数字摄影测量w--摄影测量知识回顾

摄影测量学,PHOTOGRAMMETRY,王志勇,1、摄影测量的定义与任务2、摄影测量的分类3、摄影测量学的发展概况4、摄影测量的主要研究问题5、摄影测量的产品6、摄影测量的应用领域7、摄影测量与其它学科的关系,第一章绪论,摄影测量与遥感是从非接触成像或其它传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境或其它物体可靠信息的工艺、科学与技术。,摄影测量学,摄影测量的基本原理,摄影测量学的分类,地形摄影测量(地形图),非地形摄影测量(其他用途),按用途分类,航天摄影测量,航空摄影测量,地面摄影测量,近景摄影测量,显微摄影测量,按距离分类,模拟摄影测量,解析摄影测量,数字摄影测量,按技术手段分类,雷达摄影测量,双介质摄影测量,X射线摄影测量,特种摄影测量,问题提出,摄影测量对影像质量有什么要求？在摄影时，必须满足什么条件？,摄影测量利用航摄像片获取所摄目标信息，因此，航摄像片是摄影测量的基础。,二、普通摄影机（照相机）,三、测量用摄影机（地面摄影机和航空摄影机）,四、航摄仪的种类,五、常见的摄影相机,六、几种航摄相机简介,航空摄影基础知识(1),一、摄影原理与摄影机,几种航摄相机简介,ADS40（Leica/Helava）,DigitalMappingCamera(Z/Iimaging),RC30,DMC,三、航空摄影测量对航空像片及摄影的基本要求,四、航空摄影技术计划,航空摄影基础知识(2),一、摄影处理与像片晒印,二、空中摄影定义,空中摄影就是从空中一定高度上摄取地面物体影像的过程。,空中摄影定义,航空摄影测量对航空像片及摄影的基本要求,航摄像片的质量主要包括：,构像质量:影像的分解力，清晰度。,几何质量:体现在影像的量测性能方面。,表观质量:色调正常，反差适中。,航空摄影的飞行质量要求：,航摄比例尺与航高,航片的重叠度,像片的倾斜角,航线弯曲度,航片旋偏角,一航摄任务书（用户与航空摄影作业单位的合同）,二航摄技术计划的拟订,三航空摄影的整个技术过程,四、航空摄影技术计划,航空摄影基础知识,问题提出,变换,地形图,像片,地面,投影,问题提出,地面到像片的数学变换有哪些特点？这种变换与地面到地形图的变换有什么区别？,内容安排,一中心投影及其特征,二透视变换及其特别点、线、面,三常用的坐标系统,四航摄像片的内外方位元素,单张像片解析基础(1)TheAnalyticalfoundationofImage,投影Projection,一个空间点按一定方式在一个平面上的构像，叫做该空间点的投影。,中心投影及其特征,物点、像点、投射线、像面（承影面）,平行投影ParallelProjection,投射线互相平行的投影，叫做平行投影。,正射投影（垂直投影）,局部范围内，地形图可视为地面的垂直投影。,中心投影CentralProjection,中心投影及其特征,所有投射线或其延长线都通过一个固定点的投影，叫做中心投影。,阴位：投影中心位于物和像之间。阳位：投影中心位于物和像同侧。,航摄像片是地面的中心投影。,投影中心S,中心投影的主要特征,中心投影及其特征,点的中心投影一般是点。（特例）线段的中心投影一般是线段。（特例）相交线段的中心投影一般是相交线段。（特例）空间一组不与承影面平行的平行直线，其中心投影为一平面线束。线束的顶点是由过投影中心并与空间平行直线相平行的投射线与承影面的交点，称为合点。平面曲线的中心投影一般是平面曲线。空间曲线的中心投影是平面曲线。,透视变换及其特别点、线、面,两个平面之间的中心投影变换，称为透视变换。,透视变换定义（PerspectiveTransform）,透视变换中的特别点、线、面（Points、Lines、Planes）,基本要素（S、P、T）,特殊面（3）：,特殊线（8）：,特殊点（9）：,常用的坐标系统,1、像平面坐标系o-xy2、像空间坐标系S-xyz3、摄影测量坐标系S-XYZ4、地面辅助坐标系OT-XTYTZT5、大地坐标系O-XGYGZG,原点、轴向、作用,常用的坐标系统,航摄像片的内外方位元素,航摄像片的内方位元素,投影中心对航摄像片的相对位置叫做像片的内方位，确定内方位的独立参数叫做内方位元素。,确定像空系（或摄影光束）在地辅系中位置和方向的元素叫做航摄像片的外方位元素。,像片的外方位元素有6个，其中3个是线元素，即像空系的原点S在地辅系中的坐标；另外3个是角元素，用以确定像空系三轴在地辅系中的方向。