航空摄影与其他工具比例尺测量的区别 Microsoft Office Wor 文档

航空摄影与其他工具比例尺测量的 区别 摘要 本文主要论述航空摄影比例尺与其他观测比例尺在观测过程中的主要差别、从而证明航空摄影比例尺再应用过程中的高效率高精度的作用。本文根据航空摄影比例尺再测量方法、再测量中需要注意的问题及观测误差产生的原因的论述航空摄影比例尺大小的差别。 航空摄影是指在飞机上用专门的摄影机对地面进行摄影从而获得照片。通过对像片的解译可以更好地进行地图更新，在像片上进行一些量测工作 、相对于利用其他比例尺测量能大大地提高作业效率 目录 第 1 章 航空摄影的定义 1.1 定义 01 1.1.1 摄影方式 . 1.1.2 对航空像片的要求 . 1.1.3 像片比例尺 . 1.2 航空摄影的投影方式 1.2.1 中心投影 . 1.3 航空像片上的特征点和线 . 1.4 像片倾斜引起的像点位移 . 1.5 地面起伏引起的像点位移 . 第 2 章 像片所显示的地物特征的几项基本特征 2.1 像片所显示的地物特征的几项基本特征 2.1.1 形状特征 2.1.2 大小特征 2.1.3 色调特征 2.1.4 阴影特征 2.1.5 相关位置特征 2.2 像片比例尺的测定 2.3 测量误差的概念 2.3.1 测量误差的分类 2.3.2 观测误差产生的原因 正文 航空摄影是指在飞机上用专门的摄影机对地面进行摄影从而获得照片。通过对像片的解译可以更好地进行地图更新，在像片上进行一些量测工作、相对于利用其他比例尺测量能大大地提高作业效率。 随着我市经济社会迅猛发展，城市面貌日新月异，但一直没有完整的城市建设影像航拍档案，为填补城市记忆空白，见证城市发展足迹，日照从 2010 年 9月开始，至 2011 年 4月，历时六个月，圆满完成对南至岚山区北至森林公园、西到黄山东至黄海岸边等区域以及涛雒、巨峰两个乡镇驻地，共约 300 平方公里范围的影像档案航拍和档案编制 工作，拍摄范围广，记录面积大，这是我市历史上首次大面积全覆盖档案式航拍、 实现了原始地貌全覆盖、城市亮点无遗漏的目标。 目前，城市航拍档案已为规划展览馆、城市中心商务区、城中村改造、香店河综合整治工程、植物园改造工程、垃圾处理厂等重点工程提供照片和视频利用服务，航拍档案将为今后城市规划、城市发展史研究、资政决策发挥越来越大的作用，随着时间推移，航拍档 案将越显珍贵和重要。 第 1 章 航空摄影 定义 1.1 定义 ：空中摄影是利用飞机或其它飞行器（如气球、人造卫星和宇宙飞船等），在其上装载专门的摄影机对地面进行摄影而获得像片，其中用飞机进行空中摄影的叫航空摄影。航空摄影具有以下优点： （ 1）可以居高临下地观察； （ 2）航片能把观察到的各种地面特征在同一时间里客观地记录下来； （ 3）记录动态现象； （ 4）航片是现状的永久性记录，且有充裕时间来仔细研究，可将外业现场 搬至室内探讨； （ 5）提高空间分辨率。 1.1.1摄影方式 按摄影机镜头主光轴的方位不同，摄影方式分为垂直摄影和倾斜摄影两种。镜头主光轴处于铅垂位置的摄影称为垂直摄影，实际上，很难控制摄影机主光轴的铅垂，常含有微小的倾斜角，只要倾角小于 2度都称之为垂直摄影。镜头主光轴偏离铅垂直位置的倾斜角大于 2 度时就称之为倾斜摄影。 1.1.2、对航空像片的要求 （ 1）影像呈像清晰、色调一致、反差适中。 （ 2）一条航线上相邻两张像片应有一定的重叠影像，一般要求 55%-65%的重叠度。相邻航线之间的影像重叠，称为旁向重叠，要求有 30%左右的重叠度。 （ 3）航摄像片倾斜角应越小越好，一般不应大于 2度，个别最大倾斜角不应超过 3 度。 （ 4）航线弯曲最大偏离值与航线全长之比不大于 3%。 1.1.3、像片比例尺 像片上某两点间的距离与地面上相应两点的水平距离之比，叫像片比例尺。