第3章摄影测量学

1、第3章 摄影测量学南阳师范学院 测绘工程专业主讲：王永丽内容纲要： 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 摄影测量的一些基本原理摄影测量的一些基本原理 3.3 3.3 恢复（确定）影像方位元素的方法恢复（确定）影像方位元素的方法 3.4 3.4 数字摄影测量与影像匹配数字摄影测量与影像匹配 3.5 3.5 摄影测量的应用摄影测量的应用 3.6 3.6 数字摄影测量与计算机视觉数字摄影测量与计算机视觉 3.7 3.7 数字摄影测量的发展与展望数字摄影测量的发展与展望3 .1 概 述 摄影测量是一门通过摄影, 对所获得的影像进行测量 (特别是测绘 国家基本比例尺地形图)的学科。 它的基本原理来

2、自测量的交会方法。 3 .1 .1 什么是摄影测量学摄影测量是在物体前的两个已知位置 ( 称为摄站 ) 摄取两张影像 : 左 影像与右影像 , 然后在室内利用摄 影测 量仪器 量测左右影像上的同名点 (空 间同一个点在左、右影像上的像点 称为同名点) : a 1 、 a2 的影像坐标 ( x1 , y 1 ; x2 , y2 ) , 交会得到空间点 A 的空间坐标 ( X , Y , Z)。 摄影测量的前方交会原理如图 3 -3 所示 , S1、S2 为左、右摄站 , p1 、p2 为摄取的左右影像 ,a1 、a2 为左、右影像上的同名点。 通过像点(如 a1 )也能获得摄影光线 S1a1 的

3、水平角、垂直角。 因此它与经纬仪一样 , 利用两张 影像 进行前方交 会 , 如直线 S1a1 与S2a2 交会于一个空间点 A , 获得其空间坐标( X , Y , Z)。摄影测量不仅仅可以测量一个空间的点 , 而且能利用影像重建空间的三维物体的模型。3 .1 .2 摄影测量的分类 根据对地面获取影像位置的不同 , 摄影测量可以分为航空摄影测量、航天摄影测量与地面 (或 近景)摄影测量。 摄影测量最主要的摄影对象是地球表面, 用来测绘国家各种基本比例尺的地形图,为各种地理信息系统与土地信息系统提供基础数据。航空摄影测量 航空摄影测量是将摄影机安装在飞机上, 对地面摄影, 这是摄影测量最常用的

4、方法。 摄影时, 飞机沿预先设定的航线进行摄影, 相邻影像之间必须保持一定的重叠度 称为航向重叠 , 一般应大于 60% 。 互相重叠部分构成一个立体像对。 完成一条航线的摄影后 , 飞机进入另一条航线进行摄影 , 相邻航线影像之间也必须有一定的重叠度 称为旁向重叠 , 一般应大于 20% 。 航 空 摄 影 测 量 测 绘 的 地 形 图 比 例 尺 一 般 为 1 5 万、 1 1 万、 1 5 000、 1 2 000、1 1 000、1 500 等。 航空摄影测量所用的是一种专门设计的大幅面的摄影机 , 称为航空摄影机, 影像幅面一般为 230 mm230 mm。到目前为止, 航空摄影

5、机多数是基于胶片的光学摄影机 , 但是当 前已经开始应用大幅面的数码航空摄影机。 随着数码技术与数字摄影测量的发展 , 大幅面的数码航空摄影机将逐步替代传统的光学航空摄影机。2 . 航天摄影测量 航天摄影测量是随着航天、卫星、遥感技术的发展而发展起来的摄影测量技术 , 它将摄影机(一般称为传感器) 安装在卫星上 , 对地面进行摄影。 用于航空、地面摄影的摄影 机一 般多为 框幅 式的 ( frame camera ) , 即 每次摄影都能得 到 一 帧 影 像 ; 但 是 在 卫 星 上 应 用 的 多 数 是 由 CCD 组 成 的 线 阵 摄 影 机 , 即每 一 次 只 能 得 到 一

