摄影测量基本知识

摄影测量学,Photogrammetry,第二讲航摄像片的投影关系与内外方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,问题的引出,摄影测量是通过量测像片来获得地面目标的几何信息，这就要研究像片和地面之间的几何投影关系。,a,问题的引出,为什么相交？航空影像具有什么几何特点？,摄影测量原理及摄影机航空摄影基本要求,投影定义、中心投影与平行投影中心投影的主要特征（重点）透视变换中的特别点、线、面主垂面内的几何关系(重点),内容安排,五种常用的坐标系统,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,像片的内方位元素像片的外方位元素,1航空摄影测量基本知识,2透视变换及其特别点、线、面,3常用坐标系,4航摄像片的方位元素,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,由初中物理知道：其中，u是物距，v是像距，f是焦距。当u2f时，f2f，成倒立，放大，实像例如：幻灯机，投影机，电影机。当uf，成正立、放大、虚像例如：放大镜,一、凸透镜成像规律,一航空摄影测量基本知识,二、照相机成像规律,照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像,这种技术称为摄影术。,三、量测型摄影机,这类摄影机是指的航空摄影机，地面摄影测量用的摄影经纬仪以及近景摄影测量用的摄影机。这种摄影机,物镜具备良好的光学特性，其物镜的畸变差要小，分辨力要高，透光率强，摄影机结构稳定。安装在飞机上对地面自动地迸行连续摄影的摄影机称为航摄机。,SWCD数字摄影机,航空摄影机结构图,三、航空摄影机的特点,1：量测用摄影机的像距是一个固定值，几乎等于摄影机物镜的焦距。2：航摄机可按摄影机物镜的焦距分类，可分为；矩焦距航摄机，其焦距为F80mm。中焦距航摄机，其焦距为80mm200mm。长焦距航摄机，其焦距为F200mm。,3：摄影机像面框架有无框标标志，是作为区分量测用摄影机和非量测用摄影机的重要标志。,三、航空摄影机的特点,光学框标,机械框标,三、航空摄影机的特点,4：航空摄影机一般采用18cm*18cm、23cm*23cm的像幅，现代航空摄影机多采用后者。一般在航空像片上，除光标外，还包括压平气泡，摄影时间、航片编号等等。,5：航空摄影机根据像场角的大小分为：常角（1000)。,6：摄影机的像场角和主距决定了所摄地面面积的大小，主距短、像场角大所摄地面面积大，摄影比例尺小。反之，则相反。,安装在航摄飞机上的航摄仪从空中一定角度对地面物体进行摄影，飞行航线一般为东西方向，要求航线相邻两张像片应有60%左右的重叠度，相邻航线的像片应有30%左右的重叠度,航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。,四、航空摄影基本要求,1、航空摄影,竖直摄影：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。,A为像片倾角,2航向重叠度：航线相邻两张像片的重叠度,2旁向重叠度：相邻航线像片的重叠度,2摄影基线：航向相邻两个摄影站间的距离,S:摄影基线,3摄影比例尺：航摄像片上一线段为l与地面上相应线段的水平距L之比。,f为摄影机主距，H为航高,摄影像片当作水像片，地面取平均高程时，这时像片上的一段l与地面上相应的水平距L之比为摄影比例尺。,航摄比例尺与成图比例尺,测绘小比例尺地形图时，航摄比例尺大于测图比例尺测绘中比例尺地形图时，航摄比例尺略大或接近测图比例尺测绘大比例尺地形图时，航摄比例尺小于测图比例尺,4航线弯曲：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。要求航线弯曲度不得大于3%。,5像片旋角：一张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角。要求旋片角不得大于60,像片旋角过大会减少立体像对的有效范围,6像对：航向相邻两张像片组成一个像对理想像对：相邻两像片水平、摄影基线水平组成的像对正直像对：相邻两像片水平、摄影基线不水平组成的像对竖直像对：相邻两像片不严格水平、摄影基线不水平组成的像对,理想像对,正直像对,7同名光线、同名像点、核线、核面,同名像点：同一地面点发出的两条光线经左右摄影中心在左右像片上构成的像点称为同名像点同名光线：同一地面点发出的两条光线称同名光线核面：摄影基线与同一地面点发出的两条同名光线组成的面核线：核面与左右像片面的交线为同名核线,1、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。,物点、像点、投射线、像面（承影面）,物点,投射线,像面,像点,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,二透视变换及其特别点、线、面,2、平行投影与中心投影CentralProjection&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）,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,二透视变换及其特别点、线、面,CentralProjectionandElementsoforientation,地形图在局部范围内是地面的正射投影！航摄像片？,2、平行投影与中心投影,地形图是地面的什么投影？,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,二透视变换及其特别点、线、面,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,投影中心CenterofProjection(COP).摄站,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(CentralProjection)。,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。