通常用 表示： 摄影镜头的焦距； 镜头中心相对于地面的高度，称为相对航高。 由于各种因素的综合影响，蛇形时飞机不可能始终保持同样的高度，地面也总有起伏，航高并不一致，因而像片上各部分的比例尺亦是不一致的。 二、航空摄影的投影方式 1、中心投影：空间任意一点 M 与一固定点 S 的连线（或其延长线）被一给定的平面 P 所截时，则此直线与平面的交点 m，就叫做 M 点的中心投影。 M 点称物点， S 点称投影中心， m 点为点 M的像。 MS 为投影光线， P 为投影面。按中心投影定义知：物点 M、像点 m和投影中心 S这三点是共线的。位置关系如图： m点位于 M 点和 S点之间 M点位于 m 点和 S 点之间 S点位于 M 点和 m点之间。 前两种情况得到的影像叫阳位像，第三种情况叫阴位像。摄影时物镜中心就是投影中心；摄影底片就是投影面，摄影影像就是被摄地面的中心投影。 三、航空像片上的特征点和线 P 为倾斜像面， S 为镜头中心， P0 为过 S的水平面， P0 与 P所夹的二面角是像片倾斜角。 像主点（ o）：航空摄影机主光轴 SO与像面的交点，称为像主点。 像底点（ n）：通过镜头中心 S 的地面铅垂线（主垂线）与像面的交点，称为像底点。 等角点（ c）：主光轴与主垂线的夹角是像片 倾斜角，像片倾角的平分线与像面的交点称为等角点。当地面平坦时，只有以等角点为顶点的方向角，才是地面与像片上对应相等的角度。 主纵线与主横线：包括主垂线与主光轴的平面称为主垂面，主垂面与像面的交线 VV 称为主纵线，它在像片上是通过像主点和像底点的直线。与主纵线垂直且通过像主点的 h0h0 称为主横线。主纵线与主横线构成像片上的直角坐标轴。 等比线：通过等角点且垂直于主纵线的直线 hch0 称为等比线。在等比线上比例尺不变。在水平像片上，像主点、像底点和等角点重合，主横线和等比线重合于交点 o上。 四、像片倾斜引起的像点位移 若航空摄影时，像面未能保持水平，将因投影面倾斜，而使像的位置发生变化，这就是因像片倾斜引起的像点位移。当倾斜角很小时，这种误差是不易观察出来的。 P0与 P 为同一摄影站的水平像片和倾斜像片，地面上任意点 A在水平像片和倾斜像片的像点分别为 a0 和 a， c 为等角点， hchc 为等比线。为研究像点 a的位移，假设将像面 P0 以等比线为轴旋转角，使之与 P重合，便可看出 a与a0不重合，设 a0= a， ca=rc，因像片倾斜所产生的像点位移，可用下式表示： 式中： rc（向径）为倾斜像片上像点到等角点的距离，为等比线与像点向径之间夹角；为像片倾斜角； f 为航摄机焦距。 根据上述，可得出倾斜误差的几点规律： (1)斜误差的方向是在像点与等角点的连线上。 (2)倾斜误差与像点距等角点距离的平方成正比。 (3)当 =0或 =180， =0，即在等比线上的像点不因像片倾斜而产生位移。 (4)当 =90或 =270时， sin =1，即在主纵线上像点倾斜误差最大。 (5)当角在 0 180之间，像点向着等角方向移动；当角在 180 360之间，像点背着等角点方向外移动。因此，水平像片上的矩形图形，在倾斜像片上则变为梯形。它以等比线为界，包含像主点部分，图形变小；包含像底点部分，图形变大。 五、地面起伏引起的像点位移 高于地面的烟囱、水塔、电杆等竖直物体，在地形图上的位置为一点，但在航片上的影像则往往不是一点，而是一条小线段。同理，当地面点高于或低于基准面时，在像片上，其影像虽是一点，但与其在基准面上垂直投影的点的影像相比，却产生了一段直线位移 ,这种像点为一称为投影误差。通常以测区地面的平均高称为航高起算面，也即基准面。投影误差分为因地形起伏引起的像点位移称为像片投影差核对应在地面部分为地面投影差。 