符来定义内存的访问权限、大小、类型等属性 …