摄影测量学第二章课件

1,摄影测量学,测绘工程系：杜子涛,2,目录,第二章影像获取2.1摄影原理与摄影机2.2航空影像获取2.3遥感影像,3,一、摄影的诞生与发展1839年，阿拉戈发明摄影术为摄影测量提供了基本手段；1851年，法国陆军上校劳赛达提出交会摄影测量并测绘了万森城堡图，标志着摄影测量的开始；1858年，法国摄影师纳达尔乘坐气球在巴黎郊外80m上空拍摄了世界上第一张航空影像；1860年，美国人布莱克在热气球上拍摄了波士顿的航空像片；1885年，法国人乘坐气球从2000英尺高空拍摄了巴黎的航空像片；1903年，莱特兄弟发明了飞机使航空摄影和航空摄影测量成为可能；1906年，美国人劳伦仕用17只风筝吊着巨型相机拍摄了旧金山大火；第一次世界大战期间，首台航摄仪的问世、立体坐标量测仪和1318立体测图仪的使用，真正开始了摄影测量学。,2-1摄影原理与摄影机,4,一、摄影的诞生与发展1957年10月4日前苏联第一颗人造地球卫星发射。航天技术的发展使遥感的高度延伸到了太空，使人类能在一个前所未有的高度，以各种时间、空间分辨率观测地球。光电技术、电子技术的发展使人类开始利用紫外、红外及微波波段，拓展和丰富了人类的感知能力。遥感从单纯的摄影方式发展到了可探测感知近、中、热红外波段的光电探测方式和微波辐射、雷达等各种方式共存。计算机技术的发展使遥感数据的分析处理技术进入了半自动化和智能化，改变了过去仅依靠人和光学设备进行目视解译的状况。,2-1摄影原理与摄影机,5,由初中物理知道：,二、摄影原理（凸透镜成像规律）,其中，u是物距，v是像距，f是焦距。,2-1摄影原理与摄影机,6,当u2f时，f2f，成倒立，放大，实像例如：幻灯机，投影机，电影机。当u=f时，v=无穷大，此时无像；当uf，成正立、放大、虚像例如：放大镜,2-1摄影原理与摄影机,二、摄影原理（凸透镜成像规律）,7,三、摄影机摄影机是人们经常接触的东西，摄影机的镜头相当于凸透镜，胶卷相当于光屏，机壳相当于暗室，被拍照的物体到镜头的距离要远远大于焦距才能在胶卷上得到倒立、缩小的实像。摄影机的摄影的基本原理就是根据凸透镜的成像的原理，用一个摄影物镜代替凸透镜，在像面出放置感光材料，物体的投射光线经摄影物镜后聚焦于感光材料上，感光材料受成像光线的光化学作用后生成潜像，再经过摄影处理得到光学影像。,2-1摄影原理与摄影机,8,三、摄影机,摄影物镜,2-1摄影原理与摄影机,9,1、摄影物镜摄影物镜：相机上由凸透镜或凹凸透镜组合成的精密光学成像系统。组合透镜成像1、利用单个透镜逐次成像分析方法2、利用透镜组的“等效透镜”成像,2-1摄影原理与摄影机,10,等效透镜的基本点、线、面,2-1摄影原理与摄影机,11,主光轴：透镜组诸透镜球面曲率的中心连线。主焦点（F,F):平行于主光轴的光线通过透镜组后与主光轴的交点。主平面（Q,Q):过等效折射点（h,h)且垂直于主光轴的平面。主点（s,s)：主平面与主光轴的交点。主焦距：主焦点到主点间距离。节点（k,k）：主光轴上角的放大率为1的一对光学共轭点，即其折射光线和投射光线方向一致。（光线通过共轭节点时，角放大率为1；物方与像方同介质时，k,k分别与s,s重合）。,2-1摄影原理与摄影机,12,2、物镜的成像公式高斯成像公式：牛顿成像公式：,2-1摄影原理与摄影机,13,3、物镜的光圈和光圈号数实际使用的物镜都不是理想的，通过物镜边缘部分的投射光线都会引起较大的影像模糊和变形，为限制物镜边缘部分的使用，并控制和调节进入物镜的光量，通常在物镜筒中间设置一个光圈。现代摄影机都采用虹形光圈，它是由多个镰形黑色金属簿片组成，中央形成一个圆孔孔径的大小可用光圈环调节，它是一个可以改变的光栏。,2-1摄影原理与摄影机,14,3、物镜的光圈和光圈号数,2-1摄影原理与摄影机,15,3、物镜的光圈和光圈号数光圈:控制物镜进光面积的可变光阑。1、调节物镜使用面积作用（；-有效孔径）2、控制焦面光通量3、调节成像景深,有效孔径与物镜焦距F之比，作为控制影像亮度的一个因素，称之为相对孔径，其倒数就是光圈号数（k=F/）。,2-1摄影原理与摄影机,16,焦面上影像的亮度与光圈号数的平方成反比，使用的光圈号数越大，影像亮度就越小，摄影时只要选择适当的光圈号数和配以一定的曝光时间就能得到需要的曝光量。HEt（其中E为照度，t为曝光时间）曝光时间与照度的关系为：曝光时间与光圈号数的关系为如果曝光时间改变一倍，则光圈号数则改变倍。