摄影测量学

绪论 摄影测量与遥感概论 第一章 主要内容 一 摄影测量与遥感的定义与任务二 摄影测量与遥感的发展历程三 影像信息科学的形成与内涵 定义分类平台特点任务 1 1摄影测量与遥感的定义与任务 传统摄影测量学定义 摄影测量学是利用光学摄影机获取的像片 经过处理以获取被摄物体的形状 大小 位置 特性及其相互关系的一门学科它包括的内容有1 获取被摄物体的影像2 研究单张和多张像片影像的处理方法3 所测得的成果以图解形式或数字形式输出的方法和设备 现代摄影测量学定义 自70年代 美国陆地卫星 Landsat 上天后 遥感技术获得了极为广泛的应用 摄像设备得到了很大的扩充 传感器更加丰富 影像信息多样化现代摄影测量学由于和遥感学科密不可分 因此 一般将二者合为一个名词 遥感影像 地形图 摄影测量与遥感 定义 各种类型传感器 被摄物体影像 通过量测和解译过程 自然物体及其环境的可靠信息 DEM DLG DRG DOM 什么是传感器 传感器是收集 量测和记录遥远目标的信息的仪器 是摄影测量与遥感技术系统的核心 传感器一般由信息收集 探测系统 信息处理和信息输出4部分组成 收集器 收集来自地物目标镜 天线 探测器 将收集的辐射能转变成化学能或电能 处理器 将探测后的化学能或电能等信号进行处理 输出 将获取的数据输出 BACK 摄影型传感器航空摄影机 是空中对地面拍摄像片的仪器 它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量 记录的波长范围以可见光 近红外为主 扫描方式的传感器光机扫描仪 用光学系统接收来自目标地物的辐射 并分成几个不同的光谱段 使用探测仪器把光信号转变为电信号 同时发射信号回地面 如MSS TM等 分为红外和多光谱扫描仪 推帚式扫描仪 用平行排列的CCD探测杆收集地面辐射信息 每根探测杆由3000 6000个CCD元件呈一字排列 负责收集某一波段的地面辐射信息 是推帚式扫描成像 Tobecontinued P31摄影经纬仪 RC30框幅式航摄仪 安装在飞机上对着地面能自动地进行连续摄影的照相机称为航空摄影机 由于当代航空摄影机都是一台相当复杂 精密的全自动光学电子机械装置 具有精密的光学系统和电动结构 所摄取的影象能满足量测和判读的要求 因此航空摄影机一般也称为航摄仪 表示这种照相机如同一台结构复杂的光学仪器 根据摄影时摄影物镜主光轴与地面的相对位置 航摄仪可分为框幅式 画幅式 航摄仪和全景式航摄仪两大类 框幅式航摄仪摄影时主光轴对地面的方向保持不变 每曝光一次获得一幅中心透视投影的图像 与普通的120 135型相机相同 全景式航摄仪摄影时主光轴相对地面在不断移动 其影像的几何质量远比框幅式航摄仪差 因为航摄仪是用来从空中对地面进行大面积摄影的 所摄取的影像又必须能满足量测和判读的要求 因此 无论航摄仪的结构或是摄影物镜的光学质量都与普通相机有重大的区别 其像幅均为23X23cm 并备有四种不同焦距的物镜筒 其中焦距为153mm的物镜筒有两个 ADS40数字航摄仪 P31摄影经纬仪近景影像 航空光学影像 ADS40数字航空影像 quickbird卫星影像埃菲尔铁塔 quickbird卫星影像三峡 正射影像图 三峡正射影象图 三条航带 175张航空影像 三峡景观图 三条航带 175张航空影像 三维景观图 摄影测量 分类 航天摄影测量航空摄影测量地面摄影测量近景摄影测量显微摄影测量 地形摄影测量非地形摄影测量 模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量 航空摄影测量 航天摄影测量 地面摄影测量 摄影测量与遥感 平台 摄影测量 特点 无需接触物体本身获得被摄物体信息像片上进行量测和解译 因而很少受自然和地理条件的限制 由二维影象重建三维目标面采集数据方式可摄得瞬问的动态物体影像 同时提取物体的大量几何与物理特性 信息丰富 逼真 所摄物体只要能够成像 均可采用摄影测量技术 摄影测量 任务之一 地形测量领域 各种比例尺的地形图 专题图 特种地图正射影像地图 景观图 建立各种数据库 提供地理信息系统和土地信息系统所需要的基础数据 摄影测量 任务之二 非地形测量领域生物医学公安侦破古文物 古建筑建筑物变形监测军事侦察矿山工程 准确恢复两张影像的位置关系快速确定两张影像上的同名点 1 2摄影测量与遥感的发展历程 模拟摄影测量 1851 1970 解析摄影测量 1950 1980 数字摄影测量 1970 