武大遥感考研专业课

第 1 章 绪论 1 摄影测量发展经过了模拟摄影测量 解析摄影测量 数字摄影测量三个阶段 模拟摄影测量 利用光学或机械投影的方法来模拟摄影成像过程 用两个或多个投 影器恢复摄影时的航摄仪位置和姿态 通过实现摄影过程的几何反转建立与实际地 形表面成比例的可量测几何模型 通过对几何模型的量测得到地形图和各种专题图 件 解析摄影测量 以计算机为主要手段 通过对摄影像片的量测和解析计算方法的交 会方式在计算机中建立像点坐标与物点坐标之间的几何关系 从而研究并确定被摄 物体的形状 大小 位置 性质及相互关系 并提供各种摄影测量产品 数字摄影测量 基于摄影测量的基本原理 应用计算机技术 数字图像处理 影像 匹配 模式识别等多学科的理论和方法 从影像中提取所摄物体以数字方式表达的 几何与物理信息 数字摄影测量和模拟 解析测量的最大区别 它处理的原始资料是数字影像或数字化影像 它最终是以计算机视觉代替人的 立体观测 因而它使用的仪器最终将只是通用计算机及其相应的外部设备 其产品 是数字形式的 传统的产品只是该数字产品的模拟输出 解析测图仪与模拟测图仪的区别 前者使用的哦是数字投影方式 后者使用的是模拟的物理投影方式 由此导致 仪器设计和结构上的不同 前者是计算机控制的坐标量测系统 后者是使用纯光学 机械型的模拟测图装置 还有操作方式的不同 前者是计算机辅助的人工操作 后 者是完全的人工操作 2 发展 趋势 挑战等 趋势 传感器平台的多样化 无无人机的发展 从对控制点的高度依赖走向无需地 面控制点的摄影测量作业模式 新型传感器的发展有望取代传统的胶片型传感器 摄影测量软件平台的并行化与自能化 多传感器的有效集成 第 10 章 数字摄影测量站的功能 1 影像数字化 利用高精度影像数字化仪 扫描仪 将像片 负片或正片 转化为 数字影像 2 影像处理 使影像的亮度与反差合适 色彩适度 方位正确 3 量测 单像量测 特征提取与定位及交互量测 双像量测 影像匹配及交互立体量测 多像量测 多影像间的匹配及交互多影像量测 4 影像定向 内定向 在框标的半自动与自动识别与定位的基础上 利用框标的检校坐标与定位 坐标 计算扫描坐标系与像片坐标系间的变换参数 相对定向 提取影像中的特征点 利用二维相关寻找同名点 计算相对定向参数 绝对定向 5 自动空中三角测量 包括自动内定向 连续相对的自动相对定向 自动选点 自 动转点 模型连接 航带构成 构建自由网 自由网平差 粗差剔除 控制点半自 动量测与区域网平差解算等 6 构成核线影像 按照核线关系 将影像的灰度沿核线方向予以重新排列 构成核 线影像对 以便立体观测及将二维影像匹配转为一维影像匹配 7 影像匹配 进行密集点的影像匹配 以便建立数字地面模型 8 建立数字地面模型及其编辑 由密集点影像匹配的结果与定向元素计算同名点的 地面坐标 然后内插格网点高程建立矩形格网 DEM 或直接构建 TIN 9 自动绘制等高线 基于矩形格网 DEM 或 TIN 跟踪等高线 10 制作正射影像 基于矩形格网 DEM 与数字微分纠正原理 制作正射影像 11 正射影像的镶嵌与修补 根据相邻正射影像重叠部分的差异 对相邻正射影像 进行几何与色彩或灰度的调整 以达到无缝镶嵌 对正射影像上遮挡或异常的部分 用邻近的影像块或适当的纹理代替 12 数字测图 基于数字影像的机助量测 矢量编辑 符号化表达与注记 13 制作影像地图 矢量数据 等高线与正射影像叠加 制作影像图地图 14 制作透视图 景观图 根据透视变换原理与 DEM 制作透视图 将正射影像叠加 到 DEM 透视图上制作真实三维景观图 15 制作立体匹配片 根据 DEM 引入视差 由正射影像制作立体匹配片 或者由原 始影像制作立体匹配片 产品 影像参数 空中三角测量加密成果或影像定向结果 数字地面模型 DEM 或数字表面模型 DSM 数字地图 数字正射影像图 透视图 景观图 可视化立体模型 各种工程设计所需的三维信息 各种信息系统 数据库所需的空间信息 第 2 章 单幅影像解析基础 2 1 节 1 数码航空影像分类 1 单面阵航空数码相机 特点 获取的是彩色影像 影像像幅面小 但分辨率高 有些系统还装有高精度全 球定位系统 GPS 和惯性测量装置 IMU 可提供较高精度的影像外方位元素 相机 无框标 但像元行列排列非常规则 也因为其无框标 故不需要进行内定向 2 多面阵航空数码相机 特点 大多数产品的大面阵是由多个小面阵合成的 影像像幅面较大 3 三线阵航空数码相机 特点 如 ADS40 相机 由 3 组全色波段的 CCD 阵列 每组两个 CCD 并排放置 CCD 之间存在半个像素约 3 25um 的错位 这种设计可以提高几何分辨率 ADS40 系统利用三线阵中心投影的 CCD 相机 能够为每一条航带连续地获取不同投影方 向 一般为前视 后视 下视 和不同波段的影像 其中任何两张不同投影方向的 影像都可以构成立体像对 但是 每条线的外方为元素不一样 给后续处理带来困 难 2 空中摄影 1 空中摄影采用竖直摄影方式 即摄影瞬间摄影机物镜主光轴近似与地面垂直 2 摄影比例尺 把摄影像片当做水平像片 地面取平均高程 这时候像片上的线 段 l 和地面上相应线段的水平距 L 之比 1 m l L f H 航高 指摄影机物镜相对于某一基准面的高度 相对航高 指摄影机物镜相对于某一基准面的高度 常称为摄影航高 绝对航高 