数字摄影测量概述.ppt

1 数字摄影测量学 DigitalPhotogrammetry 2 数字摄影测量Digitalphotogrammetry 课程性质适应专业层次 本课程的地位设置本课程的目的 教学基本要求基本教学内容 3 参考书 4 数字摄影测量Digitalphotogrammetry 建议 处理好教材与其他参考资料的关系 处理好课堂听课与课下复习的关系 处理好理论教学与实践教学的关系 处理好正常学习与考研准备的关系 5 摄影测量与遥感是从非接触成像或其它传感器系统 通过记录 量测 分析与表达等处理 获取地球及其环境或其它物体可靠信息的工艺 科学与技术 一 摄影测量的定义 6 二 摄影测量能做什么 主要任务 摄影测量目前的主要任务是 1 测制各种比例尺的地形图和专题图 2 建立地形数据库 3 为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据 7 摄影测量学要解决的两大问题是几何定位和影像解译 几何定位就是确定被摄物体的大小 形状和空间位置 几何定位的基本原理源于测量学中的前方交会法 它是根据两个已知的摄影站点和两条已知的摄影方向线 交会出构成这两条摄影光线的待定地面点的三维坐标 影像解译就是确定影像对应地物的性质 人工判读 计算机自动识别和提取 8 摄影测量知识回顾 摄影测量常用坐标系像片的内方位元素与外方位元素共线条件方程式共面条件方程式单像解析基础双像解析基础 9 一 摄影测量常用坐标系 像平面坐标系像空间坐标系摄影测量坐标系地面辅助坐标系大地坐标系 10 像方坐标系 物方坐标系 坐标系间的关系 11 二 像片的内方位元素与外方位元素 1 航摄像片的内方位元素 投影中心对像片的相对位置叫做像片的内方位 确定内方位的独立参数叫做内方位元素 12 1 像片的内方位元素 每条摄影光线在像空系中有一个确定的方向 这个方向可以用两个角度来表示 在投影的情况下 恢复内方位就是恢复摄影光束的形状 二 像片的内方位元素与外方位元素 13 确定摄影时像片连同其摄影中心在物方坐标系中位置和方向的元素 叫做像片的外方位元素 确定像空系 或摄影光束 在物方坐标系中位置和方向的元素叫做像片的外方位元素 像片的外方位元素有6个 其中3个是线元素 即像空系的原点S在物方坐标系中的坐标 另外3个是角元素 用以确定像空系三轴在物方坐标系中的方向 2 像片的外方位元素 二 像片的内方位元素与外方位元素 14 N S 角 俯仰pitching 角 侧滚roll 角 偏航yaw 主光轴在XZ坐标面内的投影与Z轴的夹角 逆时针方向为正 从Z轴起算 主光轴与其在XZ坐标面内的投影的夹角 逆时针方向为正 从主光轴投影起算 Y轴在像平面上的投影与像平面坐标系y轴的夹角 逆时针方向为正 从投影起算 2 航摄像片的外方位元素 二 像片的内方位元素与外方位元素 15 三 共线条件方程式 16 在理想情况下 摄影瞬间像点 投影中心 物点位于同一条直线上 以三点共线为基础建立起来的描述这三点共线的数学表达式 称之为共线条件方程式 1 共线条件方程的定义 CollinearityConditionEquations 三 共线条件方程式 17 用地面点坐标表示像点坐标的共线条件方程 2 共线条件方程的形式 三 共线条件方程式 18 用像点坐标表示地面点坐标的共线条件方程 三 共线条件方程式 19 空间后方交会 空间前方交会光束法平差的基本公式数字摄影测量系统中数字投影器的基础计算像片模拟数据单片定位求像底点坐标 3 共线条件方程用途 三 共线条件方程式 20 四 共面条件方程 同名光线对对相交用数学语言表达 摄影基线B与这两条同名光线满足共面条件 21 四 共面条件方程 22 五 单像解析基础 空间后方交会 SpaceResection 的定义利用地面控制点 GCP GroundControlPoint 及其在像片上的像点 确定像片外方位元素的方法 23 1 基本命题已知 地面控制点坐标X Y Z 不少于3个 为什么 相应像点坐标x y 内方位元素x0 y0 f求 利用共线条件方程按参数平差法求解像片的外方位元素 2 基本原理共线条件线性化方程 五 单像解析基础 24 共线条件方程简化为 去掉地面点坐标的改正数 列误差方程式 法化答解 五 单像解析基础 25 六 双像解析基础 双像解析摄影测量的目的是研究立体像对内两张像片之间以及立体像对与被摄物体之间的数学关系 并以数学计算的方式确定地面点的三维坐标 26 1 立体像对的定义 StereoPair 由不同摄站获取的 具有一定影像重叠的两张像片 六 双像解析基础 27 2 立体模型 