第二章-单张像片解析

第二章单张像片解析,单张像片解析,第二章单张航摄像片解析,单张航摄像片解析,本章主要内容:航空摄影的基本知识摄影测量中常用的坐标系航摄像片的内外方位元素像点在不同坐标系中的变换中心投影的构像方程单像空间后方交会公式,本节课重点内容,单张像片解析重点内容,主要知识点:航空摄影的基本知识航空摄影概述中心投影透视变换,2-1航空摄影的基本知识,单张像片解析航空摄影的基本知识,要求,了解航摄机、航摄过程；掌握像主点、航摄机主距、航向重叠、旁向重叠的概念；理解摄影站、摄影基线、航摄比例尺、航高的概念及摄影测量的基本要求。掌握中心投影定义，航片与地形图区别。理解航摄片上的特殊点、线、面及特性。,单张像片解析航空摄影的基本知识,航空摄影,2-1-1航空摄影概述,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,航摄机:安装在航空器上对地面能自动地进行连续摄影的摄影机称为航摄机,ADS40数字航摄仪,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,单张像片解析航空摄影的基本知识,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,30cm30cm,航摄像片,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,光学框标,机械框标,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,像主点：摄影机主光轴与像平面的交点航摄机主距：物镜后节点到像平面的垂距，也称为像片主距，一般用字母f表示航高：摄影机的物镜中心至摄影基准面的距离,重要概念：,像主点,航摄机主距,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,航摄仪在曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面,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,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,航向重叠度,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,旁向重叠度,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,航向相邻两个摄影站间的距离,P2,S2,摄影基线,摄影基线,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,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离L之比为摄影比例尺,摄影比例尺,f为摄影机主距，H为航高,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,比例尺的选择,2-1-1航空摄影概述,单张像片解析航空摄影的基本知识,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。要求航线弯曲度航空摄影的基本知识,两张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角。要求像片旋角航空摄影的基本知识,小结:,摄影站,摄影基线B,航线间距,航高,航线,摄影比例尺,航摄机主距或像片主距像主点、航高,航向重叠度,旁向重叠度,2-1-2中心投影,单张像片解析航空摄影的基本知识,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,单张像片解析航空摄影的基本知识,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,2-1-2中心投影,单张像片解析航空摄影的基本知识,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称为平行投影,2-1-2中心投影,单张像片解析航空摄影的基本知识,航摄像片为中心投影，地形图为正射投影,2-1-2中心投影,投影射线,航摄像片,地形图,单张像片解析航空摄影的基本知识,地形图的特点,2-1-2中心投影,1、图上任意两点间的距离与相应地面点的水平距离之比为一常数，等于图比例尺2、图上任意一点引画的两条方向线间的夹角等于地面上对应的水平角,单张像片解析航空摄影的基本知识,地形起伏引起的像点位移,A,A0,a,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,2-1-2中心投影,单张像片解析航空摄影的基本知识,2-1-2中心投影,航片与地形图的比较：投影方式：地图为正射投影，航摄像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：地图需要综合取舍几何差异：航摄像片可组成像对立体观察,单张像片解析航空摄影的基本知识,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,2-1-2中心投影,单张像片解析航空摄影的基本知识,2-1-2中心投影,重要内容：中心投影定义平行投影航片与地形图在投影方面的区别像点位移,基本要求：了解航摄像片为中心投影,小结:,单张像片解析航空摄影的基本知识,2-1-3透视变换,概念：将空间点、线作中心投影，在投影平面P上得到一一对应的点、线，这种经中心投影取得的一一对应的投影关系称为透视变换。主要内容：四面、九点、九线。要求：理解航摄片上的特殊点、线、面及特性。,透视变换中的特殊点、线、面,o：像主点,S,J,i,E：水平的地面,P：倾斜像片平面,投影中心,SoO：摄影机轴（摄影方向）,O：地主点,透视轴：将像片平面扩大与地平面相交的迹线TT称为透视轴,S,J,i,航摄像片倾角:两平面的夹角成为像片倾角。,透视轴,透视变换中的特殊点、线、面（续）,透视变换中的特殊点、线、面（续）,像底点：铅垂射线SN与像平面的交点n称为像底点。,倾角的平分线与像平面的交点c，称为等角点。在地面上的透视对应点以C表示。,等角点：,J,地底点：像底点n在地面上的透视对应点N称为地底点。,S,i,透视变换中的特殊点、线、面（续）,S,i,J,主垂面：包含摄影机轴SoO的铅垂面W，称为主垂面。