,光圈号数k以为公比成等比级数排列并标刻在物镜外框上（1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22）,2-1摄影原理与摄影机,17,3、物镜的光圈和光圈号数,2-1摄影原理与摄影机,18,4、摄影机快门快门：控制曝光时间的装置。作用1、控制曝光时间2、与光圈配合控制曝光量快门速度t：快门从开启到关闭所经历的时间。t以1/2为公比成等比级数排列，标刻在物镜外框（1，1/2,1/4，1/8，1/15，1/30，1/60，/125,1/250),2-1摄影原理与摄影机,19,5、曝光量H与K,t的关系曝光量：感光材料所受辐射光量的多少。（;E-焦面照度；）设对同一景物拍摄二次，分别使用和，为了得到相同的正确曝光量H（对某种感光材料，正确曝光量H为定值），则,2-1摄影原理与摄影机,20,可见，当快门速度放慢为原来的n倍（即改变n档）只要，光圈号数增大为原来的倍（亦即n档），则，曝光量保持不变（对t加快，k减小也成立）。例：已知胶卷在晴天阳光下获得正确曝光量的参考方式是K=16,t=1/125秒,则都能获得正确的曝光量,2-1摄影原理与摄影机,21,6、拍摄景深景深：物方能够清晰成像的一段物距景深显然，当D,K,FD,2-1摄影原理与摄影机,22,景深,23,7、像场和像场角视场：光线通过物镜后，焦面上照度不均匀的光亮圆为镜头的视场。像场：摄影时，影像相当清晰的一部分视场内的光亮圆。视场角：由物镜后节点向像场边缘射出的光线所张开的角，用2a。最大像幅：像场内圆内接正方形或矩形成为最大像幅。,2-1摄影原理与摄影机,24,在焦距相同的条件下，像场角越大，摄影的范围也越大。在像幅尺寸相同的条件下，像场角越大，摄影的范围也越大。,2-1摄影原理与摄影机,25,一、摄影机简介航空摄影测量，由于其具有成图速度快、精度高、不受气候及季节的限制等优点，一直是我国基本地图成图的主要方式，因此航空摄影测量仍然作为测制地形图获取影像的主要手段。航空摄影测量主要使用的是专用的量测航空摄影机，随着数字摄影测量的发展，有时也使用非量测相机。,2-2航空影像获取,26,一、摄影机简介1、普通摄影机,2-2航空影像获取,27,2、量测用摄影机,2-2航空影像获取,28,航空摄影机特性：物镜成像分解力高物镜成像畸变差小（1）光学特性物镜透光率高光学影像反差大焦面照度均匀（2）焦面上设置有框标（3）有胶片压平系统（4）像距为定值（主距）（5）有减震装置,2-2航空影像获取,29,（6）有影像位移补偿装置（7）抗温差、抗过载,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F150mm。中焦距航摄机，其焦距为150mm300mm。长焦距航摄机，其焦距为F300mm。,2-2航空影像获取,30,什么是框标？框标：设置在摄影机焦平面（承影面）上位置固定的光学机械标志，用于在焦平面上（亦即像片上）建立像方坐标系。框标的形式有,2-2航空影像获取,31,32,遥感(RemoteSensing)概念广义：泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波等的探测。狭义：是从远处探测感知物体，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标地物的属性。,2-3遥感影像获取,33,信息的接收,预处理,用户应用处理,信息的应用,目标物的信息特征,信息的获取,遥感系统,2-3遥感影像获取,34,一、遥感技术发展特点追求更高的空间分辨率。追求更精细的光谱分辨率。美国制定的EOS计划(地球观测计划)就包括有中分辨率和高分辨率的成像光谱仪。综合多种遥感器的遥感卫星平台。一颗卫星装备多种遥感器，既有高空间光谱分辨率、窄成像带的遥感器，适合于小范围详细研究，又有中低空间光谱分辨率、宽成像带的遥感器，适合宏观快速监测，两者综合，服务于不同的需求。,2-3遥感影像获取,35,一、遥感技术发展特点多波段、多极化、多模式合成孔径雷达卫星。合成孔径雷达具有全天候和高空间分辨率等特点。斜视、立体观测、干涉测量技术的发展。可见光斜视、立体观测可以用于卫星地形测绘，干涉测量技术是利用相邻两次的合成孔径雷达影像进行地形测量和微位移形变测量的技术。