摄影测量经典总结

1 1 定义 通过影像研究信息的获取 处理 和成果表达的一门信息科学 传统的摄影测 量学是利用光学摄影机摄得的影像 研究和确定被摄物体的形状 大小 性质和相互关系 的一门科学与技术 内容 获取被摄物体的影像 研究单张和多张像片影像的处理方法 包括理论 设备和技 术 以及将所测得的成果以图解形式或数字形式输出的方法和设备 一 航空摄影机的基本结构 摄影物镜光圈快门暗箱检影器座架 控制设备 压平装置 框标装置 机械标志 量测相机 二 摄影机物镜 光轴 LL 主平面 H1 H2 主点 S1S2 节点 K1 K2 焦点 F1F2 焦距 F 三 摄影机主距 f 由物镜中心向像平面引垂线 垂足称像片主点 垂距称像片主距或摄影机主距 f 四 像角与像幅尺寸 对无穷远调焦 在焦面上得照度不均匀光亮圆为视场 其直径与 S 夹角为视场角 取照 度均匀光亮的圆为像场 直径与 S 夹角为像场角在像场内取圆内接正方形或圆外切正方形 为像幅大小 遥感通常是指通过某种传感器装置 在不与被研究对象直接接触的情况下 获取其特征 信息 一般是电磁波的反射辐射和发射辐射 并对这些信息进行提取 加工 表达和应用 的一门科学和技术 量测相机与非量测相机的区别 量测相机具有较高的光学性能 摄影过程高度自动化 有框标装置 物镜品质优秀 能消 除或减少像差 非量测相机没有框标装置 物镜的畸变较大 种类很多 从成像介质区分 可分为光学相机和数码相机 中心投影的相片和地形图的区别 a 摄像片与地形图表示方法和内容不同 在表示方法上 地形图上是按成图比例尺所规定 的各种符号 注记和等高线来表示地物 地貌的 而航摄像片则表示为影像的大小 形状 和色调 在表示内容上 在地形图上用相应的符号和文字 数字注记表示 这些在像片是 表示不出来的 另一方面 在地形图上必须经过综合取舍 只表示那些经选择的有意义的 地物 而在像片上有所摄地物的全部影像 b 航摄像片与地形图的投影方法不同 地形图是正射投影 比例尺处处一致 航摄像片是中 心投影 各处比例尺也不一致 相关方位也发生变化 2 中心投影的特点 地面上的点 像片上的点 像片上的点 地面上的点或直线 地面上的直线 像片 上的直线或点 像片上的直线 地面上的直线或平面 摄影比例尺 1 定义 指空中摄影计划设计时的像片比例尺 航摄像片上的线段 l 与地面上相应线段的 水平距离 L 之比 2 公式 1 m l L f H 主距 f 物镜中心到像片面的垂直距离 H 摄影航高 航高指飞机在摄影瞬间摄影机物镜相对于某一水准面的高度 航向重叠 同一航线内相邻像片之间的影像重叠 旁向重叠 相邻航线之间的影像重叠 摄站点 摄影瞬间 物镜中心 s 的空间位置 摄影基线 两相邻摄影站之间的距离 用 B 表示 像片旋角相邻像片主点连线与像幅沿航线方向的夹角 2 像平面坐标系 以像主点为坐标原点右手平面坐标系 o xy 像框标坐标系 根据像片的框标连线交点为原点的像平面坐标系 p xy 像空间坐标系 以摄影中心 S 为坐标原点 x y 轴的方向与像平面坐标系 x y 轴的方向平 行 z 轴与主光轴重合 形成的右手坐标系 S xyz 像空间辅助坐标系 以摄影中心 S 为坐标原点 轴系的方向视需要而定 右手坐标系 S uvw 地面测量坐标系 地图投影坐标系或大地坐标系 T XtYtZt 左手坐标系 地面摄影测量坐标系 以侧区内的某一点为坐标原点 X 轴与航线方向大致一致 但为水 平 Z 轴垂 用 D XYZ 表示的右手坐标系 坐标系之间坐标转换 像空间坐标系 像空间辅助坐标系 旋转矩阵 R 方向余弦 a i b i c i 为方向余弦 即两坐标轴系间夹角的余弦 人眼的立体视觉 在用双眼观测景物时 能判断景物的远近 得到景物的立体效应 这一现象称为 人眼的立体视觉 三 人眼立体视觉产生的原因 由于远近不同的物体在左右眼视网膜构像 产生生理视差 生理视差通过视神经传送到大脑 由大脑综合 作出景物远近的判断 人造立体视觉 续 空间景物在感光材料上构像 人眼观察构像的像片产生生理视差 所产生的空间景物的立 体视觉 人造立体视觉产生的条件 两张像片必须是在不同位置对同一景物摄取的立体像对 每只眼睛必须只能观察像对中的一张像片 两像片上相同景物 同名像点 