1、毕业设计（论文）外文翻译题 目 PhotoModeler Scanner 在 古建筑测绘中的应用 专 业 测 绘 工 程 班 级 0901 班 学 生 指导老师 重庆交通大学2013 年火山学通报，2009 年 7 月，69 卷 1 期，P105-108基于活动熔岩流可见光和热感影像的倾斜摄影测量Mike R. James. Stuart Robson. Harry Pinkerton. Matthew Ball手持相机数码图像越来越多地被用于科学目的，特别是在非接触式测量是必需的地方。然而，他们往往由显著的相机到对象的深度的变化和闭塞的斜视组成，复杂化定量分析。在这里，我们报告通过斜摄影技术
2、来确定基于地面的热感照相机方位（位置并指出方向） ，并产生在西西里岛火山的熔岩流场景信息。从基于大众使用的消费级单反数码相机的多个图像来构造一个基于地面热图像的地形模型和参考。我们展示在 2004-2005 年火山爆发期间收集的数据和对于基于像素的热感图像，使用派生曲面模型来查看距离改正（考虑大气衰减） 。对于查看约为 100 至 400 米的距离，更正导致在辐射强度系统的变化就值方面高达3，其是假设在一个统一的平均图像的观看距离计算而得。关键词：近景摄影测量，埃特纳（Etna）火山，熔岩流，热感图像引言：为了提高我们了解了熔岩如何流动并最终停止，需要更先进的测量（熔岩）流动的发生和冷却的技术
3、技术（Hidaka，等。2005 年） 。卫星数据经常用于监测活火山，但为获取准确的温度信息，可行的空间分辨率为 30 m 左右的中红外或近红外区域（陆地卫星 TM 和 ASTER 数据）或更大的热红外波段（60m 的陆地卫星 ETM +和 ASTER 的 90米; Donegan 和 Flynn 2004; Pieri 和 Abrams 2004） 。这些尺寸都大大高于在熔岩流表面热性结构的空间变异，限制冷却模型从而限制卫星数据的使用。最近手持式热成像仪的使用提供了一个潜在的解决方案，即通过实现 1-103m 的距离观看，增加空间分辨率达到 的一因子（1 毫米左右） 。因此，手持式热成像仪获
4、取的图像有潜力50提供了丰富的（熔岩）流动模型信息，并提供地面实况信息用于卫星数据的解释（例如 Calvari 等。2005 年） 。不过，关键的缺点，存在于大多数近距离数据集（强烈的斜视角，未知的成像几何关系与传感器的空间位置）通常阻碍地理参考和目前制约定量分析。数字摄影测量技术的应用在火山已普遍局限于从传统的航空图像生产数字高程模型（DEM） （Baldi 等，2000；Kerle，2002 年） ，或最近，从卫星数据（Stevens 等人；2004 年） 。在一个较小尺度范围，近景摄影测量和倾斜摄影已成功用于地貌研究（例如：Chandler 和 Brunsden 1995；Lane 等，
5、2001 年）和计算机视觉的方法已被最近开发从序列倾斜图像测定火山地形（Cache 等，2003） 。在这里，我们将展示为了克服在使用倾斜角度和比较低分辨率的温度传感器时数据处理的一些固有问题，近景数字摄影测量技术是如何可以被用来联合从任意位置热和可见光相机获取的图像数据。自动摄影和图像匹配技术（Papadaki 2002 年） ，可获取地形数据，以及整顿和地理参考可见光与红外线图像。观察对象的表面和相机方位的测定允许对热图像的每个像素的有关大气衰减因素计算。我们利用在埃特纳火山活动的熔岩渠道和流动阵地地面图像来说明这些技术的应用。图 1 地理位置埃特纳火山和山谷德尔波夫。2004-2005
6、年熔岩最终流域显示为主图上的黑色区域以及它们在 2004 年 9 月 27 号的流域显示在插图上。流动前端周围的星号展示了摄影测量控制的一些目标使用的位置。数据采集埃特纳火山，在意大利西西里岛，拥有最近既热情洋溢又适度爆炸活动的历史。经过约一个相对平静的一年，2004 年 9 月 7 日，一小熔岩喷口开幕海拔 2800 米，在东南基地火山口。一周之内，在巴耶德尔波夫顶部两个海拔相对较低的喷口下低落（在 2650 和 2250 米，图 1）也形成，熔岩向东流入山谷。在相对温和的流动速率（大约 3 立方米每秒;伯顿等 2005 年） ，提供通道流量被冷受限（Guest 等。1987 年） ，并且（
7、在实地调查期间）小于 2.5 公里长，在 Monte Centenari 南部，谷底斜坡的裂隙有主动流动前端（图 2a） 。同时有相当一部分发展在陡峭的地形流场有落石的危险，流动前端相对可行。因此，地面的图像可以获取流动前端和远端通道地区，在这个文章中使用的数据收集于 9 月 27 日 2004。热感图像通过前视红外 ThermaCAM S40 获得，它提供 24的广角（类似于一个具有 APS 尺寸传感器的数码单反相机 50mm 镜头）。该传感器是一个 320 240 非制冷微测焦平面阵列，拥有 7.5-13 微米的光谱范围。该热感相机的几何成像校准是很有必要的，因此拥有热感标记的目标是必需的
8、。因此，虽然初步校准已进行了成像几何模型的改进（更正是由一阶径向畸变为主） ，由于场地调焦的变化尚未被充分的考虑。Etna 火山的摄影测量技术需要每张图像至少四个已知三维坐标用以观察，以便可靠地估计摄影机方位。由金属箔构建的人工控制目标被部署在该区域;一些大的平面目标（约 50cm）由一些小的（约 5cm） “球”型目标构成，以增强短距离观测精度。目标位置测定协调使用全球定位系统（GPS）（ProMark X），对于比较接近的目标，目标间目标的距离可用卷尺测定。这些测量做为观测值在摄影测量网平差与 GPS 观测数据一起解算。图 2 图 a 和图 b 分别为摄于 2004 年 9 月 27 日活
9、动熔岩流的前端与渠道的可见光和热感图像，大约北向。对于规模，活跃流通的前面大约 35 米宽。可见光图像显示了一个不活动的流动前端，和在一个活动前端右前方部分枯竭的渠道（其在前一天很活跃）。热感图像上覆有一个从可见光图像提取的三角曲面模型透明的视角。摄影测量和结果摄影测量软件的使用（VMS 系统，Robson and Shortis，http:/）提供了一般实例的解决方案，适合有重叠的倾斜图像带的使用。每个可识别的控制好目标影像的量测使用三维坐标数据，为每副影像提供相机的起初方位值。这些最初值根据最小二乘法重新定义。如果需要（如地形数据生成） ，在区域网或光束平差（Granshaw1980）进行
10、之前，其他同源点可以生成以增加了测量网密度。校正的热感图像可以实现，可以通过两种途径，要么使用这种以热识别目标为基础的摄影测量方法，或摄影机的位置可以从在相同位置确定的影像确定，只需计算相机相关的旋转角度。摄影测量数据后处理是利用 Matlab 进行的。一个相对比较粗糙的数字高程模型是通过地形数据点内插一个 4m 的三角网获得的。通过一个合适的投影变换表面可覆到热成像（图 2b） 。表面的任何部分的昏暗情况是通过三角形的深度规律并考虑最邻近的“可见”三角形逐像素的观察处理的。在图 2b 中，用相机采集的温度数据集 0-500 C 的范围被展示。现场观看的距离约在 50 至 400 米，流动前端