是相对于平均海平面的航高 是指摄影物镜在摄影瞬间的真实海拔高度 3 摄影比例尺的选择 航摄比例尺的选取要以成图比例尺 摄影测量内业成图方 法和成图精度等因素来考虑选取 另外还要考虑经济性和摄影资料的可使用性 4 像片重叠度 5 航带弯曲 航带弯曲是指航带两端像片主点之间的直线距离 L 与偏离该直线最 远的像主点到该直线垂距 比的倒数 6 像片旋转角 相邻两像片的主点连线与像幅沿航带飞行方向的两框标连线之间 的夹角称为像片的旋偏角 用 表示 2 2 节 1 投影方式 中心投影 当投影射线会聚于一点时 称为中心投影 平行投影 当诸投影射线都平行与某一固定方向时 这种投影称为平行投影 2 透视变换中的特殊点 线 面及特性 摄影中心 S 迹线 两透视平面的交线 也叫透视轴 像主点 由投影中心作像片平面的垂线 交像平面于 0 称为像主点 地主点 像主点在地面上的对应点 O 为地主点 像底点 由摄影中心作铅垂线交像平面于点 n 称为像底点 地低点 铅垂线交地面与点 N 为地底点 主垂面 过铅垂线 SnN 和摄影方向 SoO 的铅垂面称为主垂面 主垂面即垂直与像 平面 又垂直与地平面 用 W 表示 主纵线 主垂面 W 和像平面的交线称为主纵线 vv o 和 n 都在 vv 上 摄影方向线 主垂面 W 和地平面的交线称为摄影方向线 以 VV 表示 等角点 作角 OSN 的角平分线 和像平面交于 c 点 和地平面交与 C 点 前者称 为像片上的等角点 后者称为地面上的等角点 合点 过 S 作地平面上一条直线的平行线 和像平面的交点称为合点 合点是地 平面上所有平行线组无穷远点的中心投影 合面或真水平面 过投影中心 S 作一水平面平行于地面 称为合面 Es 合线或真水平线 合面和像平面的交线 地面 E 上任何平行线组的合点都落在真 水平线上 主合点 合线及真水平线和主纵轴的角点 i 称为主合点 主合点是地面上一组平行 于摄影方向线 VV 直线的无穷远点的构象 像水平线 过像片内任何像点作平行于合线的平行线 hh 都称为像水平线 等比线 过像片上等角点 c 的像水平线称为等比线 主遁点 过摄影中心 S 在主垂面内作像平面的平行线 与地面 E 交点称为主遁点 3 重要点线的特征 1 底点的特性 把像片作为投影平面时 像底点应为空间铅垂线组的合点 2 等角点的特性 当地面为水平时 取等角点 c 和 C 为辐射中心 在像平面和地 平面上向任意一对透视对应点所引绘的方向 与相应的对应起始线之间的夹角是相 等的 在倾斜的航摄像片上和水平地面上 由等角点 c 和 C 所引出的一对透视对 应线无方向偏差 根据等角点的这个特性 就可以在倾斜航摄像片上以等角点 c 为 角顶量出某一角度 来代替在地面以点 C 为测站实地量测的水平角 3 等比线的特性 等比线的构象比例尺等于水平像片的摄影比例尺 f H 不受像 片倾斜的影响 2 3 共线方程 1 摄影测量常用的坐标系 1 像平面坐标系 是影像平面内的直角坐标系 用以表示像点在像平面上的位置 原点为像主点 x 和 y 轴与框标坐标系的方向相同 z 轴方向和 So 的连线一致 2 像空间坐标系 原点位于摄影中心 S x 轴和 y 轴和 z 轴和像平面坐标系的方向 一致 3 像空间辅助坐标系 原点位于 S Z 轴为铅垂方向 并取航向方向为 X 轴 这 样有利于改正沿航线方向累计的系统误差 4 摄影测量坐标系 以地面上某一点 A 为坐标原点 其他坐标轴和像空间辅助坐 标系的一致 5 物空间坐标系 地面测量坐标系 大地坐标系 注意该坐标系是左手坐标系 以上三个坐标系均为右手坐标系 2 影像的内方位元素 1 内方位元素 确定摄影机的镜头中心相对于影像位置关系的参数 成为影像的 内方位元素 包括 f x0 y0 内方位元素一般由摄影机检校确定 2 外方位元素 确定影像或摄影光束在摄影瞬间的空间位置和姿态的参数 称为 影像的外方位元素 包括三个线方位元素 Xs Ys Zs 用于描述摄影中心 S 相 对于物方空间坐标系的位置 另外三个是角元素 即 3 共线方程的应用 a 单像空间后方交会和多像空间前方交会 b 解析空中三角测量光束法平差中的基本数学模型 c 构成数字投影的基础 d 计算模拟影像数据 已知影像内方位元素和物点坐标求像点坐标 e 利用数字高程模型 DEM 与共线方程制作正射影像 f 利用 DEM 与共线方程进行单幅影像测图 等等 4 有理函数模型 有理函数模型可以直接建立起像点和空间坐标之间的关系 不需 要内方位元素 回避成像的几何过程 可以广泛应用于线阵影像的处理中 1 优点 A 因为 RFM 中每一等式右边都是有理函数 所以 RFM 能得到比多项式模型更高 的精度 且不会振荡 B 众所周知 在像点坐标中加入附加改正参数能提高传感器模型的精度 在 RFM 中则无须加入这一附加的参数 因为多项式系数本身包含了这一改正参数 C RFM 独立于摄影平台和传感器 这是 RFM 最诱人的特性 D RFM 独立于坐标系统 这使得使用 RFM 时无需繁复的坐标转换 大大简化了计 算过程 2 缺点 A 该定位方法无法为影像的局部变形建立模型 B 模型中很多参数没有物理意义 无法对这些参数的作用和影响作出定性的解释和 确定 C 解算过程中可能会出现分母过小或者零分母 影响该模型的稳定性 D 有理多项式系数之间也有可能存在相关性 会降低模型的稳定性 E 如果影像的范围过大或者有高频的影像变形 则定位精度无法保证 