第二章-摄影测量解析基础

第二章单像影像解析基础,西北师范大学张彦丽地环学院地信系,内容提要,一、航摄像片的投影关系二、共线方程三、单幅影像解析基础,2.1航摄像片的投影关系,一、航空摄影机二、航空摄影与航摄像片三、航摄像片与地形图的差别四、中心投影透视变换作图,主要内容,像场角,常角：(视场角100。),长焦距：(主距200mm)中焦距：(主距100200mm)短焦距：(主距100mm),焦距,主光轴：通过薄透镜两个球面球心的直线像平面、框标(机械框标、光学框标)、框标坐标系物距、像距（两者比例大小在遥感中的特点）像主点、像片内方位元素,2.1.1光学航空摄影机,像幅,18cm18cm23cm23cm30cm30cm,航摄像片为量测像片，有光学框标和机械框标航摄像片的大小为18cm18cm,23cm23cm,航摄像片,光学框标,机械框标,单面阵航空数码相基本参数见P15多面阵航空数码相机大幅面CCD生产技术困难，因此，由小面阵拼接而成大面阵三线阵航空数码相机ADS40能为每条航线上获取三个不同投影方向（前视、下视和后视）的影像。很多卫星影像立体像对均提供这样三个不同投影图像前视、下视和后视。如，ASTER、WORLDBIEW、ALOS等。,2.1.1数码航空摄影机-无框标,可携带GPS、惯性测量装置IMU，有规则像素排列而成，无框标设备。,利用安装在航摄飞机上的航摄仪从空中一定角度对地面进行摄影,2.1.2航空摄影与航摄像片,航摄仪在曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面,2.1.2航空摄影与航摄像片,航空摄影,沿航线方向相邻两张像片应有60%左右的航向重叠，相邻航线间的像片应有30%左右的旁向重叠。,全程采用竖直摄影方式。按航摄计划要求，按规定的行高和设计的方向呈直线飞行，且保持各航线的相互平行。,摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，偏离铅垂线的夹角小于30，夹角为像片倾角,竖直摄影,航向重叠度,旁向重叠度,思考：像片重叠度的用途及要求？,航向相邻两个摄影站间的距离,摄影基线,摄影基线,f为摄影机主距，H为航高,视摄影像片水平、地面取平均高程时，像片上的线段l与地面上相应的水平距L之比为摄影比例尺,摄影比例尺,思考：摄影像片实际的摄影比例尺特点？,根据基准面的不同，航高分为相对航高和绝对航高。,测图比例尺,航摄比例尺分母,测图比例尺分母,摄影比例尺的选择综合考虑成图比例尺、摄影测量内业成图方法和成图精度等因素，同时兼顾经济性和摄影资料的可使用性。,把一条航线的航摄像片根据地物影像拼接起来，各张像片的主点连线不在一条直线上，而呈现为弯弯曲曲的折线，称航线弯曲,航线弯曲度：航线最大弯曲矢量与航线长度之比的百分数。要求航线弯曲度3%,航线弯曲,为了确保摄影测量精度，提出了摄影质量和飞行质量的基本要求。,思考：航线弯的危害？,一张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角。要求像片旋角60,产生的原因及危害？航摄机定向不准。像片旋角过大会减少立体像对的有效范围、增加内业困难,像片旋角,2.1.3航摄像片与地形图,投影方式,投影：用一组假想的直线将物体向几何面投射投影射线：投影的直线投影平面：投影的几何面,投影射线会聚于一点的投影称为中心投影,投影中心,投影平面,投影点,投影射线,物点,正射投影投影射线与投影平面正交,斜投影投影射线与投影平面斜交,投影射线平行于某一固定方向的投影的投影称为平行投影,航摄像片为中心投影，地形图为正射投影,地形起伏引起的像点位移,像片倾斜引起的像点位移,航摄像片的特点,当像片倾斜、地面起伏时，地面点在航摄像片上构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异称像点位移,投影方式：地图为正射投影，航片为中心投影比例尺：地图有统一比例尺，航片无统一比例尺表示方法：地图为线划图，航片为影像图表示内容：地图需要综合取舍（制图规则），航片内容丰富几何差异：航