,航摄像片的外方位元素,三种角元素系统,航摄像片的内外方位元素,问题提出,中心投影,地形图,像片,地面,投影,问题提出,如何建立中心投影关系下地面点与其像点之间的数学关系？,建立坐标系表示点位。依据中心投影条件建立数学关系。,旋转矩阵的性质像点和地面点的坐标变换,一点的坐标变换,定义共线条件方程推导(重点、难点)分析应用,二共线条件方程,共线条件方程式,在理想情况下，摄影瞬间像点、投影中心、物点位于同一条直线上，以三点共线为基础建立起来的描述这三点共线的数学表达式，称之为共线条件方程式。,一共线条件方程的定义,第六讲共线条件方程及其应用,CollinearityConditionEquations&Applications,两点两系,一点两系,两点一系,点的坐标变换,描述几何关系,二共线条件方程的推导,CollinearityConditionEquations&Applications,第六讲共线条件方程及其应用,o,a,A,SaA共线,CollinearityConditionEquations&Applications,二共线条件方程的推导,第六讲共线条件方程及其应用,2.建立共线关系（两点一系）,CollinearityConditionEquations&Applications,二共线条件方程的推导,第六讲共线条件方程及其应用,xA，yA，zA,向量表达式,（1）,CollinearityConditionEquations&Applications,二共线条件方程的推导,2.建立共线关系（两点一系）,第六讲共线条件方程及其应用,（3）,CollinearityConditionEquations&Applications,二共线条件方程的推导,第六讲共线条件方程及其应用,CollinearityConditionEquations&Applications,二共线条件方程的推导,6个外方位元素：XS,YS,ZS,3个内方位元素：x0,y0,f3个地面点坐标：X,Y,Z2个像点坐标：x，y,分析,第六讲共线条件方程及其应用,空间后方交会、空间前方交会光束法平差的基本公式数字摄影测量系统中数字投影器的基础计算像片模拟数据单片定位求像底点坐标,像底点的像平面坐标：,三共线条件方程的应用,第六讲共线条件方程及其应用,CollinearityConditionEquations&Applications,问题提出,通过航摄像片比例尺的分析可知：地形起伏和像片的倾斜造成像比例尺的变化，其实质就是地形起伏和像片的倾斜引起实际像点位置相对于理想状态构像位置的变化。,地形起伏和像片的倾斜引起的这种像点变化的规律是什么？在像片上如何消除这些因素带来的像点位置的变化？,像片的几何特性,一、像片的比例尺二、像片的投影误差三、像片的倾斜误差四、像点坐标的系统误差及其改正,内容安排,一因像片倾斜引起的像点移位,二因地形起伏引起的像点移位,倾斜误差定义公式推导(重点、难点)倾斜误差性质,投影误差定义公式推导（重点、难点）投影误差性质,因像片倾斜引起的像点移位,同摄站同主距的倾斜像片和水平像片沿等比线重合时,地面点在倾斜像片上的像点与相应水平像片上像点之间的直线移位。,记为：,倾斜误差定义（TiltError）,因地形起伏引起的像点移位,投影误差定义(ProjectionError),当地面有起伏时，高于或低于所选定的基准面的地面点的像点，与该地面点在基准面上的垂直投影点的像点之间的直线移位。,投影误差,因地形起伏引起的像点移位,投影误差公式,水平像片的投影误差公式：,改倾斜误差和投影误差,问题提出,理想状况下的构像方程在实际应用中需考虑的问题:,经摄影处理后，量测的像点位置是否为摄影时构像位置。在实际成像过程中，是否真的满足像点、投影中心、物点三者共线。基准面的选取是否一致，不一致带来的误差满足什么规律。量测系统有没有系统误差存在。,最终体现为像点的系统误差。,FilmDeformation,LensDistortion,AtmosphericRefraction,EarthCurvature,一航摄像片的变形,二物镜畸变差,三大气折光差,四地球曲率的影响,像点坐标的系统误差及其改正,航摄像片的变形,目的：研究航摄像片的系统变形规律，消除这种变形的影响。,检查航摄像片变形的方法,框标比较法格网法,利用框标改正像点坐标过程,利用变换参数和相应方程，计算像点改正坐标,量测航摄像片上框标坐标,量测框标样片上框标坐标,利用上述公式列方程，答解变换参数,航摄像片的变形,改正航摄像片变形的方法,一、共线条件方程的线性化二、像片的内定向三、像片的外部定向空间后方交会四、单片定位理论,单像作业理论,【一】空间后方交会(SpaceResection)的定义,空间后方交会,利用一定数量的地面控制点(GCP,GroundControlPoint)及其在像片上的像点，根据共线条件方程式反求像片外方位元素的方法。