2 4 节 航摄像片的像点位移和比例尺 1 像点位移 1 概念 一个地面点在地面水平的水平像片上的构想与地面有起伏时或倾斜像片 上构像的点位不一样 这种差异称为像点位移 2 因像片倾斜引起的像点位移 表现为水平的地平面上任意一正方形在像片上的 构像变为一个四边形 反之 像片上的一正方形影像对应于地面上的景物不一定是 正方形 3 因地形起伏引起的像点位移 因地形起伏 引起的像点位移 常称为像片上的 投影差 将具有位移的像点投影在基准面上 和实际地面上的点之间的水平距离称 为地面上的投影差 4 综合考虑像片倾斜和地形起伏的影像 像片上的任意一点都存在像点位移 且 位移的大小随点位的不同而不同 由此导致一张像片上不同点位的比例尺不相等 2 像片比例尺 2 5 节 单幅影像解析基础 1 影像内定向 1 概念 在传统摄影测量中 将影像架坐标变换为以影像上像主点为原点的像坐 标系中的坐标 在当代摄影测量中 将扫描坐标系转换到像坐标 都称为影像内定 向 2 方法 借助影像的框标来解决 位于影像四边中央的为机械框标 位于影像四 角的为光学框标 若采用线性正形变换 则仅需量测 3 个框标 若采用放射变换公 式 则需量测 4 个框标 若采用双线性变换公式和投影变换公式 则需量测 8 个框 标 2 单像空间后方交会 1 概念 即利用影像覆盖范围内一定数量的控制点的空间坐标与影像坐标 根据 共线条件方程 反求该影像的外方位元素 这种方法就称为单幅影像的空间后方交 会 2 基本思想 以单幅影像为基础 从该影像所覆盖地面范围内若干控制点的已知 地面坐标和相应点的像坐标量测值出发 根据共线方程 解求该影像在航空摄影时 刻的外方位元素 Xs Ys Zs 3 计算过程 A 获取已知数据 摄影比例尺 航高 内方位元素 控制点的空间坐标 B 量测控制点的像点坐标并进行必要的影像坐标系统误差改正 得到像点坐标 C 确定未知数的初始值 D 计算旋转矩阵 R E 逐点计算像点坐标的近视值 F 逐点计算误差方程式的系数和常数项 组成误差方程式 G 计算法方程的系数矩阵 ATA 与常数项 ATL 组成法方程式 H 解求外方位元素 I 检查计算是否收敛 若 的改正数 小于限差 则迭 代结束 否则用新的近视值重复 D H 步骤的计算 直到满足要求为止 第 3 章 双像立体测图 3 1 人眼的立体视觉和立体观测 1 人造立体视觉 由于远近不同而形成的交会角的差异 便在人的两眼中产生了生理视差 得 到一个立体视觉 能分辨出物体远近 而通过观测立体像对得到地物景物立体影像 的立体感觉称为人造立体视觉 2 观察人造立体的条件 1 由两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对 2 一只眼睛只能观察像对中的一张像片 即双眼观察像对时必须保持两眼分别只 能对一张像片观察 这一条件称之为分像条件 3 两眼各自观察同一景物的左 右影像点的连线应与眼基线近视平行 4 像片见的距离应与双眼的交会角相适应 5 比例尺相差小于等于 1 2 立体效应的转换 1 正立体效应 将左方摄影站获得的像片 P1 放在左方 用左眼观察 右摄影站 摄得的像片 P2 放在右方 用右眼观察 就得到一个与实物相似的立体效果 称此 立体效应为正立体效应 2 反立体效应 将左方摄影站获得的像片 P1 放在右方 用右眼观察 右摄影站 摄得的像片 P2 放在左方 用左眼观察 由于人眼观察像片的生理视差改变了符号 使观察到的立体影像的立体远近恰好与实物相反 称此立体效应为反立体效应 3 零立体效应 将正立体情况下的两张像片 在各自的平面内按同一方向旋转 90 使像片上纵横坐标互换了方向 像片上原来的纵坐标 y 轴转到与基线平行 此时生理视差变为像片的 y 方向的视差 因而失去了立体感觉成为一个平面图像 这种立体视觉 称为零立体效应 3 像对的立体观察 1 用立体镜观察 2 重叠影式观察立体 当一个立体像对的两张像片在恢复了摄影时的相对位置后 用灯光照射到像片上 其光线通过像片投射至承影面上 两张像片的重叠影像相互 重叠 A 互补色法 B 光闸法 C 偏振光法 D 液晶闪闭法 3 2 立体像对像对定向与核线几何 1 相对定向元素与共面方程 一个控制点就一个方程 最少需要 5 个方程 1 立体相对定向就是要恢复摄影时相邻两影像摄影光束的相互关系 从而使同名 光线对对相交 相对定向的方法有两种 一种是单独像对像对定向 它采用两幅影 像的角元素运动实现相对定向 其定向元素为 1 1 2 2 2 另 一种是连续像相对定向 它以左影像为基准 采用右影像的直线运动和角运动实现 相对定向 其定向元素为 By Bz 2 2 2 在多个连续模型的处理中 多采用连续法相对定向 2 共面条件方程式 摄影站为 S1 S2 m1 m2 表示模型点 M 在左右两幅影像 上的构像 S1m1 S2m2 表示一对同名光线 它们与空间基线 S1S2 共面 这个平 面可以用三个矢量 R1 R2 和 B 的混和积表示 Bx By Bz X1 Y1 Z1 0 X2 Y2 Z2 该式便是解析相对定向的共面条件方程式 2 核面与核线 1 概念 通过摄影基线 S1S2 与任一物方点 A 所作的平面 Wa 称为通过 A 的核面 通过像主点的核面称为主核面 在立体像对中 左右影像各有其自身的主核面 一 般不重合 核面和影像面的交线称为核线 一条核线上的任一点其在另一幅影像上 