第3章--摄影测量基础知识.ppt

第三章摄影测量基础知识,3.1航空摄影3.2中心投影的基本知识3.3航摄像片上特殊的点、线、面3.4摄影测量常用的坐标系统3.5航摄像片上的内、外方位元素3.6像点的空间直角坐标变换3.7中心投影构像方程3.8航摄像片上的像点位移,3.1航空摄影,一、航空摄影前的准备,1、确定摄区范围摄区太大时，要进行分区2、航摄仪的选择（依据测区的地形条件、成图比例尺）3、确定摄影比例尺及航高。4、需用像片的数量、日期、及航摄成果的验收,航摄计划,综合法测图,长焦距窄角,全能法测图,中焦距常角或宽角,平坦地区大比例尺测图,非平坦地区,综合法测图【planimetricphoto】指的是航空摄影和普通测量相结合的测图方法，地物平面位置用航空摄影方法求得，地面高程或等高线用普通测量方法求得。只用在平坦地区。全能法测图【universalphoto】指的是在航空摄影测量作业中，用同一种仪器对地物、地貌测绘成地形图的方法。,2、摄影比例尺的确定,严格定义：,摄影比例尺是像片的平均比例尺,摄影比例尺定义：,航摄像片上影像线段的长地面上对应线段的水平距离,f:摄影机主距H：摄影航高，以摄区内的平均高程面作为摄影基准面，摄影机的物镜中心至该面的距离。（摄影瞬间摄影机物镜中心相对于平均海水面的航高称为绝对航高。相对于其他某一基准面或某一点的高度均为相对航高。）,3、摄影比例尺的选择,摄影比例尺越大，像片地面的分辨率越高，有利于影像的解译与提高成图精度，但摄影比例尺过大，增加工作量及费用，所以，摄影比例尺要根据测绘地形图的精度要求与获取地面信息的需要来确定。考虑因素：成图比例尺、测图方法、成图精度、经济性等因素，以及经济性和航摄像片以后的使用可能性。,航摄比例尺与成图比例尺之间的关系：,影像地面分辨率,0.1m,0.2m,0.4-0.8m,0.8-1.6m,1.0-2.4m,1.4-3.2m,0.05m,思考：为什么大中比例尺测图航摄比例尺要测图比例尺小？小比例尺测图中航摄比例尺要测图比例尺大？,原因是精度决定，4倍内的摄影照片就够了，刚好不会出现马赛克，如果将摄影比例尺确定得过小，造成图像模糊不清，甚至出现“马赛克”图案，影响成图质量；反之，将摄影比例尺确定得太大，影像包含的信息反映不出来，“大材小用”，造成不必要的信息损失和资源浪费。,在小比例尺测图的地形图中，地物的表现已经出现了地图综合，某些地物的表现已经不能用符号表示，只能用点线面的形式表示，如果再继续把摄影比例尺也缩小的话影像就非常难于解译和判读，所以就采用扩大比例尺的摄影模式。除了1:2.5万、1:5万，还有一些1；10万、1；25万、1:50万、1:500万的地形图成图都是在大比例尺的基础上缩编制成的。把地物进行综合，把重要的地物表示出来，这时候就不用采用严格测绘地物的方式。,4、摄影航高的确定,航高：航摄飞机在摄影瞬间相对与地面的高度。,相对航高：相对于某一基准面或某一点的高度。摄影航高：相对于摄区平均高程面的高度。,绝对航高：摄影瞬间摄影机物镜中心相对于平均海平面的航高,当然，飞机在飞行的过程中很难精确确定航高，但差异一般不得大于5%。同一航线内，各摄影站得得高差不得大于50m,二、空中摄影过程,航空摄影测量的要求？（要满足的条件？）,1、飞机飞行方向每隔一定的时间间隔进行曝光，当一条航线不能覆盖该地域的话，我们要飞机转向沿下一航线进行飞行。飞行航线一般为东西方向。2、航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。