遥感的应用领域不断拓展，从传统的军事侦察和测绘发展到林业、地质、农业和土地利用、气象、环境和工程选址等各种行业。,2-3遥感影像获取,36,二、常见遥感影像卫星,LANDSAT/MSS、TM、ETM+SPOT/HRVCBERS北京一号小卫星HJ-1-A、B卫星介绍,37,1、Landsat-X/MSS/TM/ETM+,80年代,美国分别发射了第二代试验型地球资源卫星(Landsat45)。卫星增加了新型的专题绘图仪TM,可通过中继卫星传送数据。TM的波谱范围比MSS大,每个波段范围较窄,因而波谱分辨率比MSS图像高,其地面分辨率为30m。Landsat-5卫星是1984年发射的，现仍在运行。,70年代,美国研制发射了第一代试验型地球资源卫星(Landsat-1、2、3)。这三颗卫星上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪MSS,分别有3个和4个谱段，分辨率为80m。,38,轨道,90年代，美国又分别发射了第三代资源卫星(Landsat-6,7)。Landsat-6卫星是1993年发射的，因未能进入轨道而失败。1999年发射了Landsat-7卫星，以保持地球图像、全球变化的长期连续监测。该卫星装备了一台增强型专题绘图仪ETM+，该设备增加了一个15m分辨率的全色波段，热红外信道的空间分辨率也提高了一倍，达到60m。,39,Landsat-1到Landsat-7的卫星参数,1972年发射，至今已经发射了7颗。每天绕地球15圈，重访周期16天。美国资源卫星每景影像对应的实际地面面积均为185km185km。,40,MSS(MultiSpectralScanner,多光谱扫描仪),BAND4:0.50.6umGreenBAND5:0.60.7umRedBAND6:0.70.8umNear-InfraredBAND7:0.81.1umNear-Infrared80MSpatialresolution,41,TM（ThematicMapper，即专题绘图仪）,42,43,ETM+（EnhancedThematicMapper，即增强-加型专题制图仪）,LANDSAT-7:增加了15米的全色波段，热红外波段分辨率提高到60米。,44,2、SPOT卫星/HRV（PourlObservationdelaTerre）,(FrenchEarthobservationsystem),45,3.2SPOT/HRV,1978年2月，法国政府批准的一项“地球观测试验卫星计划”设计的时候考虑了不同地球观测任务的需要，根据每颗卫星任务的不同，确定不同的有效载荷，而平台不作大的改动，为“积木式”结构。平台可以绕航偏轴转动，以便把图象的地球自转考虑在内，因此SPOT的图象是矩形的，而不像LANDSAT的图象是倾斜的。,46,SPOT不间断数据采集,连续、稳定、可靠的遥感数据源。为长期进行土地利用监测提供数据保障。,47,SPOT卫星系列与历史,48,SPOT系列卫星的轨道特点,SPOT卫星轨道基本特点：近极地、近圆形、与太阳同步、可重复。近极地轨道：有利于增大卫星对地面总的观测范围。近圆形轨道：不同地点的卫星影像如果要相互比较或融合，最好是它们在同一高度被获取。卫星设计成近圆形轨道使得卫星与地面间的高度保持一致。与太阳同步：在对不同日期获取的影像比较时，为了保证比较的效果，需要影像都是处于相同的太阳照度之下。这就要求卫星保持与太阳同步即卫星轨道平面与太阳方向之间的夹角是恒值。卫星轨道这样设计，能保证在同一当地时间内飞过给定的地点（降交点当地时间上午10点半）。可重复轨道：SPOT卫星的轨道重复周期为26天。由于SPOT卫星具有侧摆成像能力且有多颗卫星同时运行，单星对同一地点的重复观测时间可缩短为2-3天，多星则可提高到1天。,49,HRV传感器,基本原理：在望远镜的焦距平面上放置一条CCD线性陈列的探测器，构成地面上的一条影象线，卫星沿影象线的垂直方面运行。则形成连续的地面影象。,(HighResolutionVisiblerangeinstruments，高分辨率可见光遥感器）,50,CCD的优点,1）CCD线阵上的每个点同时露光，保证了每个点上都有最大限度的曝光时间。2）机械部件大大简化，运行稳定，几何精度比较高。3）灵敏度高，可以探测到地面0.5的反射变化信息。