的同名像点必定位于其同名核线上 即重叠影像上 同名像点必然位于同名核线上 2 确定核线方法 A 基于数字影像几何纠正的核线解析关系 思路 即在倾斜像片 左 对应的水平像片上找到核线 水平像片上只要是水平的 线都是核线 然后反算到倾斜影像上 设倾斜影像上的坐标系为 x y 水平 影像上的坐标系为 u v 则 fcvbua fcvbua fx 333 111 fcvbua fcvbua fy 333 222 公式理解 其实就是像平面坐标 到像空间辅助坐标之间的转换 而共线方程是 物方空间坐标系到像平面坐标系之间的转换 而物方空间坐标系和像空间辅助坐标 系是平行的 故各种参数是一致的 显然在 水平影像 上 v 等于某常数即表示某一核线 将 v c 带入上式 经整理 得 1d dd 3 21 u u x 1e ee y 3 21 u u 若以等间隔取一系列的 u 值 即求得一些列的像点坐标 这些像点就位于倾斜影像 的核线上 若将这些像点经重采样后的灰度直接赋给 水平 影像上相应的像点 就能获得 水平 影像上的核线 由于在 水平 影像对上 同名核线的 v 坐标值相等 因此将同样的 v 代入右影像 共线方程中 即能获得右影像上的同名核线 实质 是一个数字纠正 将倾斜影像上的核线投影 纠正 到 水平 影像上 求 得 水平 影像对上的同名核线 B 基于共面条件的同名核线几何关系 3 3 立体像对空间前方交会 该节较简单 只需注意 有两种方法 一种是利用点投影系数的空间前方交会 方法 一种是利用共线方程的严格解法 后者是一种严格的 不受影像数约束的空 间前方交会 由于其是线性方程组 故也不需要空间坐标的初值 注意 多片前方交会能够提高结果的精度和可靠性 3 4 单元模型的绝对定向 一个点列 3 个方程 有 7 个未知数 故最少需要 3 个控制点 确切的说 是两个 平面高程控制点 和一个高程控制点 1 进行绝对定向的背景 一个立体像对经相对定向所建立的立体模型是以像空间 辅助坐标系为基准的 其比例尺仍是任意的 要确定立体模型在实际物空间坐标系 中的正确位置 则需要把模型点的摄影测量坐标转化为物空间坐标 这需要借助与 物空间坐标为已知的控制点来确定空间辅助坐标系与实际物空间坐标系之间的变换 关系 称为立体模型的绝对定向 模型的绝对定向或两个单独像对定向模型的连接问题在数学上都是一个不同原点的 三维空间相似变换问题 2 空间坐标的相似变化方程 变化参数 需经过 3 个角度的旋转 一个比例尺缩放和 3 个坐标方向的平移 才能 将模型点的空间辅助坐标变换为物空间坐标 3 坐标的重心化 1 目的 一是减少模型点坐标在计算过程中的有效位数 以保证计算的精度 二 是采用了重心化坐标以后 可使法方程式的系数简化 个别项的数值变成零 部分 未知数可以分开求解 从而提高了计算速度 4 计算过程 A 确定待定参数的初始值 三个角 线旋转参数为 0 缩放参数为 1 B 计算地面摄测坐标系重心的坐标和重心化的坐标 C 计算空间辅助坐标系重心的坐标和重心化的坐标 D 计算常数项 E 计算误差方程式系数 F 逐点法化及法方程式求解 G 计算待定参数的新值 H 判断参数增值是否超限 若超限则重复 C H 步 否则 计算过程结束 3 5 立体影像对光束法严密解 1 待定点加密的方法 A 后方交会 前方交会解法 可首先利用控制点的物方空间坐标与像坐标由单像 空间后方交会求出左 右影像的外方位元素 然后再根据待定同名点的像点坐标与 外方为元素 利用空间前方交会方法求出待定点的物方空间坐标 B 相对定向 绝对定向解法 先通过解求立体像对的相对定向元素 按前方交会方 法计算的到模型点的空间辅助坐标以后 再由绝对定向参数求得待定点的物方空间 坐标 C 光束法严密解法 先分别求出两幅影像的外方为元素然后再作前方交会 再将 参数与物方空间点坐标在一个整体内进行 理论较为严密 2 光束法严密解法 该解法含有左 右两幅影像的 12 个外方位元素未知数 对每一个待定点则引 入三个空间坐标未知数 每一对同名点可列出 4 个误差方程式 因此至少需要 3 个控制点才能确定平差 的基准 设在一个立体像对中含有 4 个控制点 n 个待定点 则需解求 12 3n 个未 知数 而误差方程式个数为 16 4n 3 三种解法比较 第一种 后方交会 前方交会 第二种 相对定向 绝对定向 第三种 一次定向解 法 1 第一种方法前交的结果依赖于空间后方交会的精度 前交过程中没有充分利用 多余条件进行平差计算 往往应用于已知影像的外方位元素 需确定少量的待定点 坐标时采用 2 第二种方法计算公式比较多 最后的点位精度取决于相对定向和绝对定向的精 度 用这种方法的解算结果不能严格表达一幅影像的外方为元素 该方法往往在航 带法解析空中三角测量中应用 3 第三种方法的理论最严密 精度最高 待定点的坐标是完全按最小二乘法原理 解求出来的 该方法在光线束法解析空中三角测量中应用 第 4 章 解析空中三角测量 4 1 概述 1 概念 利用计算的方法 根据航摄像片上所量测的像点坐标和必要的用以确定 平差基准的非摄影测量信息测定所摄目标地区未知点的物方空间坐标 称之为解析 空中三角测量 2 意义 A 不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状 B 可快速地在大范围内同时进行点位测定 以节省野外测量工作量 C 不受通视条件限制 