3、要确定地面点，用单张像片是不能确定位置的，只能确定方向，所以要采用从不同摄站对同一区域进行立体摄影，所以要求两相邻的照片要有重叠，重叠的范围称为航向重叠度（60%-65%，最小不得小于53%）。同理旁向重叠（30%-40%，最小不得小于15%）,航空摄影的过程中，我们所关心的区域往往是要大于一幅影像所覆盖的区域，这时候,想想：摄影基线和像片的重叠度有什么关系？,如果同样的像幅大小，采用大比例尺和采用小比例尺摄影基线长度一样吗？,航空摄影略图,摄站点,摄影基线B,摄影方式,竖直航空摄影：航摄仪在曝光瞬间物镜主光轴与地面垂直，通常规定像片倾角小于2-3度，常用的航空摄影方式，其影像质量无论从判读或量测方面来看都比倾斜摄影要好，但直观性稍差。我国目前进行的航空摄影绝大多数都是竖直航空摄影。倾斜航空摄影：其像片倾角a大于3度的航空摄影称为倾斜航空摄影。这种摄影像片具有较强的透视感，对地物和目标判读特别有利。,竖直航空摄影,竖直航空摄影包括：,面积航空摄影：主要用于测绘地形图，或进行大面积资源调查。在指定摄区内布设一系列互相平行的直线摄影航线并覆盖整个区域的航空摄影。条状地块航空摄影：主要用于公路、铁路、输电线路定线和江、河流域的规划与治理工程，通常只拍摄一条或几条航线，即沿狭长地带或规定线路进行的航空摄影。独立地块航空摄影：主要用于大型工程建设矿山勘探部门，只拍摄少数几张具有一定重叠度的像片。,1、影像的色调影像清晰、色调一致、反差适中，无防碍测图的阴影。2、像片倾角像片倾斜角的要求，一般为2-3度之间。,三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求,像片倾斜角：航空摄影时，航空摄影机主光轴与铅垂线的夹角，0时为最理想的情形。,航向重叠度与旁向重叠度,航向重叠：同一航线内相邻像片应有一定的影像重叠。,一般情况下，要求航向重叠度最好为60%-65%，最小不能少于53%；旁向重叠要求30%-40%，最小不少于15%。,旁向重叠：相邻航线也应有一定的重叠。,3、像片重叠,思考：如果像幅是23cm*23cm，摄影比例尺是1:10000，那么这个像幅所覆盖的实地面积是多大？如果是1:50000的比例尺，面积又是多少？,23cm*10000*23cm*10000=2.3km*2.3km,11.5km*11.5km的面积,4、航线弯曲航线弯曲：把一条航线内的像片根据地物的影像叠拼起来，各张像片的像主点连线不在一条直线上，而呈现为弯弯曲曲的折线航线弯曲度：一条航线内各张像片主点至首尾两张像主点连线的最大偏离度L,我国航空摄影规范中明确规定：航线弯曲度一般不得超过3%,L,L,L,L,3%,5、对像片旋角的要求像片旋角：相邻两像片的主点的连线与像片沿航线方向的两框标连线之间的夹角,对像片旋角的要求：规范规定一般情况下小于6度，个别不应大于8度，而且不能有连续三张像片的旋角超过6度的情况。,但是随着数字摄影测量的发展，像片旋角超过10甚至30多度也可以处理，只不过处理起来会费力一些。,像片旋角过大会减小立体相对的有效观察范围,6、对航高差的要求航高差：空中摄影时飞行航高的变化量,规范还规定：同一航带内最大航高与最小航高之差不得大于30米，摄区同一航线内各摄影站的高差不得大于50米。,四、空中摄影质量的评定（1）负片上影像是否清晰、框标影像是否齐全、像幅四周指示器件的影像（如水准气泡等）是否清晰可辨；（2）由于太阳高度角的影响，地物阴影长度是否超过摄影规范的规定，地物阴暗和明亮部分的细部能否辨认清楚；（3）航摄负片上是否存在云影、划痕、乳剂层脱落等现象；（4）负片上的黑度是否符合要求，影像反差等不得大于规范要求；（5）航带的直线性、航带间的平行性、像片影像的重叠度、航高差和摄影比例尺等等都要检查评定，并不得超出规定的技术指标。