摄影测量基础知识ppt课件

摄影测量学,第三章 摄影测量基础知识,3-1 航空摄影,摄影比例尺又称为像片比例尺，其定义：航摄像片上一线段为 的影像与地面上相应线段的水平距离L之比，即,一、摄影比例尺与摄影航高,我们所说的摄影比例尺，是指平均比例尺，当取摄区内的平均高程面作为摄影基准面时，摄影机的物镜中心至该面的距离称为摄影航高，一般用H表示，摄影比例尺表示为,f为摄影机主距。 摄影比例尺越大，像片地面分辨率越高。,3-1 航空摄影,一、摄影比例尺与摄影航高,测大比例尺地形图时，航摄比例尺小于测图比例尺； 测中比例尺地形图时，航摄比例尺接近测图比例尺； 测小比例尺地形图时，航摄比例尺大于测图比例尺；,3-1 航空摄影,一、摄影比例尺与摄影航高,航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度。根据基准面的不同，航高可分为相对航高和绝对航高。相对航高是指摄影瞬间摄影物镜相对于被摄区域内地面平均高程基准面的高度；绝对航高是摄影瞬间摄影物镜相对于平均海平面的高度，是摄影瞬间摄影物镜的真实海拔高度。,当选定了摄影机和摄影比例尺后，就可以计算出摄影航高 Hmf，航空摄影时就要求按计算的航高飞行摄影，以获得符合生产要求的摄影像片。摄影测量规范规定同一航带内最大航高与最小航高之差不得大于30m，摄影区域内实际航高与设计航高之差不得大于50m。,3-1 航空摄影,二、空中摄影过程,航空摄影前要做计划，摄影时要选择晴朗无云的天气。飞行航线一般为东西方向，要求航线相邻两张像片应有60%左右的重叠度，相邻航线的像片应有30%左右的重叠度,航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。,3-1 航空摄影,2、像片重叠,为满足测图需要，在同一条航线上，相邻两像片应有一定的影像重叠，称为航向重叠。航向重叠一般要求6065，在大比例尺测图时要求达到85左右。 测图需要两相邻航带摄区之间也要有一定得重叠用以联系相邻航带的摄区拼接，称为旁向重叠，旁向重叠不少于20，由于空中摄影飞行时不易保持两航线间的平行性，一般取3040.最小不得小于15%。,航向、旁向重叠小于最低要求的称为航摄漏洞，需要在航测外业做补救。,3-1 航空摄影,3、像片倾角,摄影瞬间摄影机轴发生了倾斜，摄影机轴与铅垂方向的夹角为像片倾角。 飞机受气流的影响，航摄仪不可能完全置平，一般要求倾角不大于20，最大不超过30。,A为像片倾角,3-1 航空摄影,4、航线弯曲,受技术和自然条件限制，飞机往往不能按预定航线飞行而产生航线弯曲，造成漏摄或旁向重叠过小。一般要求航摄最大偏距与全航线长之比不大于3%。,3-1 航空摄影,5、像片旋角,相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线间的夹角称为像片旋角。 有像片旋角会使重叠度受到影响，一般要求不超过60，最大不超过80。,3-2 中心投影的基本知识,一、投影、正射投影和中心投影,1、投影Projection,一个空间点按一定方式在一个平面上的构像，叫做该空间点的投影。,物点、像点、投射线、像面（承影面）,物点,投射线,像面,像点,3-2 中心投影的基本知识,2、平行投影与正射投影 Parallel Projection & Orthographic Projection ,投射线互相平行的投影，叫做平行投影。,投射线垂直于投影平面的平行投影称为正射投影。,3-2 中心投影的基本知识,地形图在局部范围内是地面的正射投影！,2、平行投影与正射投影 Parallel Projection & Orthographic Projection ,3-2 中心投影的基本知识,投影中心 摄站,所有投射线或其延长线都通过一个固定点的投影，叫做中心投影。投影光线会聚的点S称为投影中心。,负片位置： 正片位置：,3、中心投影 Central Projection,投影中心位于物体和投影平面之间。,投影中心位于物体和投影平面同侧。,3-2 中心投影的基本知识,S,航摄像片是所摄地面的中心投影,3-2 中心投影的基本知识,点的中心投影一般是点。 线段的中心投影一般是线段。 相交线段的中心投影一般是相交线段。 空间一组不与像片面平行的平行直线，其 中心投影为一平面线束。 平面曲线的中心投影一般是平面曲线。 空间曲线的中心投影也是平面曲线。,4、中心投影主要特性 Main Features of Central Projection,1、投影中心S,2、像主点o So之间的距离称为主距f,3、摄影机轴SoO,4、像底点n,5、地底点N,6、主垂面W,中心投影的特别点、线、面：航摄像片往往存在一定的倾斜角，使得像片上的一些点、线、面具有特殊的性质，这些点、线、面对于研究航摄像片的几何特性、确定像片与地面的相对关系具有重要意义。