D 摄影测量平差是 区域内部精度均匀 且不受区域大小限制 3 目的 应用 A 为 4D 产品生产提供定向控制点和影像定向参数 内方位元素 B 进行三 四等或等外三角测量的点位测定 C 测定大范围内界址点的统一坐标 即用于地籍测量 D 单元模型中大量地面点坐标的计算 E 解析近景摄影测量和非地形摄影测量 4 分类 1 按数学模型可分为 航带法 独立模型法 光束法 2 按平差范围大小可分为 单模型法 单航带法和区域网法 5 进行解析空中三角测量所必需的信息 1 摄影测量信息 橡皮上量测的控制点 定向点 连接点及待求点等等的像点坐 标 或在建立的立体模型上量测的上述各类点的模型坐标 2 非摄影测量信息 主要指将空中三角测量网纳入到规定物方坐标系所必须的基 准信息 从摄影测量观测值与非摄影测量观测值的联合平差意义上讲 还包括直接 的大地测量观测值 导航数据所提供的影像外方位元素以及物方点之间存在的相对 控制条件等 4 2 影像连接点的类型与设置 1 类型 人工转刺点 仪器转刺点 标志点 明显地物点 数字影像匹配转点 4 3 像点坐标量测与系统误差预改正 像点坐标的系统误差主要由摄影材料的变形 摄影物镜畸变 大气折光以及地 球曲率诸因素引起 4 4 航带法空中三角测量 1 概述 1 定义 航带法是通过相对定向和模型连接先建立自由航带法 以点在该航带中 的摄影测量坐标为观测值 通过非线性多项式中变换参数的确定 使自由网纳入所 要求的地面坐标系 并使公共点上不符值的平方和为最小 2 主要思想 把许多立体像对构成的单个模型连结成一个航带模型 将航带模型 视为单元模型进行解析处理 通过消除航带模型中累积的系统误差 将航带模型整 体纳入到测图坐标系中 从而确定加密点的地面坐标 3 主要工作流程 A 像点坐标的量测和系统误差预改正 B 立体像对的相对定向 C 模型连接构建自由航带网 D 航带模型的绝对定向 E 航带模型的非线性改正 F 加密点坐标计算 4 不足之处 航带法空中三角测量是通过一个个像对的相对定向和模型连接构建 自由航带 以各条自由航带为平差的基本单元 各航带中点的摄测坐标作为平差的 观测值 由于这种方法构建自由航带时 是以前一步计算结果作为下一步计算的依 据 所以误差累积得很快 甚至偶然误差也会产生二次和的累积作用 4 5 独立模型法区域网空中三角测量 1 概念 先通过相对定向建立起单元模型 以模型点坐标为观测值 通过单元模 型在空间的相似变换 使之纳入到规定的地面坐标系 并使模型连接点上残差的平 方和为最小 2 基本思想 把一个单元模型 可以由一个立体像对或两个立体像对 甚至三个 立体像对组成 视为刚体 利用各单元模型彼此间的公共点连成一个区域 在连接 过程中 每个单元模型只能作平移 缩放 旋转 因为他们是刚体 这样的要求 只有通过单元模型的三维线性变换 空间相似变换 来完成 在变换过程中要使模 型间公共点的坐标尽可能一致 控制点的摄测坐标应与其地面摄测坐标尽可能一致 即它们的差值尽可能小 同时观测值改正数的平方和为最小 在满足这些条件 的情况下 按最小二乘法原理求得待定点的地面摄测坐标 3 主要内容 A 求出各单元模型中模型点的坐标 包括摄站点坐标 B 利用相邻模型之间的公共点和所在模型中的控制点 对每个模型各自进行空间 相似变换 列出误差方程式及法方程式 C 建立全区域的改化法方程式 并按循环分块法求解 求得每个模型的 7 个参数 D 由已经求得的每个模型的 7 个参数 计算每个模型中待定点的坐标 若为相邻 模型的公共点 则取其平均值作为最后结果 4 6 光束法区域网空中三角测量 1 概述 1 基本思想 以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元 以中心投影的共线 方程作为平差的基础方程 通过各光线束在空间的旋转和平移 使像片之间的公共 光线实现最佳的交会 将整个区域最佳地纳入到控制点坐标系中 从而确定加密点 的地面坐标和像片的外方位元素 2 作业流程 A 获取像片内方位元素 像点坐标和地面控制点坐标 B 确定像片外方位元素和加密点地面坐标的近视值 可利用航带法获得 C 逐点建立误差方程式并法化 D 建立改化法方程式 消除一类未知数所得的法方程 E 采用循环分块法求解改化法方程 F 求出每张像片的外方位元素 G 计算加密点的三维空间坐标 3 严密性 只有影像坐标才是真正原始的 独立的观测值 而其他两种方法下的 观测值 往往是相关而不独立的 从这个意义上讲 光束法平差是最严密的 2 三种区域网平差方法的比较 方法航带法区域网平差独立模型法光束法 数学模型航带坐标的非线性 多项式改正公式 单元模型空间相似 变换公式 共线条件方程式 观测值自由航带中各点的计算的或量测的模每幅影像的像点坐 摄影测量坐标型坐标标 平差单元航带独立模型单个光束 严密性不严密较严密 如果能顾 及模型坐标之间的 相关特性 该方法 就与光束法一样严 密 严密 精度低 而前两种方法 在平差中的观测值 较高 均为真正观 测值的函数 高 因为使用的观 测值是真正的观测 值 速度快较快慢 未知数个数少较多多 是否需要未知数初 始值 不需要不需要需要 由于共线方 程所描述的像点坐 标与各未知参数的 关系是非线性的 因此必须建立误差 方程式和提供各未 知数初始值 是否可以平面高程 分开处理 可以可以不可以 只能是三 维网平差 应用为严密平差提供初 