在恢复光束内方位元素及保持立体像对的相对方位的情况下 通过摄影过程的几何反转 由无数同名光线相交得到的与实地相似的三维几何表面叫做立体模型 立体模型与立体几何模型的关系 比例尺 方位不一样 六 双像解析基础 28 解决摄影测量问题的时候 也可以分为两步处理 首先确定像对中两张像片的相对方位 构成立体模型 这个过程叫做立体像对的相对定向 确定一个立体像对中两张像片之间的相对方位的参数 叫做该立体像对的相对方位元素 然后再确定这个立体模型在地辅系中的大小和方位 这个过程叫做立体模型 像对 的绝对定向 确定这个立体模型在地辅系中的大小和方位的参数 叫做该立体模型 像对 的绝对方位元素 六 双像解析基础 29 3 像对的相对方位元素 二种相对方位元素系统 连续像对系统 B 决定了摄影基线的方向 决定了右光束对于左光束的旋转方位 六 双像解析基础 30 3 像对的相对方位元素 二种相对方位元素系统 单独像对系统 六 双像解析基础 31 1 定义 确定立体模型在地面坐标系中的大小和空间方位的元素 实际上就是确定相对定向时采用的坐标系与地面坐标系的关系 需要哪些元素 4 像对的绝对方位元素 六 双像解析基础 32 2 绝对方位元素的确定 大小 比例尺 位置 相对定向时采用的坐标系的原点在地面坐标系的坐标X0 Y0 Z0 方向 这实际上就是空间相似变换的七个参数 六 双像解析基础 33 5 解求地面点的空间坐标 解求地面点的空间坐标可分为三种 空间后方交会 空间前方交会相对定向 绝对定向光束法 六 双像解析基础 34 条件 每张像片上至少有三个GCP 1 单片后方交会分别求出左右像片的外方位元素 2 空间前方交会求出待定点地面坐标 缺点 没有充分利用多余条件 重叠 进行平差 一 空间后方交会 空间前方交会 35 利用立体像对两张像片的同名像点坐标和像对的相对方位元素 或外方位元素 解算模型点坐标 或地面点坐标 的工作 1 利用像对的相对方位元素 计算模型点的三维坐标 2 利用像对的外方位元素 计算相应像点的地面坐标 空间前方交会 36 二 相对定向一绝对定向法 这种方法不直接求出两张像片相对于地面摄影测量坐标系的外方位元素 而是先进行相对定向 确定两张像片相对于以左摄站为原点的像空间辅助坐标系的方位元素一相对定向元素 然后用前方交会方法计算出模型点坐标 建立与地面相似的立体模型 最后进行绝对定向 将立体模型作三维的平移 旋转和缩放 使模型点坐标变换为地面摄影测量坐标 37 条件 重叠范围内至少有二个平高控制点 一个高程控制点 1 相对定向求出五个相对方位元素 2 空间前方交会求出模型点坐标 3 绝对定向求出七个绝对方位元素 4 通过空间相似变换将模型坐标转换为地面坐标 缺点 公式多 不能严格表达外方位元素 二 相对定向一绝对定向法 38 相对定向定义 恢复两光束间相对方位的工作 解算立体像对相对方位元素的工作 目的 建立立体模型 完成标志 同名光线对对相交 共面 核面 所有点在其承影面上的上下视差为零 完成手段 解算五个相对方位元素 命题 利用五个以上定向点的像点坐标 解算相对方位元素 已知条件 五个以上定向点的像点坐标 待求 五个相对方位元素 思路 找出相对方位元素与像点坐标的关系即共面条件方程 39 连续像对系统 线性化 40 绝对定向方程 空间相似变换 定义 解算绝对方位元素的工作叫做绝对定向 确定立体模型在地面坐标系中的大小和方位的工作 命题 利用已知地面控制点确定立体模型在地面坐标系中的大小和方位 已知 三个以上地面控制点的坐标及其相应的模型坐标 待求 七个绝对方位元素 实质 模型点的摄测坐标向地面坐标的数学变换 思路 找出已知条件 控制点坐标 与未知参数 绝对方位元素 间的数学关系 41 绝对定向方程 空间相似变换 42 三 光束法 基本原理光束法以共线条件方程式为基础 控制点和待定点一起列误差方程式 同时解算待定点坐标和像片的外方位元素 光束法 一步定向法理论严密 精度高 待定点坐标完全按平差原理得到 43 数字摄影测量Digitalphotogrammetry 什么是摄影测量 它有几个分支 它经历了几个主要发展阶段 什么是数字摄影测量 主要研究哪些内容 数字摄影测量的主要产品 作业环节和主要作业过程有哪些 44 第1讲绪论 摄影测量的知识回顾摄影测量的三个发展阶段数字摄影测量的定义与研究内容数字摄影测量的主要作业过程及产品数字摄影测量与其他学科的关系数字摄影测量的应用数字摄影测量需进一步研究的问题数字摄影测量的现状与发展本门课程的内容安排及特点 45 摄影测量的知识回顾 1 什么是摄影测量 摄影测量渊源于 前方交会 普通测量是在两个已知点1 2上 安置经纬仪 