,3.2中心投影的基本知识,既然航空摄影得到的是影像，我们摄影测量最终的目的就是把影像变成地形图，所以我们首先要搞清楚影像与地形图到底有什么区别。,回顾：什么是航摄像片？,想想航摄影像得到的基本过程？,实际是地面物体太阳光照射的反射光线，这个反射光线被我们航摄系统的镜头所截获，然后到我们的胶片上去成像，得到航摄影像。,航摄像片的投影方式是中心投影方式,投影：用一组假想的直线将物体向几何面上投射,投影直线（投影射线）：物点与投影点之间的连线。投影平面：投影的几何面。,考虑：光学影像和数码影像的投影面分别是什么？,投影的分类,地形图属于正射投影航空摄影属于中心投影,斜投影,正摄投影,航摄像片与地形图的区别：,投影方式：航摄像片是中心投影，地形图是正射投影,二、航片是地面的中心投影,航片是地面景物的中心投影；地形图是地面景物的正射投影；摄影测量的主要任务之一，即是把记录在中心投影像片上的地面景物转换成按图比例尺的正射投影地图,三、中心投影的正片位置与负片位置,负片位置指投影平面与物点在投影中心的两侧,正片位置指投影平面与物点在投影中心的同一侧,无论正片位置还是负片位置，像点与物点的几何关系不变，数学表达式不变,3.3航摄像片上特殊的点、线、面,航摄像片成像的过程是小孔成像，在解析几何里已经学过，小孔成像其实就相当于解析几何中的透视变换。,透视变换的特性,同素性：几何元素的种类不发生变化。互换性：像与物互为投影。综合性：地物上的任何一个点都可以表示为两条直线的交点。,1、透视变换中的重要点、线、面,透视轴,基准面,摄影中心,投影面（像片）,地面主点,地底点,像片倾角,地面等角点,主垂面,主纵线,基本方向线,遁点,合线,主合点,主横线,重要的点线面,2、重要点、线满足的数学关系：,H,等角点的作用：在倾斜像片上以等角点c为交点量测的某一角度可用于代替在地面用C为测站实测的水平角，实现了把内业测量转化为内业量测。（注意：在倾斜像片上只有这一个点具有这个特性，其他的点不具备）,考虑：想找像片的摄影比例尺，该怎么做？,3.4摄影测量中常用的坐标系,摄影测量中常用的坐标系有两大类：一类是描述像点的位置，称为像方坐标系；一类用于描述地面点的坐标，称为物方坐标系。,像点位置,相应地面点的空间位置,1框标坐标系框标坐标系是依像片上相应框标连线作为基准建立直角坐标。对于框标设在像幅四边中央的像片，通常依航线方向两边对应框标连线作为x轴，以飞行方向为正方向；旁向两边对应框标连线作为y轴，方向以右手系确定；两连线的交点P作为坐标原点如图所示。,像平面坐标系,对于框标设在像幅四角处的像片，以相对框标连线的交点P作为坐标原点取两对相对框标连线在航线方向夹角的平分线作为x轴，垂直于x轴的方向作为y轴，如图所示。,坐标轴的正方向都按右手定则确定。,像平面坐标系o-xy（像主点坐标系）像平面坐标系是以象主点o为坐标原点，x、y轴分别平行于框标坐标系的x、y轴。,像平面直角坐标系与框标坐标系的转化：,像平面坐标系：框标坐标系像主点坐标系辅助点坐标系:就是在框标连线交点飞行方向的附近找一明显的地物点，连接框标连线交点和地物点作为x轴，按照右手系确定y，这个坐标系不是我们摄影测量要用到的坐标系，我们一般要通过内定向的方法将它转化到像主点坐标系。应用于比较低精度的像点坐标的量测。主纵线坐标系：根据摄影测量中使用仪器不同，以主纵线作为y轴，以与其垂直的直线（合线、等比线、主横线）作为x轴的坐标系，所不同的是坐标原点不一样。