始值和小比例尺低 精度点位加密 高精度的解析空中 三角测量 点位测 定 如果光束法的系统误差没有得到很好的补偿 则其优点也就反映不出来 三种方法 的精度也就没有显著的差异 3 解析空中三角测量的精度分析 1 理论精度和实际精度 A 理论精度 从理论上进行分析 把待定点的坐标改正数视为随机变量 在最小 二乘平差计算中 求出坐标改正数的方差 协方差矩阵 B 实际精度 利用大量的野外实测控制点作为解析空中三角测量的多余检查点 将平差计算所得该店的坐标与野外实测坐标比较 其差值视为真误差 由这些真误 差计算出点位坐标精度 C 实际精度和理论精度的差异往往有助于我们发现观测数据或平差模型中存在的 误差 因此 在实际工作中提供足够多的多余控制点数是非常必要的 2 区域网平差的精度分布规律 A 三种方法中 区域网空中三角测量的精度最弱点位于区域的四周 而不在区域 的中央 因此 平面控制点应当布设在区域的四周 这样才能起到控制精度的作用 B 当密集周边布点时 区域网的理论精度对与航带法而言小于一条航带的测点精 度 对于独立模型而言相当于一个单元模型的测点精度 而光束法区域网的理论精 度不随区域大小而改变 是一个常数 C 当控制点稀疏分布时 区域网的理论精度会随着区域的增大而降低 但若增大 旁向重叠 则可以提高区域网平差坐标的理论精度 D 区域网平差的高程理论精度取决于控制点间的跨度而与区域大小无关 即只要 高程控制点间的跨度相同 即使区域大小不一样 它们的高程理论精度还是相等的 3 解析空中三角测量控制点布设的原则 A 平面控制点应采用周边布点 B 高程控制点应布成锁形 C 当信噪比较大时 光束法区域网平差可利用附加参数的自检校平差来补偿影像 系统误差 D 在区域网平差中可用来代替地面控制点的非摄影测量观测值主要是导航数据 如 GPS 定位系统提供的摄站坐标 E 为了提高区域网的可靠性 控制点可布成点组 F 在不增加控制点的情况下 通过扩大平差区域范围 上下各增加一条航线 左 右各增加一个模型 可以提高加密精度和可靠性 4 7 系统误差补偿与自检校光束法区域网平差 1 影像坐标系统误差的特性 1 系统误差定义 由于某种物理原因造成的有一定规律而不可避免的误差 2 来源 1 摄影机的系统误差 如物镜畸变差 软片压平误差 滤光片或窗口保护玻璃不 平引起的光学误差 2 不同的暗匣也可能带来不同的系统误差 3 摄影飞机带来的系统误差 如在飞行中引起的大气振动 发动机排出的气流通 过摄影窗口均可引起系统性的构想误差 4 底片变形 5 大气折光 6 地球曲率 7 观测设备及观测员本身的系统误差也将引起量测的影像坐标的某种系统误差 2 补偿系统误差的方法 1 试验场检校法 一种直接补偿法 即利用真实摄影飞行条件下的试验场检校法 由大量地面控制点求得补偿系统误差的参数 在保证摄影测量条件基本不变的情况 下 用这组参数来补偿和改正实际区域网平差中的系统误差 2 验后补偿法 不改变原来的平差程序 而是通过对平差后残差大小及方向的分 析来推算影像系统误差的大小及特征 然后在观测值上引入系统误差改正 利用改 正后的影像坐标重新计算一遍 从而使平差结果得到改善 3 自检校法 急选用若干附加参数组成系统误差模型 将这些附加参数作为未知 数或带权观测值 与区域网的其他未知参数一起解求 从而在平差过程中自行检定 和消除系统误差的影响 4 自抵消法 通过对同一测区进行相互垂直的两次航摄飞行 航向与旁向重叠均 为 60 从而获得同一测区的四组摄影测量数据 将这四组数据同时进行区域网 平差 此时各组数据之间的系统变形将会相互抵消或减弱 使系统误差成了 偶然 误差 注意 上述各种方法可以组合起来使用 如自检校平差加验后补偿法 试验场检校 与自检校平差同时采用 通过这些组合可获得最佳效果 3 利用附加参数的自检校法 1 基本思想 采用一个用若干附加参数描述的系统误差模型 在区域网平差的同 时解求这些附加参数 进而达到自动测定和消除系统误差的目的 2 由于系统误差可以方便地表示为影像坐标的函数 所以通常只在以影像坐标为 观测值的光束法区域网平差中进行附加参数的自检校法 3 基本解算过程 4 系统误差模型的选择 5 自检校平差的效果与信噪比自检校平差 自检校平差是从有噪声 偶然误差 的观测值中提取信号的 系统误差 因此自检校平差所能导致的精度改善根本上 取决于观测值的信噪比 信噪比越大 自检校皮昂差的效果越好 6 对自检校区域网平差方法的评价 4 8 摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差 1 联合平差的概念 将原始的大地测量观测值 一般的控制信息和 或相对控制条 件与摄影测量观测值一起进行区域网平差 以取代地面控制点 2 非摄影测量信息 1 大地测量观测值 距离 角度 天文经纬度 局部坐标 2 像片外方位元素 高差仪记录 摄站坐标 像片姿态 摄站间航高差 3 相对控制条件 湖面等高 平面 圆周 共线 4 9GPS 辅助空中三角测量 1 概念 利用安装在航摄飞机上与航摄仪相连的 GPS 接收机连续观测 GPS 卫星 信号 获取航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲 经 GPS 载波相位测量定位技术的 离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标 