对未知点A测定水平角 垂直角 进行 前方交会 测量未知点的坐标A X Y Z A 46 摄影测量1 在两个已知点上 摄取两张影像 2 量测影像上同名点的坐标 a1 x1 y1 a2 x2 y2 3 通过解算 求得对应空间点的坐标A X Y Z 摄影测量的知识回顾 47 摄影测量的基本内容Thefundamentaltaskofphotogrammetryistorigorouslyestablishthegeometricrelationshipbetweentheimageandtheobjectasitexistedatthetimeoftheimagingevent Oncethisrelationshipiscorrectlyrecovered onecanthenderiveinformationabouttheobjectstrictlyfromitsimagery E M Mikhailetc ModernPhotogrammetry 摄影测量的知识回顾 48 有了同名点就建立了影像与所摄物体的几何关系 就解决了通过影像量测物体的问题 同名点 摄影测量的知识回顾 49 传统摄影测量 均依赖于人的双眼 确定同名点 摄影测量的知识回顾 50 数字摄影测量 就是要用计算机代替人的双眼 确定同名点 影像匹配 摄影测量的知识回顾 51 模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量 摄影测量的三个发展阶段 52 摄影测量的三个发展阶段 53 数字摄影测量的定义与研究内容 1 数字摄影测量的定义 Definitions 定义一 基于数字影像与摄影测量的基本原理 应用计算机技术 数字影像处理 影像匹配 模式识别等多学科的理论与方法 提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量的分支学科 张祖勋 定义二 以数字影像为基础 用计算机分析和处理确定被摄物体的形状 大小 位置及其性质的技术 具有全数字的特点 中国军事百科全书测绘分册 54 2 数字摄影测量的研究内容 数字影像的获取与处理定向理论影像匹配DEM自动生成数字空中三角测量数字微分纠正地物识别数字摄影测量系统 数字摄影测量的定义与研究内容 55 数字摄影测量的主要作业过程及产品 1 数字摄影测量的主要过程 数字测绘产品 数字正射影像数字线划图三维景观图 数据获取 数字 模拟数字化预处理重采样 定向过程 内定向相对定向绝对定向核线重采样 DEM自动提取 影像匹配DEM自动生成DEM内插DEM编辑 数字空三 选点转点平差加密精度评定 56 数字摄影测量 基本流程 数字影像 57 2 数字摄影测量的主要产品 数字空中三角测量的加密成果DEM或DSM DigitalSurfaceModel 各种数字线划图数字正射影像图三维景观图 如地形三维可视化显示等各种工程设计所需的三维信息各种信息系统所需的基础地理空间数据 数字摄影测量的主要作业过程及产品 58 4D产品DRG DigitalRasterGraphic DLG DigitalLineGraphic DOM DigitalOrthophotoMap DEM DigitalElevationModel DSM DigitalSurfaceModel 数字摄影测量的主要作业过程及产品 2 数字摄影测量的主要产品 59 2 数字摄影测量的主要产品 数字摄影测量的主要作业过程及产品 60 由航片生成的苏州市的点云 数字摄影测量的主要作业过程及产品 影像匹配算法所获得的三维点云数据 61 数字摄影测量的主要作业过程及产品 62 数字摄影测量的主要作业过程及产品 63 数字表面模型DSM 数字摄影测量的主要作业过程及产品 64 数字摄影测量的主要作业过程及产品 65 数字摄影测量的主要作业过程及产品 66 北京 亚运村 BeijingAsianGamesCluster Citymodelingandvisualization 67 数字厦门 Citymodelingandvisualization 68 数字摄影测量与其他学科的关系 与数字图像处理的关系 D P anddigitalimageprocessing 与模式识别的关系 D P andpatternrecognition 与计算机视觉或机器视觉的关系 D P andcomputervisionormachinevision 69 数字摄影测量的应用 各种比例尺的地形测图数字摄影测量系统与3S的集成数字摄影测量系统与CAD数字摄影测量系统与计算机视觉数字摄影测量系统在军事中的应用变化检测 