（注意：以主纵线作为y轴，以主横线为x轴的坐标系，虽然原点也是像主点，但是它还是不同于前面讲的像主点坐标系）,像空间直角坐标系Sxyz,摄影中心S作为像空间直角坐标系Sxyz的坐标原点，Z轴与摄影方向So重合，朝上为正方向；x和y轴分别平行于像平面坐标的相应轴，方向一致。右手系。,每张像片的像空间直角坐标系是各自独立的。,已知像点的像平面坐标后，就能获得该像点的像空间直角坐标(x、y、-f)。,s,为了进行像点的空间坐标变换，需要建立起描述像点在像空间位置的坐标系，既像空间坐标系,像空间辅助坐标系S-uvw,以摄站点(或投影中心)S为坐标原点，坐标轴可根据需要选定:,像点的像空间坐标系可以直接从像平面坐标系得到，但由于各片的像空间坐标系不统一，计算起来不方便，需要建立一种相对统一的坐标系，称为像空间辅助坐标系，用S-uvw,第一种：取u、v、w轴分别平行于地面摄影测量坐标系D-XYZ，右手直角坐标系。,第二种：是以每条航线内第一张像片的像空间坐标系作为像空间辅助坐标系。,x,y,第三种：是以每个像片对的左片摄影中心为坐标原点，摄影基线方向为u轴，以摄影基线及左片主光轴构成的面作为uw平面,构成右手直角坐标系。,P1,1、地面测量坐标系（T-XTYTZT）地面测量坐标系通常指家测图所采用的高斯克吕格3度带或6度带投影的平面直角坐标系（如1980年西安坐标系或1954北京坐标系或用户定义地方测量坐标系），及高程坐标系（如1985年国家基准高程系或1956年黄海高程），两者组合而成的空间左手直角坐标系系，用T-XtYtZt表示，也是用摄影测量的方法求的地面点坐标的形式。,设立原因：摄影测量坐标系采用的是右手系，而地面测量坐标系采用的是左手系，这给由摄影测量坐标到地面测量坐标的转换带来了困难。为此，在摄影测量坐标系与地面测量坐标系之间建立一种过渡性的坐标系，称为地面摄影测量坐标系。地面摄影测量坐标系：其坐标原点在测区内的某一地面点上，X轴与航线方向大致一致，但为水平Z铀铅垂，构成右手直角坐标系。,2、地面摄影测量坐标系（D-XYZ）,3.5航摄像片的内、外方位元素,像片的方位元素：确定航空摄影瞬间，摄影中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态的参数称为像片的方位元素。内方位元素（表示摄影中心与像片之间相关位置的参数）外方位元素（摄影中心和像片在地面坐标系中的位置和姿态参数表示）,一、像片（摄影机）的内方位元素表示摄影中心与像片之间相关位置的参数称为内方位元素，包含3个元素，即：,摄影中心到像片面的垂距(航摄机主距)f及像主点o在框标坐标系中的坐标x0，y0，内方位元素一般视为已知，相机出厂时用严格的物理方法测定的。,像片内方位元素的作用：建立起来的摄影光束与摄影时的光束相似,二、外方位元素在恢复了内方位元素的基础上，确定像片摄影瞬间的空间位置和姿态的参数称为外方位元素。,1、外方位线元素三个直线元素是反映摄影瞬间，摄影中心S在选定的地面空间坐标系（通常选用地面摄影测量坐标系）中的坐标值，用XS，YS，ZS表示。,Xs,Ys,Zs,表达摄影光束的空间姿态，或说像片面的空间姿态。其中二个用于确定摄影机主光轴的空间方位，一个用于确定像片的空间方位。,2、外方位角元素,外方位三个角元素可看作是理想像片的摄影机光轴从起始的铅垂方向绕空间坐标轴按某种次序连续三次旋转形成的。先绕第一轴旋转一个角度其余两轴的空间方位随同变化；再绕变动后的第二轴旋转一个角度、两次旋转的结果达到恢复摄影机主光轴的空间方位；最后绕经过两次变动后的第三铀(即主光轴)旋转个角度亦即像片在其自身平面内绕像主点旋转一个角度。