的连线与眼基线要大致平行 在同一平面内 两张像片的比例尺相近 内方位元素 描述摄影中心与像片相对关系的数据 f x0 y0 对航摄像机来讲 内方位元素都经过厂家的严格鉴定 一般情况下视为已知量 外方位元素 确定摄影瞬间摄影中心空间位置及像片姿态的参数 三个外方位线元素 Xs Ys Zs 三个外方位角元素 像点位移 位移的方向 方式 当像片倾斜或地面有起伏时 所摄取的影像均和理想情况有所差异 也就是地面点在像片 上构像的点位偏离了应有的正确位置 产生了像点位移 包括 像片的倾斜引起的像点位 移 地形起伏引起的像点位移 物理因素 物镜的畸变差 大气折光 地球曲率 底片变 形等 引起的像点位移 a 因像片的倾斜引起的像点位移 地面水平 位移的方向 以等 角点为极点的方向线上 b 因地形的起伏引起的像点位移 像片水平 方向 在以像底点 为极点的辐射线上 a 位移大小 b 位移大小 共线方程 人造立体视觉 条件 条件 两张像片必须是在不同位置对同一景物摄取的立体像对 每只眼睛必须只能观察像 3 对中的一张像片 两像片上相同景物 同名像点 的连线与眼基线要大致平行 在同一平 面内 两张像片的比例尺相近 像点坐标如何获取 坐标量测仪 在数字影像上获取 上下 左右视差 在摄影测量中 一个立体像对的同名像点在各自的像平面坐标系的 x y 坐标之差分别称为 左右视差 p 及上下视差 q 即 p x1 x2 q y1 y2 同名光线投影在承影面上是否有上下视差 是检验是否完成相对定向的标志 相对定向 绝对定向概念 绝对定向元素 相对定向元素 独立 连续 像空间辅助坐标系 的建立 相对定向 确定一个立体像对两像片的相对位置 确定两像片相对位置关系的元素称为相 对定向元素 目的 恢复两张像片的相对位置和姿态 使同名光线对对相交 特点 不考虑模型的比例尺 不需要野外控制点 分类 连续相对的相对定向元素 bv bw 2 2 2 和独立相对的相对定向元素 1 1 2 2 2 绝对定向 确定像片与地面的相对位置 确定相对定向建立的立体模型的比例尺和模型空 间方位的元素称为绝对定向元素 Xs Ys Zs K 目的 将立体模型纳入地面摄影测量坐标系中 特点 考虑模型的比例尺 需要野外控制点 原理 在应用光学投影或机械投影的方法 模拟相对摄影的过程 恢复摄影时的空间方位 使同名射线对对相交 以实现摄影过程的几何反转 建立测图所需的立体模型 再在该模 型上测制地形图 模拟法测图的过程 内定向 恢复像片的内方位元素 建立相似光束 相对定向 恢复两张像片的相对位置 建立和地面相似的立体模型 绝对定向 将模型纳入到地面测量坐标系中 并归化为所需的模型比例尺 立体测图 用量测工具量测立体模型 测制地形图 解析法测图的过程 左右片放在坐标仪的像片盘上 并输入有关参数 内定向 相对定向 绝对定向 测图 空间相似变换 平移 旋转 缩放 单独像片的空间后方交会和双像前方交会 利用一定数量的地面控制点 根据共线条件方程式 解求像片外方位元素的过程 这种解 算方法是以单张像片为基础的 称单像空间后方交会 由立体像对中两张像片的内外方位 元素和像点坐标来确定相应地面点的地面坐标的方法为空间前方交会 1 空间后方交会的解求过程 a 获取已知数据 b 量测控制点的像点左边 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似值 f 组成误差方程式 g 组成 法方程式 h 解求外方位元素 i 检查计算是否收敛 精度 mi m0 Qii 1 2 m0 VV 2n 6 1 2 双像前方交会 根据立体像对中两张相片的内外方位元素和像点坐标来确定相应地面点的 地面坐标 计算过程如图所示 双像解析计算的空间后交 前交方法计算地面点的空间坐标步骤 a 野外像片控制测量 b 4 量测像点坐标 c 空间后方交会计算两像片的外方位元素 d 空间前方交会计算待定点地面 坐标 双像相对定向 模型的绝对定向 同名射线对对相交是相对定向的理论基础 相对定向的共面条件方程式 矢量表达式 坐标表达式 模型坐标的解求 若模型点在像空间辅助坐标系 S1 U1V1W1 中的坐标为 U V W 其 计算过程为 1 根据相对定向元素计算像点的空间辅助坐标 u1 v1 w1 及 u2 v2 