摄像片可组成像对立体观察,摄影测量的主要任务之一：把地面按中心投影规律获取的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射投影地形图,航摄像片与地图的关系,主观、艺术,所见即所得,2.1.4透视变换作图,像点平面与物点平面这两个平面之间的中心投影变换关系称为透视变换,面：地面E像片面P主垂面W真水平面Es线：迹线TT主光线SoO主垂线SnN摄影方向线VV主纵线vv等角线ScC主合线hihi主横线hoho等比线hchc,重要的点线面,点：摄影中心S像主点o地主点O像底点n地底点N等角点c地面等角点C主合点i主遁点J,S,J,i,航摄像片中的重要点、线、面,透视轴、迹线,重要点线的数学关系,S,J,i,底点特性铅垂线在像平面上的构像位于以像底点n为辐射中心的相应辐射线上,N,n,重要的点线特征,等角点特性在倾斜像片和水平地面上，由等角点c和C所引出的一对透视对应线无方向偏差，保持着方向角相等,C,c,重要的点线特征,等比线特性等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，不受像片倾斜影响,重要的点线特征,已知E平面上有A点，在像平面上作对应的像a,S,A,作图步骤：1）找迹点T12）找主合点i3）连T1i与SA，交点为a,中心投影作图,主合点,迹点,已知E平面上有AB直线，在像平面上作对应的像ab,S,作图步骤：1）找迹点T12）找合点i13）连T1i1与SA，交点为a4）连T1i1与SB，交点为b5）a与b连线,中心投影作图,主合点,迹点,T1,已知垂直物面的空间直线AB，在像平面上作对应的像ab,S,作图步骤：1）按E面上点作图方式确定a2）找像底点n3）连接na4）na与SB的交点为b5）a与b连线,中心投影作图,主合点,迹点,2.2共线方程,主要内容,一、摄影测量常用坐标系二、航摄像片的方位元素三、空间直角坐标变换四、共线方程五、有理函数模型,一、摄影测量常用坐标系,像平面直角坐标系,p,x,y,a(x,y),思考：1、像平面坐标系与框标坐标系的关系？2、内方位元素的作用？,地面测量坐标系,o,A(Xt,Yt,Zt),地面测量坐标为国家统一坐标系，平面坐标为高斯-克吕格3度带或6度带投影（1954北京1980西安CGCS2000坐标系），高程为1985黄海高程系。,a,（物方）,思考：1、摄影测量的主要任务？2、基本途径是由像点坐标获得其地面点坐标，但如何实现？,像空间直角坐标系,s,o,a,a(x,y,-f),思考：1、与像平面坐标系的联系？2、像点在该坐标系的特点？3、内方位元素的作用？,像空间辅助坐标系,o,a,a(X,Y,Z),思考：1、像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的联系？2、该坐标系建立的目的？,地面摄影测量坐标系,a,o,原点为地面某一控制点，坐标轴与像空间辅助坐标轴平行。,思考：1.摄影测量坐标系与像空间辅助坐标系的联系？2.摄影测量坐标系作用?,(x,y,-f),(Xt,Yt,Zt),摄影测量中的各种坐标系,两种物方坐标系三种像方坐标系。最主要的坐标系为像平面坐标系和地面侧坐标系，其他三种均为过渡坐标系。,二、像片的方位元素,确定摄影时刻摄影中心、像片与地面三者之间相关位置关系的参数叫像片的方位元素,确定投影中心与像片之间相互位置关系的参数,内方位元素（x0,y0,f）可恢复摄影光束,像片内方位元素,f,x0,y0,o,一般由摄影机检校确定。,o,确定摄影光束摄影时刻在地面直角坐标系中空间位置和姿态的参数：包括两类：3个线元素和3个角元素,像片外方位元素,Zs,Xs,Ys,外方位线元素：描述摄影中心在物方空间坐标系中的位置(Xs、Ys、Zs),外方位角元素：描述像片在摄影瞬间的空间姿态,像片外方位角元素,以Y轴为主轴的-转角系统,航向倾角,旁向倾角,像片旋角,OX,我国习用的转角系统,思考：,像片9个方位元素在摄影测量几种坐标系相互转化过程中的作用？