像片由理想姿态到实际摄影时的姿态依次旋转的三个角值，就是像片的三个外方位元素。,转角的正负号，国际规定绕轴逆时针旋转为正（从旋转轴的正向的一端面对着坐标原点看），反之为负。我国习惯规定航向倾角顺时针方向旋转为正，、角逆时针方向旋转为正。,1）以v轴为主轴的、,旁向倾角,航向倾角,像片旋角,2）以u轴为主轴的，,航向倾角,旁向倾角，,像片旋角，,O,，,，,，,3）以w轴为主轴的A、v,方位角A,像片倾角,像片旋角v,v,在解析摄影测量中，为了利用像点坐标计算相应的地面点坐标，首先要建立像点在不同的空间坐标系之间的坐标变换关系，我们主要介绍像点在像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的坐标变换，也称为像点空间直角坐标的旋转变换。由高等数学知道，空间直角坐标变换是正交变换，一个坐标系按照某种顺序依次的旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系。,3.6像点坐标变换,因此，像点在两个坐标系中的变换公式为,a1=coscos-sinsinsina2=-cossinsinsincosa3=-sincosb1=cossinb2=coscosb3=-sinc1=sincos+cossinsinc2=-sinsin+cossincosc3=coscos,3）以w轴为主轴的Av系统的坐标变换,-,=,-,=,f,y,x,R,f,y,x,R,R,R,Z,Y,X,v,A,k,a,规律：只要知道转角绕轴旋转的先后顺序，就能很快写出总的旋转矩阵，即为每个旋转矩阵的连乘。每个旋转矩阵中，绕某轴旋转时，与该轴相对应的三维矩阵中对应位置的元素为1，与其它轴的方向余弦为0，其余的则为平面旋转变化。,1、像点的空间坐标变换,设某像点a点在：像空间坐标系中的坐标为（x,y,z)(z=-f）在像空间辅助坐标系中的坐标为（u，v，w）,1）以、系统表示方向余弦,S-uvw绕v轴旋转角到S-XYZ,2、方向余弦的确定,S-XYZ绕X轴旋转角到S-XYZ,S-XYZ绕Z轴旋转角到S-XYZ(s-xyz),规律：只要知道转角绕轴旋转的先后顺序，就能很快写出总的旋转矩阵，即为每个旋转矩阵的连乘。每个旋转矩阵中，绕某轴旋转时，与该轴相对应的三维矩阵中对应位置的元素为1，与其它轴的方向余弦为0，其余的则为平面旋转变化。,2）以u轴为主轴的，、，、，系统的坐标变换,a1=coscosa2=-cossina3=-sinb1=cossinsinsincosb2=coscos+sinsinsinb3=-sincosc1=sinsin+cossincosc2=sincos-cossinsinc3=coscos,3）以w轴为主轴的Av系统的坐标变换,-,=,-,=,f,y,x,R,f,y,x,R,R,R,w,v,u,v,A,k,a,a1=cosAcosv+sinAcossinva2=-cosAsinv+sinAcoscosva3=-sinAsinb1=-sinAcosv+cosAcossinvb2=sinAsinv+cosAcoscosvb3=-cosAsinc1=sinsinvc2=sincosvc3=cos,(x,y,-f),(X,Y,Z),3.6中心投影的构像方程,一、公式推导,(Xs,Ys,Zs),共线条件方程,逆算式：,3.7航摄像片上的像点位移,地面点在航摄像片上的构像相对于理想情况下构像位置的差异称为像点位移。,