然后将其视为带权观测值引 入摄影测量区域网平差中 经采用统一的数学模型来整体确定并对其质量进行评定 的理论 技术和方法 2 基本原理 1 作业过程 A 现行航空摄影系统改造及偏心测定 即安装 GPS 接收机 并进行 GPS 接收机 天线相位中心到摄影机中心的测定偏心 B 带 GPS 信号接收机的航空摄影 在航空摄影过程中 以 0 5 1 0s 的数据更新 率 用至少两台分别设在地面基准站和飞机上的 GPS 接收机同时而连续地观测 GPS 卫星信号 以获取 GPS 载波相位观测量和航摄仪曝光时刻 C 解求 GPS 摄站坐标 D GPS 摄站坐标与摄影测量数据的联合平差 2 GPS 摄站坐标与摄影中心坐标的几何关系 A 由于机载 GPS 接收机天线的相位中心不可能与航摄仪物镜后节点重合 所以 会产生一个偏心矢量 该偏心矢量为一个常数 且在飞机坐标系 即像方坐标系 中的三个坐标分量可以测定出来 B 研究表明 基于载波相位测量的动态 GPS 定位会产生随航摄飞行时间 t 线性变 化的漂移系统误差 C 机载 GPS 天线相位中心与摄影中心坐标间的严格几何关系是非线性的 为了 能将 GPS 所确定的摄站坐标作为带权观测值引入空中三角测量平差中 需对其进 行线性化处理 3 GPS 辅助光束法平差的误差方程式和法方程式 3 对方法的评价与展望 A 用基于 GPS 载波相位测量差分定位技术来确定航空遥感传感器的三维坐标是 可行的 将其用于摄影测量定位可满足各种比例尺地形图航测成图方法对加密成果 的精度要求 B GPS 辅助光束法区域网平差可大大减少地面控制点 C 可大大减少野外控制工作量 从航空摄影到完成摄影测量加密的时间较传统方 法大大缩短 进而可缩短航测成图周期 D 区域四角应布设 4 个平高地面控制点 还应于区域两段加摄两条垂直构架航线 或在区域两端垂直与航线方向布设两排高程地面控制点 E 该技术是一种全新的技术 还涉及很多其他的技术 总之 该方法是一种经济 快速的高精度摄影测量加密方法 4 10 自动空中三角测量 1 在线空中三角测量的概念 A 常规的解析空中三角测量把像点坐标的量测与平差计算分别放在两个环节中完 成 这中脱机方式处理的严重缺点是对量测的质量缺乏及时的了解 B 在线空中三角测量基本思想 利用电子计算机的高速运算和联机操作控制的优 点 把像点坐标的量测与最小二乘平差计算放在同一个环节中进行 一边进行观测 一边进行运算 无需分成两个阶段 2 自动空中三角测量 1 基本思想 利用模式识别技术和多像影像匹配等方法代替人工在影像上自动选 点与转点 同时自动获取像点坐标 提供给区域网平差程序解算 以确定加密点在 选定坐标系中的空间位置和影像的定向参数 2 作业过程 A 构建区域网 B 自动内定向 C 自动选点与自动相对定向 D 多影像匹配自动转点 E 控制点的半自动量测 F 摄影测量区域网平差 3 GPS POS 辅助全自动空中三角测量 如果将影像点坐标观测值与地面控制点坐标一道进行区域网平差 这便是经典 的解析空中三角测量方法 如果将该观测值与 GPS POS 数据 必要时可加入少量 的地面控制点 一并进行区域网联合平差 这就形成了 GPS POS 辅助空中三角测 量 4 11 机载 POS 系统对地定位 1 POS 系统简介 1 概念 利用安装于飞机上与航摄仪相连接的 POS 系统连续观测 GPS 卫星信号 同时测定航空摄影瞬间航摄仪的位置和姿态 经 GPS 载波相位测量动态定位技术 的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标及影像的姿态角 然后将其 视为带权观测值引入光束法区域网平差中 经采用统一的数学模型来整体确定地面 目标点位和像片外方位元素 并对其质量进行评定的理论 技术和方法 2 组成 A 惯性测量装置 IMU IMU 由三个加速度计 三个陀螺仪 数字化电路和一 个执行信号调节及温度补偿功能的中央处理器组成 B GPS 接收机 GPS 系统由一系列 GPS 导航卫星和 GPS 接收机组成 采用载波 相位差分的 GPS 动态定位技术解求 GPS 天线相位中心位置 C 计算机系统 PCS D 数据后处理软件 2 POS 系统与航空摄影系统的集成方法 1 将 POS 系统和航摄仪集成在一起 通过 GPS 载波相位差分定位获取航摄仪的 位置参数及惯性测量单元 IMU 测定航摄仪的姿态参数 经 IMU DGPS 数据的联 合后处理 可直接获得测图所需的每张像片 6 个外方位元素 从而能够大大减少乃 至无需地面控制直接进行航空影像的空间地理定位 2 直接对地定位系统由惯性测量装置 航摄仪 机载 GPS 接收机和地面基准站 GPS 接收机 4 部分构成 其中前三者必须稳固安装在飞机上 保证在航空摄影过 程中三者之间的相对位置关系不变 3 航摄仪 GPS 天线和 IMU 三者之间的空间坐标变换可以通过坐标变换实现 3 POS 系统在航空摄影测量中的应用 1 机载 POS 系统的应用方式 A 利用 POS 数据进行直接传感器定向 在已知 GPS 天线相位中心 IMU 及航摄仪三者之间空间关系的前提下 可直 接对 POS 系统获取的 GPS 天线相位中心的空间坐标及 IMU 系统获取的侧滚角 俯仰角 航偏角进行数据处理 获取航空影像曝光瞬间的摄站中心三维空间坐标及 其航摄仪三个姿态角 从而实现无地面控制条件下直接恢复航空摄影的成像过程 