11、距相机大约 110 米。为了对温度数据的定量分析，由于水汽吸收对大气衰减的影响应加以考虑。对每个像素的衰减程度与大气的相对湿度与大气的相对路径长度有关。每个像素所需要的观测距离 是从观察的地形三角形与射线额交点计算出来的。虽然外部大气校正程序（伯克等人，1989）也可以用，在这里每个像素修正是通过与其相类似的代码的 FLIR 的 ThermaCAM 研究员的分析软件实现的。为了避免因混合像元效应（罗里等人，1988）的复杂性，在后续分析之前，温度值转换为发射功率（出射度， ，辐射的波长为 7.5 和 13 微米之间） 。而每2Wm像素修正幅度可以被获得，通过比较那些“平均”距离在 200 以上
12、贯穿整幅图像的计算。计算出的功率值之间的误差均大于 3%（对于远处的物体出射度增加和对于近处的物体出射率减少）相对于整个纠正影像（测得的 75相对湿度） 。与一个已知的表面结合，相机的方向和传感器的成像几何可以获取热感影像的正射影像和地理参考的数据。一个例子如图 3。说明如下，对于这幅影像，熔岩流的一些重要的区域被靠近相机的不规则地形流域所阻隔。这能够被避免通过使用较少的倾斜影像（如从直升机上获取的数据）或结合从不同位置获取的地面影像。一些曲解是很明显的在正北方向的成像通道的最高区域，表面模型边缘问题的矫正误差由于倾斜视角变得更加复杂。虽然这些问题将在今后的工作中加以解决，流动特征在当前的矫正
13、数据中可以很容易的鉴别。例如，使用高架出射度平行线理划定通道的（相对于堤坝）活跃的地区，在观看范围约310米，西部通道的分支机构有17.5 m 宽，它缩小到约9米，由于流动越过了一段约260m 的斜坡区域（图3） 。与此相比，平均通道宽度17m 和最大最小宽度分别为37m 和2m，从较早前喷发收集的激光测高数据测定的（Mazzarini 等，2005） 。根据这通道部分，根据中部地区流量测量的出射度约为700-1700 ， （对应于黑体温2Wm度200-290）和在流域边缘高达4850 （对应于约575 C 黑色体温） 。 the 2WmThermaCam S40 的0-500 C 温度范围（
14、这个图片使用）对于明显大于580 C 的温度给予饱和值。在此图像上，39个像素是饱和的，并且除少数几个例外，这些都是靠近相机观测的流动前端。然而，他们代表小于0.3%的影像前端和相似的影像，使用500-1,500 C 的温度范围获取的，展示了这一视觉领域最高的明显气温约为700 C。这一区域在流动前端的后面， （在视线距离约110m 到200m，图3）展示了最低出射度值约为350 （或约为80 C） 。在这一地区，视角是极其倾斜的，并且这一没2Wm有形成流动通道的区域在浅斜坡正在减速，没有揭露热的和新材料。图3正射热图像。每个像素值已被纠正了观测距离的有关大气衰减（环境温度，9.1 ，相对湿度
15、75） 。轴尺度单位为米，相对于摄像机的位置。由于相机方位的影响，被遮蔽的区域表面被标记为黑色。角度测量的本质是一种定义其范围使用的三角测量结果的表面模型。这里提出的数据证明了成像的熔岩流近景摄影测量技术的潜力。 （图2b，3）所示的热感图像表明，为了最大限度地成像流面积，至少有一个具有显着上调或下调流方向的影像应该被获得。这种观点需要一个基于每个像素的视距改正，为了消除大气吸收的影响，否则就会导致在估计冷却趋势上的系统误差。相机的相对方位知识（相对于成像面）对研究观测角度及明显温度的解决方案的影像有着至关重要的作用。此外，这种图像的校正，可以在一个相对高的重叠率下获得，将提供图像序列，比较适
16、合流动通道的活动和演化，积液率估计和流场的范围，呈现有价值的资源与其他数据集的集成以及危害映射。总结： 1. 多片近景摄影测量技术已被成功地应用于熔岩流，通过店地面相机获得的可见光的和热感影像。2. 可见光影像被用来生成地形数据，并协助该热感影像的校正。3. 已知成像几何和地形数据的组合可以使观察距离得以计算，并且相关的大气衰减修正可以应用于热感图像上的每个像素。4. 正射影像和具有地理参照的热感图像为熔岩流的发展（如渠道移徙，从渠道向管状地形的转变，制约前进流速方面的影响）并与其他数据集的结合。致谢：这项工作得到了英国皇家学会的支持。我们感谢 S. Calvari, J. Dehn, D.
17、Rothery 和 一个匿名评论家对于已改善的文本彻底审查。参考文献Baldi P, Bonvalot S, Briole P, Marsella M (2000) Digital photogrammetry and kinematic GPS applied to the monitoring of Vulcano Island, Aeolian Arc, Italy. Geophys J Int 142:801811Berk A, Bernstein LS, Robertson DC (1989) MODTRAN: a moderate resolution model for LOWT
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29、n.Harry Pinkerton. Matthew BallAbstract Digital images from hand-held cameras are increasingly being acquired for scientific purposes, particularly where non-contact measurement is required. However,they frequently consist of oblique views with significant camera-to-object depth variations and occlu
30、sions that complicate quantitative analyses. Here, we report the use of oblique photogrammetric techniques to determine ground-based thermal camera orientations (position and pointing direction), and to generate scene information for lava flows at Mount Etna, Sicily. Multiple images from a consumer
