光束法平差模型.doc

旋转矩阵四元素法和光束法平差模型 旋转矩阵的四元素表示法： 由于利用传统的旋转矩阵表示法解算时,旋转阵中的三角函数存在多值性和奇异性,经常导致迭代计算的次数增加,甚至会出现不收敛的情况。Pope从四维代数出发,提出用四个代数参数d, a, b, c构成R矩阵,Hinsken导出了一整套公式,即pope-hinsken算法(简称P-H算法),使pope参数在实际摄影测量中得到了应用。设四个参数d, a, b, c服从下列条件（如式3-1）: ………………（式3-1） 用这四个参数构造下列矩阵（如式3-2）: …………（式3-2） 可以知道P,Q矩阵都是正交矩阵，从而可知（式3-3）： …………（式3-3） 因 可知,为正交矩阵，其形式如（式3-4）： ……（式3-4） 上式就是旋转矩阵R的四元素表示法，可以表示任何一种旋转状态。 光束法平差模型： 在解析摄影测量中，将外方位元素和模型点坐标的计算放在一个整体内进行，此时称其为光束法。光束法平差是以共线方程式作为数学模型，像点的像平面坐标观测值是未知数的非线性函数，经过线性化后按照最小二乘法原理进行计算。该计算也是在提供一个近似解的基础上，逐次迭代来达到趋近于最佳值的。 ①.共线方程式的表达： 设S为摄影中心，在世界坐标系下的坐标为（,,）;M为空间一点，在世界坐标系下的坐标为（X,Y,Z），m是M在影像上的构象，其像平面和像空间辅助坐标分别为（x，y，-f），（），此时可知S、m、M三点共线。可得（式3-5） ……（式3-5） 再根据像平面坐标和像空间辅助坐标的关系有（式3-6） ……（式3-6） 由式3-5和式3-6可解得共线方程式为（式3-7） ……（式3-7） 其中，、、f是影像内方位元素；表示像平面中心坐标和摄像机主距。 ②.共线方程式的线性化： 该方程式一次项展开式为（式3-8） …（式3-8） 式中、为共线方程函数近似值，、、、、、为外方位元素改正数，、、为待定点的坐标改正数。 在保证共线条件下有： ……（式3-9） 此时，根据式3-7以及旋转矩阵可得到（式3-10）： ……（式3-10） ③误差方程式的建立： 据此可得到误差方程式为（式3-11）： …（式3-11） 其中有： ……（式3-12） 将误差方程式改写成矩阵形式可为（式3-13）： ……（式3-13） 也可简写成： ……（式3-14） 在该式中有： ④法方程式的建立： 根据平差原理可知其法方程式为（式3-15）： ……（式3-15） 此时，对于加密点，只需列出误差方程式，权赋1； 对于控制点，列出误差方程式，还要列出虚拟误差方程式，权赋P。 虚拟误差方程式为（式3-16）： ……（式3-16） 列出各类点的误差方程式后，按照最小二乘法原理建立法方程式，即按为最小建立的法方程式为（式3-17）： ……（式3-17） 也可简写成： 在根据上式进行展开消元可得改化法方程式为： ……（式3-18） 或者 ……（式3-19） 根据式3-18可以求解出外方位元素的改正值；式3-19可以求解出点的坐标改正值。 ⑤.结果判定： 将改正数和规定的限差相比较，若小于限差则迭代完成，否则用未知数的新值又作为近似值继续迭代，直至满足条件。 由此可知，开始时提供的初始值越接近最佳值，解的收敛速度就愈快；所以通常的处理方法是先进行空间后方交会，求出像片的外方位元素，将其作为光束法平差时未知数的初始值。 参考文献： 摄影测量学 武汉大学出版社 金为铣 2001年4