伽利略早在300年前就曾经说过:“有必要测量一切可测量的事物,而且要尽力去使那些还不可测量的事物可测(It is necessary to measure everything that can be measured and to try making messurable what isn’t as yet.)。”这一古老名言禅释了测量技术和测量手段的重要性。事实上,对客观事物测量方法的改进和测量精度的提高是时代科技进步的重要标志。从古到今,人们为测量方法的改进和测量精度的提高所做出的努力,从来就没有停止过。 本文着眼于飞机测试过程中飞机在空中飞行姿态测量方法研究。利用数字摄影测量的严密理论和计算机视觉的一些前沿成果,对利用光电经纬仪序列影像确定飞行三姿态这一国内外尚无先例的课题所涉及的关键问题进行深入研究,实现高精度、自动化的运动目标姿态测量。 对于飞机姿态测量这一课题,本文的研究思路是,利用近景摄影测量的方法,建立被测飞机的三维几何模型,再利用该模型数据和计算机图形学方法建立光电经纬仪成像模拟系统,通过模拟系统提供的不同影像模型与实际摄制的飞机序列影像进行快速匹配,达到利用单目影像序列直接确定飞机飞行姿态的目的。 本文的主要研究内容和成果包括: (1) 本文系统回顾了运动物体姿态测量的发展历史;总结了当前国内外的研究现状;指出了运动物体姿态测量中目前还有待于进一步解决的关键问题;展望了今后的发展趋势和应用前景。 (2) 详细介绍了目前采用的运动物体姿态测量技术和方法,阐述了它们的原理,全面系统地比较了各种方法的优缺点。大致可以将这些方法分为两大类:一种方法是在物体(如飞机)内部装载姿态GPS接收机和惯性测量器(IMU)对物体的位置和姿态进行测量,这种方法叫运动目标姿态内测。另一种方法是获取被测运动物体的序列影像然后依据影像资料和摄像机的姿态确定运动目标在每一时刻的姿态,这种方法叫运动目标姿态外测。本文对用外测方法确定中远距离飞机运动姿态这一国内外尚无成功解决方案的难题,进行了深入研究,提出了一套完整的解决方案,针对此方案开发了一套飞机姿态测量系统,并得到了实际应用的检验。 (3) 详细阐述了相机成像的透视几何原理,对透视投影成像过程和机理进行了深入剖析,分析了摄影测量的成像过程与OPENGL中成像过程的异同之处,推导了OpenGL成像机理与摄影测量方位元素之间的关系,并推导出两种成像过程在一定条件下的转换公式,阐述了两种成像过程的内在一致性,并进行了试验证明。本文的研究为OpenGL这一计算机图形学界的伟大成果在摄影测量界的应用铺平了道路。摄影测量与计算机视觉以及计算机图形学等学科的研究内容在某些方面有很大的相似,但由于发展背景不同,研究方法上存在很大差异,以致于很难交流和沟通,本文深入探索了摄影测量与计算机视觉以及计算机图形学之间的区别及其内在联系,对于学科之间的交流和沟通也将起到重要的作用。 (4) 将物理意义上的点扩展到数学意义上的点,建立了广义点摄影测量理论,本文对这一最