31、grade digital SLR camera are used to construct a topographic model and reference associated ground-based thermal imagery. We present data collected during the 20042005 eruption and use the derived surface model to apply viewing distance corrections (to account for atmospheric attenuation) to the the
32、rmal images on a pixel-by-pixel basis. For viewing distances of 100 to 400 m, the corrections result in systematic changes in emissive power of up to 3% with respect to values calculated assuming a uniform average viewing distance across an image.Keywords Close-range photogrammetry. Etna volcano.Lav
33、a flows.Thermal imagingIntroductionIn order to improve our understanding of how lavas flow and eventually stop, improved measurements of flow evolution and cooling are required (Hidaka et al. 2005).Satellite data are regularly used for monitoring activevolcanoes, but the spatial resolutions availabl
34、e for obtaining appropriate temperature information are currently 30 m in the mid- or near-infrared region (Landsat TM and ASTER data) or greater in the thermal infrared region (60 m for Landsat ETM+ and 90 m for ASTER; Donegan and Flynn 2004; Pieri and Abrams 2004). These dimensions are considerabl
35、y larger than the spatial variability in thermal structure of lava flow surfaces and thus limit the use of satellite data for constraining cooling models. The recent availability of hand-held thermal imagers offers a potential solution by enabling viewing over distances of order m, increasing spatia
36、l resolutions by up to 301a factor of (to 1 mm). Thus, images acquired by handheld instruments have the 510potential to provide a wealth of information for flow models and also provide ground-truth information for the interpretation of satellite data (e.g. Calvari et al. 2005). However, the critical
37、 disadvantages which exist in most close-range datasets (strongly oblique viewing angles, unknown imaging geometry and sensor positioning) usually prevent georeferencing and currently constrain quantitative analysis.The application of digital photogrammetry techniques within volcanology has been gen
38、erally confined to producing digital elevation models (DEMs) from conventional aerial imagery (Baldi et al. 2000; Kerle 2002) or, more recently, from satellite data (Stevens et al. 2004). On a smaller scale, close-range and oblique photogrammetry has been successfully used for geomorphological resea
39、rch (e.g. Chandler and Brunsden 1995; Lane et al. 2001) and a computer-vision based approach has been recently developed for determining volcano topography from sequences of oblique images (Cecchi et al. 2003).Here, we show how close-range digital photogrammetric techniques can be used to combine im
40、age data acquired from arbitrarily positioned thermal and visible cameras in order to overcome some of the data processing problems inherent in using oblique viewpoints and comparatively low resolution thermal sensors. Automatic photogrammetric and image matching techniques (Papadaki 2002) are emplo