,51,HRV的波谱设计,1）全色波段0.510.73微米，10米，6000个CCD2）多光谱波段，20米，3*3000个CCD0.5000.590微米：Green0.6100.680微米：Red0.7900.890微米：Near-Infrared,设计时考虑的4点：植被、水体、土壤、与TM的兼容性等,SPOT4的遥感器增加了新的中红外谱段，可用于估测植物水分，增强对植物的分类识别能力，并有助于冰雪探测。该卫星还装载了一个植被仪，可连续监测植被情况。,52,SPOT卫星的独特处（1）,在不同的轨道以不同角度拍摄地面上的同一点。有利于大面积的测图。,53,SPOT-独特之处（2）,立体观测能力不同的角度对同一地区的摄影构成立体像对，提供了立体观测地面、描绘等高线或建立数字高程模型的可能性。,54,Spot5明星新一代,55,SPOT5的波段设置、分辨率及成像幅宽,56,SPOT卫星数据和服务价目单,57,3、CBERS,中巴地球资源卫星(CBERS)是中国和巴西联合发射升空的资源卫星。1999年10月14日，中巴地球资源卫星01星（CBERS-01）成功发射，在轨运行3年10个月；02星（CBERS-02）于2003年10月21日发射升空，目前仍在轨运行。,58,资源一号卫星传感器的基本参数,59,3、CBERS,2007年9月19日，资源02B星在中国太原卫星发射中心发射，并成功入轨，2007年9月22日首次获取了对地观测图像。02B星是具有高、中、低三种空间分辨率的对地观测卫星，搭载的2.36米分辨率的HR相机改变了国外高分辨率卫星数据长期垄断国内市场的局面，在国土资源、城市规划、环境监测、减灾防灾、农业、林业、水利等众多领域发挥重要作用。,60,02B星有效载荷及性能指标,61,4、北京一号小卫星,北京一号小卫星于2005年10月27日在俄罗斯普列谢斯克(卫星发射场成功发射。北京一号是一颗具有中高分辨率双遥感器的对地观测小卫星，卫星重量166.4公斤、轨道高度686公里、中分辨率遥感器为32米多光谱，幅宽600公里，高分辨率遥感器为4米全色，幅宽24公里，卫星具有侧摆功能，在轨寿命5年（推进系统7年）。,62,卫星性能,卫星重量：166.4公斤外形尺寸（mm）：900（长）770（宽）912（高）寿命：5年（推进系统7年）卫星轨道：标称686km的太阳同步轨道，升交点地方时10:45传感器32米多光谱传感器：扫描宽度600公里；波谱范围：绿、红、近红外4米全色传感器：扫描宽度24公里星上存储容量：244G具有卫星侧摆能力,63,5、HJ-1-A、B卫星介绍,环境与灾害监测预报小卫星星座A、B星(HJ-1A/1B星)于2008年9月6日上午11点25分成功发射。HJ-1-A星搭载了CCD相机和超光谱成像仪（HSI），HJ-1-B星搭载了CCD相机和红外相机（IRS）。在HJ-1-A卫星和HJ-1-B卫星上均装载的两台CCD相机设计原理完全相同，以星下点对称放置，平分视场、并行观测，联合完成对地刈幅宽度为700公里、地面像元分辨率为30米、4个谱段的推扫成像。,64,5、HJ-1-A、B卫星介绍,此外，在HJ-1-A卫星装载有一台超光谱成像仪，完成对地刈宽为50公里、地面像元分辨率为100米、110128个光谱谱段的推扫成像，具有30侧视能力和星上定标功能。在HJ-1-B卫星上还装载有一台红外相机，完成对地幅宽为720公里、地面像元分辨率为150米/300米、近短中长4个光谱谱段的成像。,65,HJ-1-A、B卫星主要载荷参数,66,6、美国空间影像公司的IKONOS影像,IKONOS卫星是由SpaceImaging公司于1999年9月24日发射的世界第一颗商用高分辨率成像卫星。空间分辨率分为1m（米）和4m(米)两种。像幅宽为11km（千米），每日环绕地球飞行14圈，即每98分钟一圈，重复周期为3天。卫星距地球表面高度为650km（千米）。1景约相当于地面11km*11km（平方千米）的面积。,67,6、美国空间影像公司的IKONOS影像,数据报价,价格随着市场波动，仅供参考。,68,7、美国QUICKBIRD,DigitalGlobe公司是一个影像数据公司，总部位于Longmont,Colorado.网址：DigitalGlobe公司已在10月18日成功地发射了QuickBird卫星。QuickBird卫星能够提供具有行业领先水平的0.61米全色（黑白）和2.44米多光谱（可见光、红外波段）数据。