,三、空间直角坐标变换,平面坐标变换,a,转换为矩阵的形式：,(x,y,-f),(X,Y,Z),像空间坐标与像空间辅助坐标的变换,可以理解为：像空间坐标系是像空间辅助坐标系（相当于摄影光束的起始位置）依次绕相应的坐标轴旋转，三个角度以后的位置。,S-XYZ坐标系绕Y轴旋转角到S-XYZ,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,S-XYZ坐标系绕X轴旋转角到S-XYZ,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,S-XYZ坐标系绕z轴旋转角到S-xyz,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,正交变换矩阵的特点,由高等数学知道，一个坐标系按三个角元素顺次地绕坐标轴旋转即可变换为一个同原点的坐标系，这种变换为正交变换,正交变换矩阵的特点,旋转矩阵只有3个独立参数,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,以X轴为主轴的-转角系统的坐标变换,以X轴为主轴的-转角系统的坐标变换,以Z轴为主轴的A-v系统的坐标变换,以Z轴为主轴的A-v系统的坐标变换,四、共线条件方程,主要内容,一、共线条件方程的一般形式二、共线条件方程的应用,一、共线条件方程的一般形式,像片的基本知识回顾什么是共线条件方程共线条件方程的简单推导,中心投影内外方位元素常用坐标系空间坐标变换,基本知识回顾,M,Z,Y,X,共线条件,(x,y,-f),(XA,YA,ZA),在共线条件基础上，如何推知像点坐标与其地面点物方坐标系的关系？,ZA-Zs,共线条件方程,共线条件方程,共线条件方程,考虑到像主点的坐标,二、共线条件方程的应用,单像空间后方交会和多像空间前方交会摄影测量中的数字投影基础航空影像模拟光束法平差的基本数学模型利用DEM制作数字正射影像图,像片仿真,已知内、外方位元素地面点空间坐标DEM模拟影像,2.2.5有理函数模型,2.3单幅影像解析基础,主要内容,一、内定向二、单像空间后方交会,一、内定向,内定向：利用平面相似变换，将像片架坐标变换为以像主点为原点的像平面坐标,正形变换,仿射变换,双线性变换,解析内定向计算过程,1、获取框标点的理论坐标,2、选用合适的变换模型,3、建立误差方程,4、建立法方程并解算,5、由变换参数计算像点坐标,像片系统误差预改正（摄影材料变形）,四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射变换,四个框标位于像片的中央时可用比例缩放,Lx,Ly为框标距的理论值lx,ly为框标距的量测值x,y为像点坐标的量测值x,y为像点坐标的改正值,像片系统误差预改正（摄影机物镜畸变差）,摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数,摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值,k0、k1、k2、k3为物镜畸变差改正系数r为畸变差,像片系统误差预改正（大气折光差改正）,大气折光引起像点在径向的变形,大气折光引起像点在坐标向的变形,r为像点误差改正数r为向径rf为折光差角,像片系统误差预改正（地球曲率）,地球曲率引起像点在径向的变形,地球曲率引起像点在坐标向的变形,r为像点误差改正数r为向径R为地球曲率半径,像片系统误差预改正,内定向并经系统误差预改正后的像点坐标,内定向,镜头畸变,大气折光,地球曲率,二、单片空间后方交会,主要内容,一、定义二、共线条件方程的线性化三、误差方程和法方程四、计算过程,思考,1.什么是外方位元素？2.外方位元素的重要性？3.如何获取影像的外方位元素？,一、定义,根据影像覆盖范围内一定数量的分布合理的地面控制点（已知其像点和地面点的坐标），利用共线条件方程求解像片外方位元素,二、共线条件方程的线性化,目的观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,X,Y,Z,x0,y0,f泰勒级数展开,三、误差方