,2、中心投影与平行投影CentralProjection&ParallelProjection,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,2、中心投影与平行投影CentralProjection&ParallelProjection,阳位与阴位之间的关系及转换,主距Principaldistance,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,2、中心投影与平行投影CentralProjection&ParallelProjection,航摄仪焦距(FocusLength)：物镜节点到焦点的距离像片主距（Principaldistance）：物镜节点到像平面的距离,关系？,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,3、航片是地面的中心投影,如何将中心投影的航摄像片转化为垂直投影的地形图，就成为了航空摄影测量学的主要任务之一。,4、中心投影的主要特征,点的中心投影是_。线段的中心投影是_。相交线段的中心投影是_。空间一组不与承影面平行的平行直线的中心投影是_。平面曲线的中心投影是_。空间曲线的中心投影是_。,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,点的中心投影,4、中心投影的主要特征,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,线段的中心投影,4、中心投影的主要特征,c,(d),第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,相交线段的中心投影,4、中心投影的主要特征,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,空间一组不与承影面平行的平行直线的中心投影。,4、中心投影的主要特征,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。合点：空间一组不与承影面平行的直线无穷远点处的中心投影。,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,为什么相交？,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,平面曲线的中心投影,4、中心投影的主要特征,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,空间曲线的中心投影,4、中心投影的主要特征,S,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,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。平面曲线的中心投影一般是平面曲线。（特例）空间曲线的中心投影是平面曲线。,4、中心投影的主要特征,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,二透视变换及其特别点、线、面,5、透视变换定义（DefinitionofthePerspectiveTransform）,两个平面之间的中心投影变换，称为透视变换。在透视变换的情况下，投影中心称为透视中心。,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,6、透视变换中的特别点、线、面（EspecialPoints、Lines、Planes）,基本要素（S、P、T）,主垂面（W）,特殊面（3）：,真水平面（G）,遁面（R）,二透视变换及其特别点、线、面,G,R,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,T,特殊线（8）：,透视轴（tt）,基本方向线（KV）,主纵线（iV）,灭线（kk）,真水平线（gg）,主垂线(SN),6、透视变换中的特别点、线、面（EspecialPoints、Lines、Planes）,V,N,i,G,R,K,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,特殊点（9）：,像主点（o）,地主点（O）,像底点（n）,地底点（N）,主灭点（K）,主迹点（V）,主合点（i）,像等角点（c）,地等角点（C）,T,N,i,G,R,K,c,C,n,V,主横线(hoho),等比线(hchc),6、透视变换中的特别点、线、面（EspecialPoints、Lines、Planes）,SO：主光轴,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,A0,a,a0,A,n,N,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.,6、透视变换中的特别点、线、面（EspecialPoints、Lines、Planes）,底点特性,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,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.,A0,a,a0,A,n,N,？,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,数学分析方法第一步：数学描述，建立坐标系第二步：建立关系方程,a,o,f,航摄像片是地面的中心投影。如何建立像点与地面点之间的关系？,飞行方向,1、框标坐标系(o-xy),三常用的坐标系统,o,如何表示像点量测坐标？,2、扫描坐标系(AIJ),用于表示扫描后数字影像的量测象素坐标,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,飞行方向,1、框标坐标系(o-xy),三常用的坐标系统,o,大地坐标系是指高斯平面坐标和高程所组成的左手空间系；描述地面点的空间位置；摄影测量的成果最终转化到该坐标系中。,3、大地坐标系,用于表示像点量测坐标。,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,三常用的坐标系统,SO：主光轴,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,像平面坐标系o-xy表示像点在像平面内位置的平面直角坐标系。