,3-3 航摄像片上特殊的点、线、面,3-3 航摄像片上特殊的点、线、面,1、像片倾角 (2030),2、等角点c,3、主纵线vv,4、基本方向线VV,6、主横线hoho,7、等比线hchc,5、合线hihi,8、主合点i,中心投影的特别点、线、面,3-3 航摄像片上特殊的点、线、面,当航片倾角为零时，on和oc都等于零，像主点、像底点和等角点重合,若只画主垂面上的点、线，可得到简化的透视变换图,3-4 摄影测量常用的坐标系统,航摄像片是地面的中心投影。 如何建立像点与地面点之间的关系？,a,o,f,数学分析方法 第一步：建立坐标系 第二步：建立关系方程,3-4 摄影测量常用的坐标系统,摄影测量的主要任务是根据像片上像点的平面坐标，解求对应的地面点的大地坐标。,一、像方坐标系 1、像平面坐标系o-xy； 2、像空间坐标系S-xyz； 3、像空间辅助坐标系S-uvw,二、物方空间坐标系 4、摄影测量坐标系A-XpYpZp； 5、大地坐标系D-XtYtZt。,3-4 摄影测量常用的坐标系统,1、像平面坐标系o-xy 表示像点在像平面上的坐标。O-xy以像主点为原点。,x,3-4 摄影测量常用的坐标系统,2、像空间坐标系S-xyz 是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位置。它以摄影中心S为坐标原点，摄影机的主光轴为z轴，像空间坐标系的x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行，构成右手坐标系。,(x,y,-f),O,(x,y,-f),3-4 摄影测量常用的坐标系统,3、像空间辅助坐标系S-uvw 也是一种过渡坐标系，它以摄影中心为坐标原点。在航空摄影测量中通常以铅垂方向为w轴，也可取某一竖直方向，取航线方向为u轴，构成右手坐标系。,z,u,w,v,3-4 摄影测量常用的坐标系统,4、摄影测量坐标系A-XpYpZp 也是一种过渡坐标系，它是航带网中一种统一的坐标系，通常以地面上某一点A为坐标原点，它的坐标轴与像空辅平行。 因此很容易由像点的像空辅坐标求得相应地面点的摄影测量坐标系。,3-4 摄影测量常用的坐标系统,5、地面坐标系D-XtYtZt 即大地坐标系，也是地图投影坐标系，也是我国测图所采用的高斯投影的1980年西安坐标系，为左手系。Xt轴指向正北方向。,3-4 摄影测量常用的坐标系统,像平面坐标系,像空间坐标系,像空辅坐标系,大地坐标系,像点,地面点,摄影测量,摄影测量坐标系,3-5 航摄像片的内、外方位元素,摄影测量主要根据像点解求地面点的空间位置，这就需要知道摄影中心与像片面的相对位置，以及知道在摄影瞬间摄影机的位置。 在航空摄影瞬间，像片和摄影中心、像片和地面之间存在着固有的几何关系。确定这些关系的参数称为像片的方位元素。像片的方位元素分为内方位元素和外方位元素两类。,3-5 航摄像片的内、外方位元素,一、内方位元素,确定摄影中心与像片面的相对位置的数据称为像片的内方位元素。它包括像主点在像片框标坐标系中的位置x0、y0和摄影主距f。 像片的内方位元素通常是已知的，在航空摄影机的鉴定表中均有记载。,x,y,z,二、像片的外方位元素,确定摄影瞬间摄影机或航片的空间位置和姿态的参数称为像片的外方位元素。共包括6个参数，3个线元素，3个角元素。,3-5 航摄像片的内、外方位元素,外方位线元素 摄影中心S在地面测量坐标系中的坐标（Xs、Ys、Zs）。,3-5 航摄像片的内、外方位元素,这里主要讲以V轴为主轴的转角系统。将像空间辅助坐标系S-uvw依次绕v-u-w轴连续旋转、 、 角，即可与像空间坐标系S-xyz重合。,o,y,y,x,z,S,v,u,w,o,M,N,h,外方位角元素 概念：描述像片在摄影瞬间的空间姿态参数。 作用：将像空间辅助坐标系转到像空间坐标系 根据所绕的主轴和次序的不同，有三种转角系统。,3-5 航摄像片的内、外方位元素,o,x,y,z,S,v,u,w,o,O,M,N,h,逆时针方向为正,偏角。So在uw坐标面(像空辅)上的投影与w轴的夹角。,倾角。So与uw坐标面（像空辅）之间的夹角。,以v轴为主轴的,转角系统。,3-5 航摄像片的内、外方位元素,o,x,y,y,x,z,S,v,u,w,o,O,M,N,h,逆时针方向为正,偏角。So在uw坐标面(像空辅)上的投影与w轴的夹角。,倾角。So与uw坐标面（像空辅）之间的夹角。,旋角。v轴在xy坐标面(像平面)上的投影与y轴的夹角。,确定So轴的方向,确定像片在像平面内的方位。,以v轴为主轴的,转角系统。,3-6 像点在不同坐标系中的变换,由数学知识可知，一个坐标系按某种顺序依次地旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系。这样就可以通过旋转把像空间辅助坐标系变换到像空间坐标系中来。