,1、共线条件方程解析一般形式,已知：,3个以上X，Y，Z及所对应的x，yx0，y0，f,XS，YS，ZS，,求：,一、共线条件方程线性化（Linearization）,共线条件方程是XS,YS,ZS,x0,y0,f,X,Y,Z的函数,按泰勒级数在初值点展开,式中（x)，(y)是用初值代入共线方程式求出的。,关键在于求偏导数,一、共线条件方程线性化,得到在竖直摄影时用共线条件方程解算外方位元素的实用公式，即,一、共线条件方程线性化,1、基本命题已知：地面控制点坐标X，Y，Z（不少于3个，为什么？）相应像点坐标x，y；内方位元素x0，y0，f求：利用共线条件方程按参数平差法求解像片的外方位元素。,【二】共线条件方程法的基本原理,2、基本原理共线条件线性化方程：,误差方程式为：,【二】共线条件方程法的基本原理,观测值：像点坐标（x,y）误差改正数：（vx,vy）,空间后方交会的基本过程,Z2,A1,A2,Z1,Z0,需要迭代运算,单片定位原理与方法,需要两张满足一定条件的航摄像片,第三章立体像对理论,一、人眼的构造和立体视觉二、人造立体观察三、像对的立体观察四、像点坐标量测五、像点坐标量测仪器,第10讲立体观察和立体量测,内容安排,摄影测量中，人造立体的观察必须满足形成人造立体视觉的条件。归纳如下：由两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对。分像条件:一只眼睛只能观察像对中的一张像片（左眼看左像，右眼看右像）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似平行，同名像点间距离应该小于眼基距。两像片的比例尺相近。,2、人造立体观察的条件,内容安排,一立体像对的基本概念,二像对的相对方位元素,三像对的绝对方位元素,四立体像对角方位元素之间的关系,五双像解析摄影测量的基本思想,第11讲立体像对基本知识,BasicsofStereoPair,一立体像对的基本概念,1、立体像对的定义（StereoPair）,由不同摄站获取的，具有一定影像重叠的两张像片。,Review,一立体像对的基本概念,2、立体像对的点、线、面,P1,a2,a1,P2,B,WA,n1,n2,摄影基线(S1S2),核面（垂核面、主核面）,核线（垂核线、主核线）,核点,同名像点(a1,a2),同名光线(AS1,AS2),同名核线,Review,P1,B,P2,Review,一立体像对的基本概念,3、立体模型,外方位元素,相对方位元素,绝对方位元素,立体像对,实际地面,相似模型比例尺任意，方位任意,7个,5个,12个,Review,一、后方交会前方交会法条件：每张像片上至少有三个GCP。1、单片后方交会分别求出左右像片的外方位元素；2、空间前方交会求出待定点地面坐标。缺点：没有充分利用多余条件（重叠）进行平差。,双像摄影测量定位的基本方法,命题：已知像点坐标，求相应地面点坐标。,GCP(X,Y,Z)i,a(x,y)i,空间后方交会,内方位元素,同名像点坐标,外方位元素,前方交会,A(X,Y,Z),一、后方交会前方交会法,双像摄影测量定位的基本方法,二、相对定向绝对定向法条件：重叠范围内至少有二个平高控制点，一个高程控制点。1、相对定向求出五个相对方位元素；2、空间前方交会求出模型点坐标；3、绝对定向求出七个绝对方位元素；4、通过空间相似变换将模型坐标转换为地面坐标。缺点：公式多，不能严格表达外方位元素。,双像摄影测量定位的基本方法,双像摄影测量定位的基本方法,P1,P2,6对定向点,a1(x,y)i,a2(x,y)i,前方交会,相对定向,模型点坐标,立体模型,4GCP,绝对定向,空间相似变换,立体几何模型（地面点坐标）,二、相对定向绝对定向法,三、光束法一步定向法理论严密、精度高，待定点坐标完全按平差原理得到。,双像摄影测量定位的基本方法,双像摄影测量定位的基本方法,三、光束法一步定向法,平高控制点平面控制点待求点,共线条件方程,光束法,A(X,Y,Z),问题的引出,解析空三的基本任务是？,航带法,独立模型法,光束法,基本思想,以航带模型为基本平差单元，根据控制点的外业坐标与内业坐标相等、连接点的内业坐标相等，按照非线性改正公式列出误差方程，在整个区域内统一进行平差，答解出各航带的非线性改正系数，计算出加密点地面坐