changedetection 与地图修测数字摄影测量系统 可视化与虚拟现实 70 七 数字摄影测量需进一步研究的问题 辐射信息 RadiationInformation 数据量 DataVolume 数字影像匹配 DigitalImageMatching 数字影像解译与理解 ImageUnderstanding 71 1 辐射信息解析摄影测量中 一个点目标向量是三维的数字摄影测量中 一个点目标向量是四维的 该点的辐射信息 影像的密度或灰度 七 数字摄影测量需进一步研究的问题 72 2 数据量大范围成像 数据量大 海量数据的存储 分发和管理3 影像匹配影像匹配的精确性 可靠性 算法的适应性及速度4 解译与理解 七 数字摄影测量需进一步研究的问题 73 各种传感器迅速发展摄影测量是否会被 终止 Photogrammetryandcatsshareacommon mostimportanttrait bothhaveseverallives Theendofphotogrammetryhasbeenpredictedseveraltimes Forexample ToniSchenk DigitalPhotogrammetry VolumeI 1999 TerraScince 事实上 它的发展 不仅没有终止 摄影测量 而是给摄影测量带来新的机遇 数字摄影测量的现状与发展 74 1 摄影测量理论与实践的发展 1 由 单基线 到 多基线 立体传统的摄影测量受人的 双眼 的限制 单基线立体 BinocularStereo 数字摄影测量的现状与发展 双目立体 75 2 由基于 点 到 广义点 摄影测量 点无穷远点直线圆圆弧任意曲线 数字摄影测量的现状与发展 线摄影测量 1 摄影测量理论与实践的发展 76 由于摄影测量渊源于测量学中 测点 的前方交会与后方交会 因此 共线方程 即物点 像点与摄影中心位于一条直线上 是整个摄影测量的核心 点的共线性是摄影测量的基本概念 但是摄影测量所涉及到的点仅仅是物理的点或可视的点 如圆点 交点 角点等 无论是在模拟还是解析 甚至是数字摄影测量阶段 可以由人工量测的主要基本特征是物理的点 因而它可以称为 点摄影测量 数字摄影测量的现状与发展 1 摄影测量理论与实践的发展 77 但是在建筑物的提取 建筑摄影测量 工业零件测量中 大量存在的是直线 由此 基于直线的摄影测量 即共面方程 得到了深入的研究与应用 在线摄影测量中 对于直线 可以使用共面方程 其中影像上的直线位于过其对应的空间直线与摄影中心的平面内 其中所有的直线和曲线通常都被认为是线特征而不是点特征 数字摄影测量的现状与发展 1 摄影测量理论与实践的发展 78 在现实世界中 还存在大量的曲线 如地面上的道路 河流 湖泊等 建筑测量 工业测量中的圆 圆弧 曲线等 另外 在实际生产 特别是利用影像进行地图修测 中 目前一般是要在地形图与影像之间确定对应点作为控制 这是一项比较困难的任务 因为在一般情况下 明显点 独立点 角点较少 并难以精确配准 因此 能否利用地图与影像上存在的大量的 线 作为控制信息进行配准 将具有重要的理论与现实意义 数字摄影测量的现状与发展 1 摄影测量理论与实践的发展 79 3 影像匹配理论与实践的发展 影像匹配 对应性问题 correspondingidentification是数字摄影测量的 核心 也是它的 生命力 所在 它已经促使了摄影测量生产中内定向 相对定向 空中三角测量 DEM的生成 从而使得正射纠正的自动化 或半自动化 极大地提高了生产力 1 摄影测量理论与实践的发展 数字摄影测量的现状与发展 80 匹配也是计算机立体视觉的核心 在计算机视觉界 同样也认为 影像匹配是没有解决的问题 无论是从视觉生理的角度 还是从实际应用方面来看 现有的立体视觉技术还处在十分不成熟的阶段 这不仅仅涉及到技术上的原因 而且更多地在于人类对自身视觉机理还不十分了解 立体视觉问题的彻底解决还有待于对人类自身视觉机理的深入研究 立体视觉研究的现状与进展 游素亚 徐光右1997 1 摄影测量理论与实践的发展 数字摄影测量的现状与发展 81 2 摄影测量系统的发展 数字摄影测量工作站 DPW 的出现为摄影测量带来了一次重大的革命由数字影像替代光学影像 摄影测量实现了完全计算机化大大的提高了生产效率但是 随着新传感器的发展 PF 像素工厂 的出现 今天我们必须考虑DPW所存在的问题 与它的发展 数字摄影测量的现状与发展 82 83 DPW的问题 1 DPW是摄影测量生产所需而设计的 工作站 但是DPW仍是按单 台 件 方式作业 2 受摄影测量传统观念的限制 DPW已经完全不能适应新一代摄影