41、yed to obtain topographic data, and to rectify and georeference visible and thermal images. Determination of the observed surface and camera orientations allows the relevant atmospheric attenuation factor to be calculated for each pixel of the thermal images. We illustrate the application of these t
42、echniques using ground-based images of active lava channels and flow fronts on Etna volcano.Data acquisitionMount Etna, in Sicily, Italy, has a recent history of both effusive and moderately explosive activity. After about a year of relative quiescence, on 7 September 2004, a small lava vent opened
43、at 2,800 m a.s.l., at the base of the SE crater. Within a week, two lower vents at the head of the Valle del Bove (at 2,650 and 2,250 m, Fig. 1) had also formed, from which lava flowed east into the valley. Fed at relatively modest effusion rates (3 m3 s1; Burton et al. 2005), the channel-fed flows
44、were cooling limited (Guest et al. 1987) and (during the period of fieldwork) were 580C. In this image, 39 pixels were saturated and, with the exception of only a few, these were observing the flowfront nearest the camera. However, they represent 0.3% of the imaged front and similar images, taken us
45、ing the 5001,500C temperature range show that the hottest apparent temperatures in this field of view were 700C. The region directly behind the flow front, (at viewing distances of 110 to 200 m, Fig. 3) displays low exitance values with an average of 350 W m2 (or 80C). In this area, viewing angle is
46、 strongly oblique and this non-channelized region of the flow is decelerating over shallow slopes and not exposing hot core material.The data presented here demonstrate the potential of close-range photogrammetric techniques for imaging lava flows. The thermal image shown (Figs. 2b, 3) illustrates t
47、hat, in order to maximise the imaged flow area, at least one view with a significantly up- or down-flow orientation should be acquired. Such viewpoints necessitate a per-pixel-based viewing distance correction to account for atmospheric absorption effects which would otherwise result in a systematic
48、 error in estimated cooling trends. Knowledge of relative camera orientations (with respect to the imaged surface) is also important for examining the effects of observation angle and resolution on apparent temperature data. Furthermore, registration of this type of imagery, which can be collected a
49、t a relatively high repeat frequency, would provide image sequences suitable frequentative comparisons of flow channel activity and evolution, effusion rate estimates and flow field advance, representing a valuable resource for integration with other datasets and for hazard mapping.Fig. 3 Orthorectified thermal image. Each pixel value has been corrected for atmospheric attenuation over the relevant viewing distance (ambient temperature, 9.1C and relative humidit