w2 2 计算左右像点的投影系数 N1 N2 c 求模型点在像空间辅助坐标系的坐标为 U N1u1 bu N2u2 V N1v1 bv N2v2 W N1w1 bw N2w2 用于单独像对时 则 U N1u1 b N2u2 V N1v1 N2v2 W N1w1 N2w2 实际计算中 将获得的模型点在像空间坐标系的坐标乘以摄影比例尺的分母 其模型放大 成约为实地后 再进行绝对定向 绝对定向 相对定向后得到模型点在像空间辅助坐标系中的坐标 U V W 地 面摄影测量坐标 X Y Z 两空间坐标系的变换 也称相似变换 基本关系式 X Y Z 地面点在地面摄影测量系中坐标 U V W 模型点在像空间辅助坐标系中的坐标 模型比例尺的缩放系数 待求 至少需要两个平高点和一个高程点 三个控制点不能在一条直线上 模型的四个角布设 4 个控制点 a1 a2 c3 是由两坐标轴系的三个 旋转角 计算的方向余弦 待求 Xs Ys Zs 坐标原点的平移量 待求 七个绝对定向元素 解析法绝对定向 利用已知的地面控制点 解求绝对定向元素 绝对定向元素的计算解算思路 多余观测 平差方法计算 线性化 列误差方程 组成法方程 解法方程 迭代运算 双像解析的相对定向 绝对定向法解求模型点的地面坐标过程 1 用连续像对或单独像 对的相对定向元素的误差方程式解求像对的相当定向元素 2 由相当定向元素组成左 右像片的旋转矩阵 R1 R2 并利用前方交会式求出模型点在像空间辅助坐标系中的坐标 3 根据已知地面控制点的坐标 按绝对定向元素的误差方程式解求该立体模型的绝对定 向元素 4 按绝对定向公式 将所以待定点的坐标纳入地面摄影测量坐标中 1 3 光束法 思想 未知点 控制点都列立共线条件方程式 整个像对范围内解求待定点的地面坐标 两张像片的外方位元素 加密点的地面坐标 数学描述 共线方程 如何确定待求未知数 的初始值 外方位元素 单像后方交会 加密点坐标 前方交会 小结双像解析摄影测量的方法 利用一个像对获得地面的空间信息 a 单像后方交会 双像前方交会法 每张像片先进行后方交会 两张像片的内 外方位元素 空间前方交会 加密点的地面坐标 结果依赖于空间后方交会的精度 适用于已知像片的外方位元素需确定 少量待定点坐标的情况 b 相对定向 绝对定向法 先相对定向 通过解算五个相对定向元素 模型点在像空 5 间辅助坐标系中的坐标 再绝对定向 通过解算七个绝对定向元素 模型点在像空间辅 助坐标系中的坐标纳入地面 摄影 测量坐标系 最后的精度取决于相对和绝对定向的精 度 多在航带法解析空三中应用 c 光束法 以共线条件方程式为基础 平差整体解求 两张像片的 内 外方位元素 加 密点的地面坐标 1 航带法 航带网法空中三角测量研究的对象的一条航带的模型 它是以一条航带为单元 依据少量 的地面控制点 按照一定的数学模型 整体平差解求加密点 或待定点 的地面坐标 2 像片上像点的误差来源 像空间辅助坐标系建立 航带如何连续的 绝对定向 非线性 变形改正 像点坐标的系统误差 1 底片变形 受外界因素影响 像点偏离了摄影时的位置 三点 共线 2 摄影物镜畸变差 透镜组成像以减少像差 但使像点偏离了三点共线的理论 位置 3 大气折光 大气密度 折射率 随高度增加而减少 成像光线是曲线 4 地球曲率 地球的椭球曲面与航测的水平基准面不一致 经过底片变形 物镜畸变差 大 气折光差 地球曲率改正后的像点坐标 1 2 数据来源 数据处理 分块 有以下四种方法获取数据点 由现有地形图上采集 由摄影测量方法采集 野外实地测量 由遥感系统直接测得 数据预处理包括 数据格式转换 坐标系统变换 数据编辑 栅格 数据转换为矢量化数据及数据分块等 3 DEM 的内插 移动拟合 线性内插 三次样条函数内插 双线性内插 特点 数学模 型 适用场合 数字地面模型内插 根据一组参考点上的高程计算其它待定点处高程的方法 a 移动拟合 数学模型 特点 求解时可按一定的规则给每个数据点定权 内插曲面不连续 解法思路 选取以待 定点为中心 以 R 为半径的园内的若干已知点进行曲面拟合 以确定待定点的高程 该法 是一个以待定点为中心的逐点内插法 数据点应满足的条件 点数要不少于 6 个 数据点 与待定点之间的地形变化是连续光滑的 b 