摄影测量基础知识 3

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,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。,3、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,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,5、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的关系,二、空中摄影,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,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的最大偏离度L,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：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。,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,一、中心投影与正射投影,投影：用一组假想的直线将物体向几何面上投射,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,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,1、透视变换中的重要点、线、面,3.3航摄像片上特殊的点、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,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；旁向两边对应框标连线作为y轴；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,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:,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,物方坐标系:描述地面点在物方空间的位置,1、摄影测量坐标系（PXpYpZp）,将像空间辅助坐标系Suvw沿着w轴反方向平移至地面点P，得到的坐标系PXPYPZP，称为摄影测量坐标系。由于它与像空间辅助坐标系平行，因此很容易由像点的像空间辅助坐标求得相应的地面点的摄影测量坐标。,2、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），及高程坐标系（如1985年黄海高程系），左手系。,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。其坐标原点在测区内的其一地面点上，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。摄影测量中，首先将摄影测量坐标转换成地面摄影测量坐标，最后再转换成地面直角坐标。,3、地面摄影测量坐标系（D-XYZ）,w,v,u,S,D,P,a(x,y,-f),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。内方位元素外方位元素,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，y0,二、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,2、外方位角元素,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。,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,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。,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）,3.6像点坐标变换,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),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,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。,对于平坦地面拍摄的一张水平像片，称为理想像片。,像点位移包括因像片倾斜引起的像点位移和因地面起伏引起的像点位移（投影差）。,一、地面水平时，像片倾斜引起的像点位移1、像片倾斜的像点位移某地面点在航摄像片上的构像位置，相对于同摄站同摄影机拍摄的水平像片上的构像位置的差异，称为因像片倾斜产生的像点位移。,根据等角点的特性有：,2、特性（1）当时，即等比线上的点不会因像片倾斜产生像点位移（2）当，即在一、二象限内，像点位移朝向等角点（3）当，即在三、四象限内，像点位移背向等角点（4）当时，主纵线上点的位移最大,摄影测量中，因像片倾斜产生的影像变形改正称为像片纠正。,1、像片上的投影差由地形起伏引起的像点位移也称为像片上的投影差。它是中心投影与正射投影在地形起伏情况下产生的差异。,二、像片水平时，地面起伏引起的像点位移,2、特性（1）因地形起伏引起的像点位移是随所选择基准面的高程不同而不同的。（2）地形起伏引起的像点位移表现在以像底点为中心的辐射线上。（3）地形起伏像点位移的符号与该点的高差符号相同。,除了上述两种原因引起的像点位移外，物镜畸变、大气折光