地形起伏引起的像点位移的规律： (1)地面起伏所产生的投影误差在像点与像底点的连线上； (2)投影误差与像 点到像底点的距离成正比； (3)像底点不产生投影误差； (4)地面高低起伏愈大，投影误差愈大； (5)航高愈大，投影误差愈小。 当系统地研究航空像片时，常涉及到像片所显示的地物特征的几项基本特征。判读时则应根据这些特征和判读项目要求去进行识别。因此，掌握判断特征及其各种因素的影响，对像片判读有着重要意义。 一、形状特征 影像的形状是指地物在像片上表现出来的外部形态、结构和轮廓。 地物影像可按形状分为：点状、线状、面状三种。复杂的地物也是由于这些点、线、面等要素结合而成 的。同时地物的形状还受中心投影的影响，使具有一定高度的地物反应在像片的不同部位，其影像的形状有所不同。如一棵树，反映在航片的中心部位呈圆形树冠影响；而若处于像片的四角时，则反映了这棵树的不同侧面，会得到不同形状的影像。 二、大小特征 地物除具有一定的形状外，还有一定的大小。根据地物影像的形状及其大小可以较确切地识别出地物的不同类型。 像片上物体的大小，须同像片的比例尺一起考虑。在像片的比例尺一定的情况下，影像的大小反映了实地物体的大小，从而据以判定物体的性质。 三、色调特征 面物体呈 现出各种自然颜色。在黑白像片上其色调是以不同的黑度层次来表现的。这种黑度差别，称为色调。影像的色调反映了地面物体的色彩或相对亮度，它与感光材料的感光特性有关，此外还受其他条件的影响，如阳光照射的角度不同，物体表面反射到底片上的光量也不同。常见山脊两面的山坡，向阳面色调淡，背阳面色调暗，两者对比有较明显区别。 四、阴影特征 当光线斜射到高出地面物体上时，物体就会产生阴影。阴影在像片上同样也有其影像，他的方向取决于太阳光的照射方向。在同一张像片上，各地物阴影的影像方向均一致。阴影对高山地物判别特别有用。特别是当物体较小，又与周围物体的影像缺乏色调上的差异时，阴影特征显得特别重要。利用阴影特征判读像片时，不能单纯以阴影的大小作为判读物体高矮的唯一标志，因为阴影的大小除与物体高低有关外，还与阳光照射的角度和地面的坡度有关。 五、相关位置特征 前述四种特征，均对物体本身而言，没有考虑它与周围地物间相互关系。自然界中，任何事物都是相互关 联的，判读时要善于分析和掌握各种事物的相互联系规律，才能得到正确的结论 一、像片比例尺的测定 1、平坦地区像片比例尺的测定方法 平坦地区地面高差小，当像片倾角又小（不超过一度）时，可用像片平均比例尺代表像片的比例尺。通常是在像片的四个角点上选择四个明显的地物点 N1,N2,N3和 N4，对角线 N1N3和 N2 N4 必须通过像主点附近。量出其像片上的长度 d1， d2。而其相应的地面长度 D1， D2则可在地形图上量取，也可在实地测量，于是，像片平均比例尺为： 2、丘陵地区像片比例尺的测定方法 丘陵地区，由于地形起伏造成像片上各处的比例尺部一致，所以不能采用上述求像片平均比例尺的方法，而必须按测站来求各点的平均比例尺。亦即在测站附近选择两个与测站点大致同高且与测站点的连线近于正交的明显地物点，并测出其实地长度 D1和 D2。同时在像片上量出其相应长度 d1和 d2,由此计算出该测站附近的平均比例尺 。 二、航空像片上量测方位角 在平坦地区量测方位角如下步骤所示： （ 1）首先，经过判读在像片上找出两个明显地物点，并用罗盘仪在实地测出该地物点的磁方位角，并计算出正方位角：正方位角 =磁方位角 +磁偏角。 （ 2）根据实测计算的正方位角，在像片该直线的端点上标出正北方向。 （ 3）以此正北方向为像片的标准北方向，就可推算量测出其它各线段之方位角。 三、像片上量测地面坡度 下图中， A,B为地面坡度上的两点， h 为两点间高程差， D 为两点间水平距离，为所求之坡度，即： ， 因为 ，今设 AB直线在像片上的水平长度为 d0,像片的焦距为 f,则有： 故可得： 此式称为坡度公式。 