现在 摄影测量学的三个发展阶段 1839年 法国人达盖尔发明摄影术为摄影测量提供了基本手段1851年 法国陆军上校劳赛达提出交会摄影测量并测绘了万森城堡图 标志着摄影测量的开始1858年 法国摄影师纳达尔乘坐气球在巴黎郊外80m上空拍摄了世界上第一张航空影像1860年 美国人布莱克利用湿板拍摄了波士顿的航空像片1885年 法国人乘坐气球从2000英尺高空拍摄了巴黎的航空像片1903年 莱特兄弟发明了飞机使航空摄影和航空摄影测量成为可能1906年 美国人劳伦仕用17只风筝吊着巨型相机拍摄了旧金山大火第一次世界大战期间 首台航摄仪的问世 立体坐标量测仪和1318立体测图仪的使用 真正开始了摄影测量学 摄影测量学的起源 模拟摄影测量 指的是用光学或机械方法模拟摄影过程 使两个投影器恢复摄影时的位置 姿态和相互关系 形成一个比实地缩小了的几何模型 即所谓摄影过程的几何反转 在此模型上的量测即相当于对原物体的量测 所得到的结果通过机械或齿轮传动方式直接在绘图桌绘出各种图件来 如地形图或各种专题图 单片测图分工法测图综合法测图 光学纠正仪 SEG 1 HJ 24 WildA10模拟立体测图仪 解析摄影测量 1954年 第一台电子计算机问世1957年 海拉瓦博士提出解析测图仪的思想 标志着解析摄影测量的开始20世纪70年代末至90年代初 解析摄影测量发展的鼎盛时期 解析摄影测量 从几何的角度 利用数学的方法根据影像空间的像点位置重建物体在目标空间的几何模型 也即找到像点与物点之间的数学对应关系 解析空三解析测图仪数控正射仪 1 解析测图仪解析测图仪是解析摄影测量的基本设备 它是首先实现测量成果数字化的仪器 在机助测图软件控制下 将在立体模型上测得的结果首先存在计算机上 然后再传送到数控绘图机上绘出图件 2 解析空中三角测量解析空中三角测量实现了用摄影测量方法快速 大面积地测定点位的精确方法 它是计算机用于摄影测量的第一项成果 经历了航带法 独立模型法和光束法三个阶段 3 解析摄影测量与模拟摄影测量的不同之处在于 1 前者是利用计算机来完成摄影测量中复杂的几何解算和大量的数值运算 2 前者的投影方式是数字投影 后者是模拟投影 3 输出的产品不仅有模拟产品还有数字产品 有的可以直接进入地理信息系统中 4 前者的方法理论上更严密 更快捷 更方便 5 解析摄影测量可以测量的物体种类繁多 只要能被摄影即可 德国Zeiss厂C 100型解析测图仪 瑞士Kern厂DSR 1型解析测图仪 瑞士WILD厂OR 1型数控正射投影仪 德国Zeiss厂Z 2型数控正射投影仪 数字摄影测量 计算机硬 软件技术的飞速发展 使功能增强 成本降低 并为编制大型软件提供平台20世纪70年代 数字摄影测量萌芽阶段20世纪80年代 数字摄影测量原型研究阶段20世纪90年代 真正推出可用于生产的数字摄影测量系统 数字摄影测量 基于摄影测量的基本原理 通过对所获取的数字 数字化影像进行处理 自动 半自动 提取被摄对象用数字方式表达的几何与物理信息 从而获得各种形式的数字产品和目视化产品 计算机技术数字图像处理影像匹配模式识别DPW 1 数字摄影测量中获得影像的方法一种是直接用数字摄影机获得数字影像一种是扫描仪对像片进行扫描得到数字化的影像 2 数字摄影测量的两大任务一是自动影像匹配与空间定位二是自动影像判读 3 数字摄影测量与解析摄影测量的不同之处它处理的原始信息不仅可以是航空像片 数字化影像 更主要的是航空 航天的数字影像 它以计算机视觉来代替人眼的立体观测 因而所使用的仪器只需要计算机和一些相应的外部设备 它不但可以获得影像的几何信息 还能获得丰富的物理信息 VirtuoZo数字摄影测量系统 硬件配置主流个人计算机 PC 立体观测装置 偏振光镜屏 Z Screen 或C型液晶立体眼镜 Crystaleyes 或N型液晶立体眼镜 Nuvision 量测控制装置 手轮和脚盘 VirtuoZo H F 或三维鼠标 3DMouse 或鼠标 Mouse JX 4A数字摄影测量工作站 摄影测量三个发展阶段的特点 摄影测量与遥感的结合 遥感是一种非接触性探测物体的技术 遥感技术对摄影测量学的冲击和作用首先在于它打破了摄影测量长期以来过分局限于测绘物体形状与大小数据的几何处理 除了使用可进行黑白摄影 彩色摄影 彩红外摄影的框幅式摄影机外 还使用全景摄影机 光电扫描仪 CCD线和面阵扫描仪 成像光谱仪及合成孔径侧视雷达等 提供大量的多时相 多光谱 多分辨率的影像信息 