,三常用的坐标系,原点、轴向、作用,x,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,像空间坐标系s-xyz表示像点在像方空间位置的空间直角坐标系。,原点、轴向、作用,三常用的坐标系,(x,y,-f),(x,y,-f),O,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,摄影测量坐标系S-XYZ,原点、轴向、作用,像空间和物空间过渡性的坐标系；用于表示模型空间各点的位置，也可表示像点的空间位置。X轴大体上与航线方向或者反方向一致，Y、Z轴分别接近水平和铅垂。右手系,三常用的坐标系,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,原点、轴向、作用,地面辅助坐标系,过渡性的地面坐标系统。Z轴铅垂的摄影测量坐标系为地面辅助坐标系。摄影测量成果都在地面辅助坐标系中表示。简称地辅系。,三常用的坐标系,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,1、常用的坐标系统(CoordinateSystem),像空间坐标系,摄影测量坐标系,地面辅助坐标系,大地坐标系,像平面坐标系,三常用的坐标系统,Photocoordinatesystem,Imagespacecoordinatesystem,Photogrammetriccoordinatessystem,Geodeticcoordinatesystem,Objectspacecoordinatesystem,扫描坐标系,Scancoordinatesystem,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,框标坐标系,像空间坐标系,地面辅助坐标系,大地坐标系,像点,地面点,摄影测量,关系？,关系？,已知,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,框标坐标系,像空间坐标系,地面辅助坐标系,大地坐标系,像点,地面点,摄影测量,关系?,内方位元素,关系?,四像片的方位元素Elementoforientation,关系已知,？,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,四像片的方位元素Elementoforientation,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。,确定投影中心对像片的相对位置的参数；,x,y,z,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,四像片的方位元素Elementoforientation,内方位元素,框标坐标系、像平面坐标系、像空系之间的关系,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,四像片的方位元素Elementoforientation,内方位元素,每条摄影光线在像空系中有一个确定的方向。,作用：1、像点的框标坐标系向像空系的改化；2、确定摄影光束的形状；,S,x,y,o,a,A,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,框标坐标系,像空间坐标系,地面辅助坐标系,大地坐标系,像点,地面点,摄影测量,关系?,内方位元素,关系?,四像片的方位元素Elementoforientation,关系已知,？,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,外方位元素,确定摄影时像空系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。,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,四像片的方位元素Elementoforientation,外方位元素,外方位线元素:确定像空系的原点S在地辅系中的坐标；外方位角元素:确定像空系三轴在地辅系中的方向。,确定像空系在地辅系中位置和方向所需要的元素。,线元素,角元素,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,四像片的方位元素Elementoforientation,确定像空系的原点S在地辅系中的坐标；,外方位线元素,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,Z,Y,X,确定像空系三轴在地辅系中的方向。,S,o,x,y,z,四像片的方位元素Elementoforientation,外方位角元素,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,1)系统,偏角。z轴在XZ坐标面上的投影与Z轴的夹角。,倾角。z轴与XZ坐标面之间的夹角。,旋角。Y轴在xy坐标面上的投影与y轴的夹角。,确定x，y轴在自身平面内的方向,确定z轴的方向,作用,逆时针方向为正,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,o,x,y,y,x,z,S,Y,X,Z,o,1)系统,偏角。z轴在XZ坐标面上的投影与Z轴的夹角。,O,M,N,倾角。z轴与XZ坐标面之间的夹角。,旋角。Y轴在xy坐标面上的投影与y轴的夹角。,h,确定x，y轴在自身平面内的方向,确定z轴的方向,作用,逆时针方向为正,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,S-XYZ,S-XYZ,第一次旋转,1)系统,绕Y轴,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,1)系统,S-XYZ,第二次旋转,绕X轴,x,y,X,X,Y,Z,S,S-XYZ,o,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,1)系统,绕Z轴,S-xyz,第三次旋转,Z,X,Y,S,S-XYZ,Y,X,o,z,第二讲航摄像片的投影关系与方位元素,CentralProjectionandElementsoforientation,S-XYZ,S-xyz,Y-X-Z,1)