线性内插 数学模型 解法思路 使用最靠近的三个数据点 确定平面参数 a0 a1 a2 从而求出新点的高程 适用场合 TIN GRID c 三次样条函数内插 数学模型 Z 1 X X2 X3 a 00 a33 1 Y Y2 Y3 T 解法思路 根据 内插点相近的四个格网点高程数据及每个格网点沿 X 方向的斜率 R 沿 Y 方向的斜率 S 和 该点的曲面扭曲 T 列方程解求未知系数 特点 该内插方法保证了相邻曲面之间的连续 光滑 适用于连续变化的光滑曲面 d 双线性内插 数学模型 解法思路 使用最靠近的四个数据点 确定参数 a00 a01 a10 a11 从而求出新点的 高程 适用场合 在方格网 GRID 中内插高程 4 DEM 的两个应用 6 立体透视图 断面 剖面 的自动生成 DEM 的应用 立体透视图 坡度 坡向计算 断面 剖面 的自动生成 真实的地表面积计 算 填 挖方量计算 概念 灰度 重采样 内定向 影像的灰度又称为光学密度 在影像底片上 摄影的灰度值反映了它透明的程度 即透光 的能力 当欲知不位于矩阵 采样 点上的原始影像的灰度值时就需要进行内插 该内插 称为重采样 内定向的目的 区定扫描坐标系和像片坐标系之间的关系及数字影像可能存在的变形 公式 核线的概念 由摄影基线 B 所作的平面与像片面的交线 同名核线 核面与左右像片面的交线 互称为同名核线 核线的特点 当像片面与摄影基线平行时 该像片上的所有核线相互平行 否则相交与同 一点 核点 数字摄影测量系统 作业过程 测图过程 内定向 计算像片坐标与扫描坐标之间的 转换参数 相对定向 用二维影像相关方法寻找同名像点 相对定向用的点 解求相对定向元素 绝对定向 根据控制点及相应的像点坐标 用二维影像相关方法寻找同名像点 解求绝 对定向元素 1 数字微分纠正的概念 根据影像的内定向参数 方位元素以及数字高程模型 利用相应的构像方程 用控制点解 算 从原始非正射投影的数字影像获取正射影像 这一过程是将影像化为很多微小的区域 逐点进行 且使用的是数字方式处理 故称为数字微分纠正 数字微分纠正的两种方法 间接法 直接法 设任意像元在原始图像与纠正后图像中的坐标分别为 x y 和 X Y 它们直接存在着 映射关系 即 1 x fx X Y y fy X Y 2 X x x y Y y x y 公式 1 是由纠正后的像点 P X Y 出发 根据像片的内 外方位元素及 P 点的高程反求其在原始图像上相应像点 p 的坐标 x y 经内插出 P 的灰度值后 再将灰度值赋给 p 这种方法称为反解法 间接 法 公式 2 是由原始图像上的像点 p 的坐标 x y 解求出纠正后图像上相应纠正点 P 的 坐标 X Y 并将原始图像点 p 的灰度值赋给纠正点 P 这种方法称为正解法 直接法 反解法 间接法 数字微分纠正的步骤 计算地面点坐标 正射影像上任一像点 X Y 对应的地面坐标 X Y X X0 MX Y Y0 MY 计算像点坐标 x y 根据共线条件方程式 地面点的 Z 坐标根据 DEM 内插 像素坐标的解算 根据内定向参数 计算像点 x y 的像素坐 标 I J 灰度内插 根据计算得像素坐标 I J 采用双线性内插法 内插该点的灰度值 灰度 赋值 将计算的灰度值赋给正射影像上的像点 X Y 同名像对足够数量的地面控制点 如何生产该范围内的正射影像图 试述步骤和主要的数学模型 数字正射影像图 Digital Orthophoto Map DOM 是以航摄像片或遥感影像 单色 彩色 为 基础 经扫描处理并经逐像元进行辐射改正 微分纠正和镶嵌 按地形图范围裁剪成的影 像数据 并将地形要素的信息以符号 线画 注记 公里格网 图廓 内 外 整饰等形式 填加到该影像平面上 形成以栅格数据形式存储的影像数据库 它具有地形图的几何精度 和影像特征 7 其制作方法有三种 全数字摄影测量方法 单片数字微分纠正 正射影像图扫描 航摄像片与正射影像图的区别 航摄像片是中心投影 正射影像图是正射投影 航摄像片上存在由于像片的倾斜和地形的起伏所引起的像点位移 正射影像图上的像点位 移不存在 航摄像片上各点的比例尺不一致 而正射影像图上各点的比例尺与规划的比例尺一致 正射影像图 像片平面图 是用相当于正射投影的航摄像片上