,当利用像点坐标计算相应的地面点坐标时，常常需要建立像点在不同平面直角坐标系和空间直角坐标系之间的坐标变换关系。,像点的空间坐标变换通常是指像空间坐标系（s-xyz）与像空间辅助坐标系(s-uvw)之间的变换。,y,x,z,S,v,u,w,假定原点相同的两个坐标系O-XYZ和O-xyz，有一点a在O-XYZ中的坐标为(X、Y、Z)，在O-xyz坐标系中的坐标为(x、y、z)。由解析几何知识，a点在两个坐标系中的坐标关系总可写成：,X=a1x+a2y+a3z Y=b1x+b2y+b3z Z=c1x+c2y+c3z,x=a1X+b1Y+c1Z y=a2X+b2Y+c2Z z=a3X+b3Y+c3Z,和,写成矩阵的形式为：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,3-6 像点在不同坐标系中的变换,既然同原点的两坐标轴之间可以通过变换进行转换，而像空间坐标系S-xyz可以通过像空间辅助坐标系S-uvw经过三次旋转得到。 设像点a在像空间坐标系中的坐标为（x,y,-f），在像空辅坐标系中的坐标为（U,V,W），两者之间的坐标变换关系可以由下式表示：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,3-6 像点在不同坐标系中的变换,空间坐标变换矩阵的九个系数为像空辅坐标系与相应的像空间坐标系的方向余弦：,当取v轴为主轴时，像空辅经过、三个角度旋转，得到像平面坐标系：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,1、S-uvw绕v轴旋转角，得到S-xyz：,则有：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,2、S-xyz绕x轴旋转角，得到S-xyz,则有：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,3、S-xyz绕z(So轴)旋转旋转，得到S-xyz,则有：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,将3代入2，2代入1中，可得关系到像空间坐标系与像空辅坐标系之间的关系式：,3-6 像点在不同坐标系中的变换,把三个矩阵相乘，得到旋转矩阵中各元素的表达式为：,a1 = coscos sinsinsin a2 = -cossin sinsincos a3 = -sincos b1= cossin b2 = coscos b3 = -sin c1 = sincos+ cossinsin c2 = -sinsin + cossincos c3 = coscos,3-6 中心投影构像方程,像空辅坐标系S-uvw的w轴是铅垂的，S-uvw与物方地面坐标系D-XYZ相互平行，投影中心S和地面点A在地面摄影测量坐标系中的坐标分别为Xs、Ys、Zs和X、Y、Z，地面点A在像空间辅助坐标系中的坐标为X-Xs、Y- Ys、Z-Zs，设相应像点a在像空间辅助坐标系中的坐标为u、v、w。,S、a和A三点共线，由相似三角形而得：,为比例因子。,3-6 中心投影构像方程,3-6 中心投影构像方程,上式表示为矩阵形式为：,将像点在像空间坐标系和像空辅坐标系的关系式：,1、地面点表示像点,3-6 中心投影构像方程,代入上式展开，有：,用第三式除以第一、二式得：,上式就是中心投影的构象方程，也是用地面坐标表示相应像点坐标的方程，称为共线方程。,1、地面点表示像点,3-6 中心投影构像方程,将像点在像空间坐标系和像空辅坐标系中的另一种表示,代入,2、像点表示地面点,3-6 中心投影构像方程,得到,用第三式除以第一、二式得：,这是用像点坐标表示相应地面点坐标的共线方程。,2、像点表示地面点,3-6 中心投影构像方程,3、水平像片与倾斜像片相应像点之间的坐标关系,若把地面看成水平地面，上式中的（Z-Zs）就为一常数，实际就是航高，这里用-H表示。（X-Xs）和（Y-Ys）为水平地面点在像空间辅助坐标系中的坐标，这里用X、Y表示，则上式为：,3-6 中心投影构像方程,3、水平像片与倾斜像片相应像点之间的坐标关系,若把地面与像片的关系转换为水平像片与倾斜像片之间的关系，把水平像片看成航高为f的水平地面，由上式可得,把X、Y用x0、y0表示，则,这就是水平像片与倾斜像片之间的关系,3-6 中心投影构像方程,3、水平像片与倾斜像片相应像点之间的坐标关系,上式各方向余弦用 转角系统表示，则有 上式转换为：,3-7 航摄像片的像点位移,航摄像片总是存在一定的倾斜角，实际地面也总是有起伏的，地面点的实际构象位置与理想情况下的构象位置存在差异，这种点位的差异称为像点位移，它包括像片倾斜引起的像点位移和因地形起伏引起的像点