,主纵线：主垂面与像平面的交线vv称为主纵线。,摄影方向线：主垂面与地平面的交线VV称为摄影方向线,摄影方向线,主垂面,主纵线,透视变换中的特殊点、线、面（续）,像水平线：在像片上与主纵线vv正交的直线hihi称像水平线。主横线：通过像主点o的水平线h0h0称为主横线。,等比线：通过等角点c的水平线hchc称为。,S,i,J,像水平线,主横线,等比线,透视变换中的特殊点、线、面（续）,i,合面：过投影中心S作平行于地面E的平面Es称为合面（或像地平面）。,主合点：合线hihi与主纵线vv的交点i称为主合点。在合线上的其他点，通称合点。,主遁点：过投影中心S在主垂面W内作像平面P的平行线SJ，与摄影方向线的交点J称为主遁点。,S,J,合线：合面Es与像片平面P的交线hihi称为合线。,主遁点,合面,合线,主合点,重要的点、线、面小结,地面E像片平面P主垂面W：合面Es：,S,J,i,地面E,像片平面P,主垂面W,合面Es,4面：,i,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,9点：,重要的点、线、面小结,摄影中心S,迹线TT(透视轴)主光轴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、面小结,i,S,J,9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,第二章单张像片解析,单张像片解析,祝同学们中秋佳节愉快!,2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,主要内容：像平面上的坐标系像空间直角坐标系(S-xyz)像空间辅助坐标系（SXYZ）摄影测量坐标系(A-XpYpZp)地面测量坐标系(t-XtYtZt),基本要求：掌握摄影测量中常用的坐标系,2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,像平面上的,p,x,y,a(x,y),像平面直角坐标系,框标坐标系,直角坐标系,2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,像空间直角坐标系,s,x,y,x,y,z,a(x,y,-f),(S-xyz),2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,像空间辅助坐标系,s,x,y,a(X,Y,Z),(S-XYZ),2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,摄影测量坐标系,(M-XpYpZp),用来描述解析摄影测量过程中模型点的坐标。通常以地面某一点M为坐标原点，而坐标轴分别与像空间辅助坐标系的各坐标轴平行。,2-2摄测中常用的坐标系,单张像片解析摄影测量中常用的坐标系,地面测量坐标系,s,x,y,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（1980西安坐标系），高程为1985黄海高程系,(t-XtYtZt),坐标系的作用,像片上的坐标换算成地面坐标的过程：,像平面坐标,像空间坐标,像空间辅助坐标,摄影测量坐标,少量已知地面点大地坐标,地面测量坐标,待求点大地坐标,地面常规测量方法,模型定向其它用,目标,x,y,z,A,a,s,(x,y,-f),(Xt,Yt,Zt),摄影测量中的各种坐标系,第二章单张像片解析,单张像片解析,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,主要内容：内方位元素外方位元素,基本要求：掌握影像的内、外方位元素,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,确定摄影时摄影中心、影像与地面三者之间相关位置的参数,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,确定摄影物镜后节点（摄影中心）与影像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,其值一般有摄影机检校确定。,x,y,p,影像内方位元素,f,x0,y0,S,o,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,s,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,影像外方位元素,Zs,Ys,Xs,外方位线元素：描述摄影中心S相对于物方空间坐标系的位置(Xs、Ys、Zs),外方位角元素：描述影像面在摄影瞬间的空间姿态,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,影像外方位角元素,以Y轴为主轴的-转角系统,航向倾角,旁向倾角,像片旋角,OX,X,Y,Z,N,O,2-3影像的内外方位元素,单张像片解析影像的内外方位元素,航向倾角：它是主光轴SO在XZ平面上的投影SOx与Z坐标轴的夹角。旁向倾角：摄影方向SO与其在XZ平面上的投影SOx的夹角。像片旋角：Y坐标轴与SOxO组成的平面与像片平面的交线和像平面直角坐标系y轴的夹角。在转角系统中，其中、两个角度确定了主光轴SO的方向，而角则确定了像片在像平面内的方位。,第二章单张像片解析,单张像片解析,2-4空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,主要内容：像点的平面坐标变换空间直角坐标变换的一般表达式方向余弦的确定,基本要求：理解空间直角坐标变换的一般公式及方向余弦的确定方法,2-4-1平面坐标变换,单张像片解析投影变换,平面坐标变换,1)原点相同坐标轴向不一致,其中,A称为旋转矩阵,2-4-1平面坐标变换,单张像片解析投影变换,平面坐标变换,1)原点相同坐标轴向不一致,其反算式为,2-4-1平面坐标变换,单张像片解析投影变换,a,x0,y0,平面坐标变换,2)原点不相同坐标轴向不一致,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,像空间坐标与像空间辅助坐标的变换,x,y,z,a,s,(x,y,-f),(X,Y,Z),2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,由高等数学知道，空间直角坐标的变换是正交变换，一个坐标系按某种顺序依次地旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