当系统地研究航空像片时，常涉及到像片所显示的地物特征的几项基本特征。判读时则应根据这些特征和判读项目要求去进行识别。因此，掌握判断特征及其各种因素的影响，对像片判读有着重要意义。 测量误差的概念 当对某一未知量进行多次观测时，就会发现各次观测的结果往往有差异。如：用尺子丈量一段距离，往返两次丈量的结果常不相符；用经纬仪测量一个平面三角形的三个内角，三内角之和也常常不等于 180 度。这就是由于观测误差的存在。研究观测误差的来源及其规律，采取各种措施消除或减小其误差影响，是测量工作者的一项主要任务。 测 量误差概述 一、测量误差分类 测量工作中，尽管观测者按照规定的操作要求认真进行观测，但在同一量的各观测值之间，或在各观测值与其理论值之间仍存在差异。例如，对某一三角形的三个内角进行观测，其和不等于180 ；又如所测闭合水准路线的高差闭合差不等于零等，这说明观测值中包含有观测误差。研究观测误差的来源及其规律，采取各种措施消除或减小其误差影响，是测量工作者的一项主要任务。 二、观测误差产生的原因 观测误差产生的原因是多种多样的。概括起来可分为下列三个方面： 1、观测者 由于观测者感觉器官鉴别能力有一定的局限性，在仪器安置、照准、读数等方面都产生误差。同时观测者的技术水平、工作态度及状态都对测量成果的质量有直接影响。 2、仪器误差 每种仪器有一定限度的精密程度，因而观测值的精确度也必然受到一定的限度。同时仪器本身在设计、制造、安装、校正等方面也存在一定的误差，如钢尺的刻划误差、度盘的偏心等。 3、外界条件影响造成的误差 观测时所处的外界条件，如温度、湿度、大气折光等因素都会对观测结果产生一定的影响。外界条件发生变化，观测成果将随之变化。 上述三方面的因素是引起观测误差的主要来源，因此把这三方面因素综合起来称为观测条件。观测条件的好坏与观测成果的质量有着密切的联系。 三、观测误差按其对观测成果的影响 观测误差按其对观测成果的影响 性质，可 分为系统误差和偶然误差两种。 （一）系统误差 在相同的观测条件下作一系列观测，若误差的大小及符号表现出系统性，或按一定的规律变化，那么这类误差称为系统误差。例如，用一把名义为 30m 长、而实际长度为 30.02m的钢尺丈量距离，每量一尺段就要少量 2cm，该 2cm误差在数值上和符号上都是固定的，且随着尺段的倍数呈累积性。系统误差对测量成果影响较大，且一般具有累积性，应尽可能消除或限制到最小程度，其常用的处理方法有： 1、检校仪器，把系统误差降低到最小程度。 2、加改正数，在观测结果中加入系统误差改正数，如尺长改正等。 3、采用适当的观测方法，使系统误差相互抵消或减弱，如测水平角时采用盘左、盘右现在每个测回起始方向上改变度盘的配置等。 （二）偶然误差 在相同的观测条件下作一系列观测，若误差的大小及符号都表现出偶然性，即从单个误差来看，该误差的大小及符号没有规律，但从大量误差的总体来看，具有一定的统计规律，这类误差称为偶然误差或随机误差。例如用经纬仪测角时，测角误差实际上是许多微小误差项的总和，而每项微小误差随着偶然因素影响不断变化，因而测角误差也表现出偶然性。对同一角度的若干次观测，其值不尽相同，观测结果中不可避免地 存在着偶然误差的影响。 除上述两类误差之外，还可能发生错误，也称粗差，如读错、记错等。这主要是由于粗心大意而引起。一般粗差值大大超过系统误差或偶然误差。粗差不属于误差范畴，不仅大大影内测量成果的可靠性，甚至造成返工。因此必须采取适当的方法和措施，杜绝错误发生。 四、偶然误差的特性 偶然误差是由多种因素综合影响产生的，观测结果中不可避免地存在偶然误差，因而偶然误差是误差理论主要研究的对象。就单个偶然误差而言，其大小和符号都没有规律性，呈现出随机性，但就其总体而言却呈现出一定的统计规律性，并且是服从正态分布的随机变量。即在相同观测条件下，大量偶然误差分布表现出一定的统计规律性。 