优点 整个测区不需要进行空中三角测量 不需要地面控制点 缺点 缺少了多余观测 结果的可靠性不强 且由于对几何模型考虑得比较简 单 即使区域网结构十分完美且检校场及 GPS IMU 数据联合处理准确无误 直接 传感器定向所能达到的精度仍然难以满足大比例尺测图的需要 B 利用 POS 数据进行集成传感器定向 当 GPS IMU 与航摄仪三者之间的空间关系位置时 需要有适当数量的地面 控制点 通过将 DGPS IMU 系统获取的三维空间坐标与 3 个姿态数据直接作为空 中三角测量的附加观测值参与区域网平差 从而高精度获取每张航片的 6 个外方位 元素 实现大幅度减少地面控制点的数量 优点 更好的容错能力 更精确的定向结果 不需要进行预先的系统校正 因 为校正参数能够在空中三角测量的过程中解算出来 大大减少所需要的控制点数目 缺点 需要进行空中三角测量和加密点量测 C 两者比较 由于集成传感器定向是将 DGPS 和 IMU 数据直接纳入区域网 用 地面控制点进行联合平差的 因此理论上集成传感器定向较直接传感器定向具有可 靠的精度和稳定性 但直接传感器定向具有更好的适应性 2 GPS IMU 及航摄仪三者之间空间关系的确定 A 摄影中心空间位置的确定 和 GPS 辅助空中三角测量差不多 B 航摄仪姿态参数的确定 IMU 获取的是惯导系统的侧滚角 俯仰角 和航偏角 由于 系统集成时 IMU 三轴陀螺坐标系和航摄仪像空间辅助坐标系之间总存在角度偏差 因此 航摄像片的姿态参数需要通过转角变换计算得到 航摄像 片的 3 个姿态角所构成的正交变换矩阵 R 满足如下关系式 R i p G i RR 其中 G i R 为 IMU 坐标系到物方空间坐标系之间的变换矩阵 i p R 为像空间坐标系到 IMU 坐标系之间的变换矩阵 为 IMU 获 取的姿态参数 为 IMU 坐标系与像空间辅助坐标系之间的偏差 4 POS 系统对地定位的主要误差源 1 传感器位置 传感器的放置通常要符合下述两个条件 A 使检校误差对传感器间偏移改正的影响最小 B 传感器之间不能有任何微小移动 2 时间同步 很难实现实时的 DGPS IMU 组合导航系统 其中最跟本的问题就在 于很难做到同步使用 GPS 和 IMU 数据 3 初始校正 A 概念 用来确定惯性系统从本体系转换到当地面水平系的旋转矩阵 B 两个阶段 粗校正和精确校正 粗校正是使用传感器的原始输出数据和只考虑 地球旋转及重力场假设模型来近视估计姿态参数 而精确校正是考虑到低精度的惯 性系统是不能够在静态环境中校正的 引入飞机运动来获取更高的对准精度 4 系统检校 直接传感器定向首先应布设理想的检校场 进行严格的系统检校 保证测定的定向参数具有很高的精度 集成传感器定向无须布设检校场 但需要根 据测图精度要求 在全区布设一定数量地面控制点 进行像点坐标量测和空三解算 才能获得摄影瞬间像片的六个外方位元素 5 POS 航空摄影测量流程 4 12 解析摄影测量中粗差检测原理概述 1 数据探测法 2 选权迭代法 基本思想 开始平差时仍然按常规的最小二乘法进行 然后在每次平差之后 根据残差和其他有关参数 按所选择的权函数计算每个观测值在下一步迭代计算中 的权值 纳入平差计算 如果权函数选择得当 且当粗差可定位时 则含粗差的观 测值的权越来越小 直至趋于零 迭代终止时 相应的残差将直接指出粗差的数值 而平差结果则不受粗差的影响 3 可靠性理论 1 内部可靠性 从理论上研究平差系统可发现 可区分不同模型误差的能力 通 常用可检测出粗差的最小值或可检测出粗差的下限值来衡量 下限值越小 内可靠 性越好 2 外部可靠性 从理论上研究不可发现的模型误差对平差结果的影响 如果不可 检测的粗差对结果的影响小 表明外可靠性好 无论是内可靠性还是外可靠性 都要求多余观测值越多越好 因此多余观测值是粗 差检测的关键量 第 5 章 数字影像与特征提取 5 1 数字影像采样与重采样 1 数字影像采样 1 采样 对实际连续函数模型离散化的量测过程 2 样点 被量测的点就是样点 为一个小区域 像素 3 采样间隔 样点之间的距离 通常和像素大小一致 4 Shannon 采样定理 1 2 1 x f 即当采样间隔能使在函数 g x 中存在的最高的频率中每周期取有两个样本使 则根据采样数据可以完全恢复原函数 g x 此时称 f1 为截止频率 上述 Shannon 采样间隔乃是理论上能够完全恢复原函数的最大间隔 实际上由 于原来的影像中有噪音以及采样光点不可能是一个理想的光点 还会产生混淆和其 他复杂现象 因此噪音部分应在采样以前滤掉 并且采样间隔最好是使在原函数 g x 中存在的最高频率每周期至少取有 3 个样本 2 影像重采样理论 1 概念 当欲知不位于矩阵 采样 点上的原始函数 g x y 的数值时就需进行内 插 此时称为重采样 2 方法 A 最近邻元法 B 双线性插值法 重点了解 知道如何计算 见书本 124 页 C 双三次卷积法 D 三种方法比较 最邻近像元法最简单 计算速度快且能不破坏原始影像的灰度信息 但其几何 精度较差 后两种方法几何精度较好 但计算时间较长 特别是双三次卷积法较费 时 在一般值况下用双线性插值法较宜 3 应用 核线的重排列 影像的旋转等等 显然 在数字影像处理的摄影测量应 用中常常会遇到一种或多种这样的几何变换 5 2 点特征提取算子 1 点特征主要指明显点 如角