遥感影像的高精度几何定位和纠正是解析摄影测量理论的重要应用数字摄影测量中影像匹配理论可用于实现多时相 多传感器 多分辨率遥感图像的复合和几何配准摄影的主要成果 DEM 地形测量数据库等是支持和改善遥感图像分类效果的有效信息像片判读和图像分类的自动智能化是趋势 摄影测量与遥感结合 成为GIS技术数据采集与更新的手段GIS是摄影测量与遥感数据存储 管理 表达和应用的重要平台 1 3影像信息科学的形成与内涵 摄影测量与GIS之间的关系摄影测量与遥感愈来愈成为为GIS采集数据和更新数据的重要手段 而GIS的信息将对遥感数字图像处理和自动分类起着重要的作用 摄影测量与遥感与GIS结合分为了两个阶段1 各种专题图与地形图是通过对遥感影像的几何纠正和目视判读制作出来 然后通过图件数字化方法送入GIS中 2 70年代中期 则研究如何由遥感影像中自动提取各种专题信息 栅格数据 然后再将它们变成矢量数据送入GIS中 3 现在正在研究摄影测量与遥感和GIS一体化的系统 经过摄影测量采集的数据 遥感影像均可直接进入地理信息系统 影像信息科学是一门记录 存储 传输 量测 处理 解译 分析和显示由非接触传感器获取目标及其环境信息的科学 技术和经济实体 摄影测量基础 讲授内容 影像获取 成果表达 影像处理 What Where WhatChange 第一章绪论摄影测量学的定义 任务和发展过程第二章摄影和空中摄影摄影机概述黑白片感光材料彩色摄影第三章航摄单张像片解析像片的内外方位元素 像点位移 常用坐标系 像点坐标变换旋转矩阵 空间坐标变换 共线条件方程 单片空间后方交会第四章立体观察与立体量测人体的立体视觉 人造立体视觉 像对的立体观察与量测第五章双像投影测图基础共面条件方程 解析相对定向 空间前方交会第六章解析空中三角测量的基础像片连接点设置 自由航带网的建立 光束法区域网平差第七章单航带解析空中三角测量航带模型建立航带模型绝对定向航带模型的非线性变形改正第八章光束法区域网空中三角测量平差概算误差方程式法方程式循环分块解法第九章正射投影技术直接投影关系的微分纠正间接投影方式的微分纠正第十章数字高程模型数据点的数据取样处理加密输出和应用举例第十一章数字摄影测量 参考书1 李德仁等编 基础摄影测量学 测绘出版社2 李德仁 郑肇葆编著 解析摄影测量学 测绘出版社3 钱曾波编 解析空中三角测量基础 测绘出版社4 袁修孝著 GPS辅助空中三角测量原理及应用 测绘出版社5 李德仁 袁修孝著 误差处理与可靠性理论 武汉大学出版社 摄影测量基础 参考资料 教材李德仁 王树根 周月琴编著 摄影测量与遥感概论 测绘出版社 后续课程1 数字摄影测量2 近景摄影测量3 遥感原理与方法 摄影测量基础 与其他课程关系 先修课程1 测量平差原理2 测量学3 高等数学4 线性代数5 航空和航天摄影技术 摄影测量学的新发展1 数码相机逐步应用于航空摄影测量2 动态GPS配合惯性测量系统 GPS IMU 3 激光探测及测距系统 LIDAR 数码相机逐步应用于航空摄影测量随着计算机技术的飞速发展 数码影像因其便于计算机处理 存储和通过网络进行传输 在航空摄影测量中的应用已越来越普遍 全数字摄影测量工作站已全面替代了传统的解析测图仪 为了给全数字摄影测量工作站提供工作所需的数码影像 目前使用的是高精度的扫描仪将航空底片扫描成为数码影像 但是因为多了一道工序 对于成图的周期 成本都是不利的 数码相机的发展为我们解决这一问题提供了一个非常好的手段 数码相机的核心是CCD阵列 CCD阵列的解像率对其应用的范围起着决定性的影响 目前航摄仪所使用的23 23CM的航空胶片其解像率相当于20K 20K像素的数码相机的解像率 而目前数码相机的解像率只能达到9K 9K像素 一定程度上限制了数码相机在航空摄影测量中的大规模应用 但随着光电子技术的飞速发展 相信在不长的时间内 能够满足航空摄影测量所需的高解像率数码航摄仪就将诞生 到那时数码相机将成为航空摄影测量中数码影像的主要获取手段 动态GPS配合惯性测量系统 GPS IMU 航空摄影测量的一个核心问题是光束恢复 为了精确的恢复摄影瞬间的光束往往需要在地面上布设足够多的高精度控制点 通过严密而复杂的计算 反算出摄影瞬间飞机的姿态与位置 从而达到恢复摄影光束的目的 这种方法对野外控制点的密度 精度要求很高 在某些特殊地区实现非常困难 并且极大地影响了成图的周期及质量 运用动态GPS配合惯性测量系统IMU可以非常好的解决这一难题 动态GPS其整体平面的定位精度已达到了相当高的水平 但