,69,7、美国QUICKBIRD,70,QuickBird卫星影像存档数据价目表,71,8、GeoEye-1卫星,2008年9月6日，GeoEye宣布在加州的范登堡空军基地成功发射了GeoEye-1，这是世界上分辨率最高的商业地球成像卫星。GeoEye-1卫星特点真正的半米卫星：全色影像分辨率0.41米，多光谱影像分辨率1.65米，定位精度达到3米大规模测图能力：每天采集近70万平方公里的全色影像数据或近35万平方公里的全色融合影像数据重访周期短：3天（或更短）时间内重访地球任一点进行观测,72,8、GeoEye-1卫星,73,9、WorldView卫星系统,是Digitalglobe公司的下一代商业成像卫星系统。它由两颗(WorldView-I和WorldView-II)卫星组成，其中WorldView-I已于2007年发射，WorldView-II也在2009年10月份发射升空。,74,9、WorldView卫星系统,WorldView-I卫星发射后在很长一段时间内被认为是全球分辨率最高、响应最敏捷的商业成像卫星。该卫星将运行在高度450公里、倾角980、周期93.4min的太阳同步轨道上，平均重访周期为1.7天，星载大容量全色成像系统每天能够拍摄多达50万平方公里的0.5米分辨率图像。卫星还将具备现代化的地理定位精度能力和极佳的响应能力，能够快速瞄准要拍摄的目标和有效地进行同轨立体成像。,75,9、WorldView卫星系统,WorldView-II卫星于2009年10月6日发射升空，运行在770km高的太阳同步轨道上，能够提供0.5米全色图像和1.8米分辨率的多光谱图像。星载多光谱遥感器不仅将具有4个业内标准谱段（红、绿、蓝、近红外），还将包括四个额外（海岸、黄、红边和近红外2）。多样性的谱段将为用户提供进行精确变化检测和制图的能力，由于WorldView卫星对指令的响应速度更快，因此图像的周转时间（从下达成像指令到接收到图像所需的时间）仅为几个小时而不是几天。,76,10、其它高分辨率数据,OrbView-3：为美国GeoEye公司拥有的高分辨率商用光学卫星，于2003年6月发射升空，在470公里外太空拍摄地球表面地物、地貌等空间信息。数据可广泛应用于各个领域，例如通信、石油、天然气、测绘、农业、林业，以及国防等。IRS-P6（IRS系列）：2003年10月在印度空间发射中心发射升空，该星是印度IRS-1卫星系列的成功延续。在IRS-P6卫星上搭载着LISS-、LISS-及AWiFS传感器，接收空间分辨率为5.8米的全色图像信息和空间分辨率分别为23.5米和56.0米的多光谱图像信息。主要应用于城市规划、灾害监测、地图制图与更新、环境及农业监测、国土资源调查等领域，具有分辨率高、重访周期短、覆盖范围大等特点。,77,IRS-P6,78,IRS-P6卫星数据价格,79,几种典型的高分辨率商业遥感卫星,80,11、NOAA/AVHRR,NOAA：美国气象卫星，数据空间分辨率分为1.1km（千米）和4km（GlobalAreaCoverage(GAC)模式）两种；温度分辨率为1度；一天可以重复4次获得图像，周期为101.4分钟。共发射15颗。装备AVHRR（AdvancedVeryHighResolutionRadimeter）。Channel1:0.580.68um白天云图，地表图象RedChannel2:0.721.1um白天云图，水、冰、云、雪Red-Near-InfreardChannel3:3.55-3.93umNear-InfraredChannel4:10.311.3umThermal-InfreardChannel5:11.512.5umThermal-Infrared,81,12、中分辨率成像光谱仪（MODIS）,中分辨率成像光谱仪（MODIS,Moderate-resolutionImagingSpectroradiometer）是美国宇航局研制大型空间遥感仪器。它在36个相互配准的光谱波段、以中等分辨率水平（0.25Km1Km）、每12天观测地球表面一次。获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。MODIS测量的基本目标可概述如下：1)陆地和海洋表面的温度和地面火情。2)海洋，水中沉积