1、在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限值； 2、绝对值较小的误差比绝对值大的误差出现的概率大； 3、绝对值相等的正、负误差出现的概率相同； 4、同一量的等精度观测，其偶然误差的算术平均值，随着观测次数的无限增加而趋近于零，即 式中 观测值真误差之和； n 观测次数。 图中，横坐标表示误差的正负和大小，纵坐标方向的每一区间，表示误差在该区间出现的个数。该图可以更明显的表示出偶然误差的性质。 算术平均值的中误差 观测精度的衡量 观测值的算术平均值为： 。此式还可写成： 式中 1/n 为常数。 今设各独立观测值的中误差均为 m；算术平均值 的中误差为 。 根据误差传播定律得： 因为是等精度观测，故 ，于是上式经简化后得： 上式中的观测值中误差 m，系表示观测列中任一观测值的精度；而算术平均值的中误差则表示由 n 个同精度观测值求出的算术平均值 的精度。 若对一未知量由于采取多次（ n次）观测，并取个观测值的平均值作为最后结果，则其中误差比观测值中误差减少 倍，即提高精度 倍。 设 m=1，算术平均值中误差 与观测次数之间关系如下表所示。 1 2 3 4 5 6 8 10 20 50 100 1.00 0.71 0.58 0.50 0.45 0.41 0.35 0.32 0.22 0.14 0.1 该表所列数据说明： （一）当增大， 即随之减小。就是说，算术平均值的精度随观测次数的增加而减小。 （二）当观测次数增加到某一定的数目后，再增加观测次数，精度提高得却很少。例如，若观测次数从 20 增加到 100 时，精度只提高约一倍。由此可见，采取增加观测次数来提高测量结果精度的办法是有一定限度的。 观测精度的衡量 一、精度的含义 观测精度就是指误差的密集或离散的程度。假如两组观测成果的分布相同，便是指观测成果的精度相同；反之，若误差分布不同，则精度也就不同。 二、衡量精度的指标 为了衡量观测值的精度高低，可用组成误差分布表或绘制误差分布图的方法来比较。但在实际工作中，这样做不够方便，而且对精度得不到一个具体数字概念。为此，可采用能反映误差分布的密集或离散程度的具体数字来衡量精度的标准，这个标准称为衡量精度得指标。 1、中误差（均方误差） 在一定的观测条件下，各个真误差平方的平均数的平方根，称为中误差。中误差用 m 表示，即： 1-1 例一 有一列观测值的真误差，分别为 4、 -2、 0、 -4、 3，求其中误差。 1-2 上例是根据观测值的真误差求得的中误差。真误差是由真值减去观测值求得，在一般情况下，一个量的真值是不知道的，因此，真误差也常不能求得。在实用中，通常是根据改正数来确定中误差的。 设对真值为 x 的某一量进行了 n 次同精度的观测，求观测值分别为： L1 L2 L2 Ln，相应的真误差为： 1、 2 n。故有： 1-3 我们把算术平均值与观测值之差，称观测值的改正书，以 v 表示。于是又： 1-4 以上两式相减得： 1-5 将 1-5 分别自乘后相加得： 1-6 若将 1-4 中各式相加，有： 1-7 根据算术平均值的定义， ，则上式可写成： 1-8 再将 1-8 代入 1-7，有： 1-9 再将 1-5 之各式相加得： 1-10 由于 =0，所以 ，将此式自乘之，有： 将上式代入 1-9，可得 即 上式中， 1、 2、 n 为偶然误差，在相当多的观测次数情况下，一部分显示为正，另一部分为负，这样 中之值有正也有负，其中大部分互相抵消，在除以观测次数 n，其值更小，可忽略不计。于是上式可写成： 即 1-11 将 1-11代入 1-1，则得到以改正数求观测值中误差的公式： 2、相对误差 相对误差 K 是中误差的绝对值与相应观测值之比。 3、极限误差 偶然误差的第一个性质指出：在一定的观测条件下，