系,R由9个方向余弦组成,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,正交变换矩阵的特点,a同一行（列）的各元素平方和为1；,b任意两行（列）的对应元素乘积之和为0；,c旋转矩阵的行列式|R|=1；,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,旋转矩阵只有3个独立参数,正交变换矩阵的特点,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,正交变换矩阵的特点,d旋转矩阵中的每一个元素等于其代数余子式,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,正交变换矩阵的特点,e旋转矩阵中的每一个元素的值等于变换前后两坐标轴相应夹角的余弦,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,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,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,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,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,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,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,以Y轴为主轴的-转角系统的坐标变换,2-4-2空间直角坐标变换,单张像片解析投影变换,已知三个姿态角元素,求出9个方向余弦,确定正交矩阵R,实现像空间坐标系和像空间辅助坐标系的相互转换,第二章单张像片解析,单张像片解析,2-5中心投影的构像方程,共线条件方程的一般形式共线条件方程的应用,单张像片解析中心投影的构像方程,主要内容,基本要求,掌握中心投影的构像方程,2-5-1共线条件方程一般形式,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,单张像片解析中心投影的构像方程,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,共线条件,(x,y,-f),(XA,YA,ZA),2-5-1共线条件方程一般形式,单张像片解析中心投影的构像方程,2-5-1共线条件方程一般形式,单张像片解析中心投影的构像方程,像点、投影中心与地面相应点的数学关系公式，即为中心投影的构像方程。,共线条件是中心投影构像的数学基础，也是各种摄影测量处理方法的重要理论基础。,2-5-2共线条件方程的应用,求像底点坐标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利用DEM进行单张像片测图,单张像片解析中心投影的构像方程,求像底点坐标,单张像片解析中心投影的构像方程,像片仿真,单张像片解析中心投影的构像方程,已知内、外方位元素地面点空间坐标DEMDOM,单像测图,单张像片解析中心投影的构像方程,已知内、外方位元素像点坐标DEM,2-5-3有理函数模型,RFM的目标建立影像坐标与地面坐标的直接映射关系用户不需要关心传感器的内、外方位元素,单张像片解析中心投影的构像方程,2-5-3有理函数模型,实际的RFM模型,单张像片解析中心投影的构像方程,坐标“重心化”、比例“归一化”：,2-5-3有理函数模型,有理多项式系数（RPC）,单张像片解析中心投影的构像方程,参数个数根据分母是否相同以及多项式次数而变化,三次时最多78个参数,10个规则化参数,2-5-3有理函数模型,有理函数模型的特性RFM能得到比多项式模型更高的精度；RFM独立于RFM独立于摄影平台和传感器；RFM独立于坐标系统；RFM具有保密性和高效性。,单张像片解析中心投影的构像方程,2-5-3有理函数模型,有理函数模型的缺点不稳定性（参数多）；RFM系数物理意义不甚明确；精度局限性,单张像片解析中心投影的构像方程,第二章单张像片解析,单张像片解析,2-6单片空间后方交会,单张像片解析重点内容,主要知识点:影像内定向定义、常用的变换公式单像空间后方交会公式定义、误差方程和法方程、计算过程掌握空间后方交会公式及应用,2-6单片空间后方交会,单张像片解析影像内定向,传统摄影测量：影像架坐标或仪器坐标,数字化的影像：扫描坐标,所量测的像点坐标,需要像平面直角坐标,通常称像点的量测坐标到像平面直角坐标的变换为影像内定向,2-6单片空间后方交会,单张像片解析影像内定向,其中：X为量测的像点仪器坐标或扫描坐标,X为变换后的像点坐标，A为变换矩阵，t为变换参数。,内定向通常采用多项式变换公式，形式为：,内定向问题需要借助影像的框标来解决,2-6单片空间后方交会,单张像片解析影像内定向,常用的变换公式有：,线性正形变换公式（4参数）,仿射变换公式（6参数）,双线性变换公式（8参数）,投影变换公式（8参数）,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,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,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,地面点在像片上的像点坐标x，y；地面点的大地测量坐标或地面摄测坐标X、Y、Z；摄影机主距f,共线方程,可获得的数据,需求的数据,三个直线元素XS、YS、ZS；,旋转矩阵,中的三个角元素、,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,已知值x0,y0,f,m,X,Y,Z观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,泰勒级数展开,误差方程,式中，x、y为观测值，为其近似值,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,共线条件方程,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,偏导数1,2-6单片空间后方交会,单张像片解析单片空间后方交会,偏导