6、行 影 像。 相 对 于 “ 线 阵”CCD ( linear CCD array ) , 上 述 的DMC 航空数码摄影机被称为面阵 CCD。 目前常用的卫星影像及其相应的测图与地图更新比例尺如下表。 3 . 地面(近景) 摄影测量 地面摄影测量是将摄影机安置在地面上进行测量。地面摄影测量既可以利用测量专用的摄影机 (称为量测摄影机)进行, 也可以利用一般的摄影机( 称为非量测摄影机) 进行。 地面摄影测量可以用来测绘地形图 ,也可以用于工程测量。 一切用于非地形测量的摄影测量均称为近景摄影测量。 它的应用范围 很宽 , 例如工业、建筑、考古、 医学测量等。3 .1 .3 摄影测量的发展 1

7、8511859 年法国陆军上校劳赛达特提出的交会摄影测量 , 被称为摄影测量学的真正起点。 从空中拍摄地面的照片, 最早是1858年纳达在气球上进行的。1903 年莱特兄弟发明了飞机 , 使航空摄影测量成为可能。 第一次世界大战期间第一台航空摄影机问世。 由于航空摄影比地面摄影具有明显的优越性(如视场开阔、能快速获得大面积地区的像片等) , 航空摄影测量成为 20 世纪以来大面积测制地形图最有效的快速方法。 随着电子计算机的问世 , 便出现了始于 50 年代末 的解 析空中 三角 测量 (精确测定点位空间三维坐标的摄影测量方法)和解析测图仪与数控正射投影仪 ( 利用数字投影方法进行量测、制图和

8、制作正射像片)。 进入 80 年代 , 随着计算机进一步发展 , 摄影测量的全数字化 数字摄影测量系统开始研究与发展。 90 年代数字摄影测量系统 (主要是工作站)进入实用化阶段 , 90 年代末数字摄影测量系统开始全面替代传统的摄影测量仪器 , 摄影测量生产真正步入了全数字化时代。 因此 , 摄影测量的发展经历了模拟、解析和数字摄影测量三个阶段。 3 .2 摄影测量学的一些基本原理 摄影测量是利用每个影像的像点摄影光线(在量测时, 称为投影光线)进行交会 , 获得对应点的物方空间坐标。 三维空间点 A( X , Y , Z )、摄影中心S ( X S , Y S , ZS ) 与对应像点a(

9、 x, y) , 三点一定位于一条直线上。 从数学的意义上而言“三点共线”可用共线方程描述, 这是摄影测量的基本出发点。为了利用投影光线进行交会, 必须恢复摄影影像上每一条投影光线 (直线 ) 在空间的位置与方向, 这就必须引入摄影机的内、外方位元素。3 .2 .1 影像与物体的基本关系1 . 影像与地图、影像地图 影像是物体的中心投影, 而地图是地面在水平面上垂直( 正 射) 投影的缩小,两者是不同的。从这个意义上说, 摄影测量可以被认为是研究并实现由中心投影( 影像 )转换为正射投影(地图) 的科学与技术。3 .2 .2 影像与地图的关系2 . 纠正仪、正射纠正仪 图 3 -21 为纠正仪

10、 ( 属模拟 摄影测量仪器 ) , 用于将平坦 地区的影像纠正为影像图。 图 3 -22为正射投影仪(属解析摄影测量仪器 ) , 用于将不平坦地区( 丘陵地区、山区) 的影像进正射纠正为影像图, 又称为正射影像图( DOM) 。3 .2 .3 摄影机的内方位元素 从几何上理解, 摄影机是一个四棱锥体 , 其顶点就是摄影机物镜的中心S, 其底面就是 摄影机的成像平面(影像) , 如图 3 -13 所示。 摄影中心到成像面的距离称摄影机的焦距 f , 摄 影中心到成像面的垂足o 称为像主点 , So 称为摄 影机 的主光 轴。 主点离影像中心点的 位置x0 、y0确定了像主点在影像上的位置。 f、

11、 x0 、 y0 一起称为摄影机的内方位元素。 内方位元素可以通过摄影机检校(在计算机视觉中称为标定) 获得。 测量专用的摄影机在出厂前由工厂对摄影机进行过检校 , 其内方位元素是已知的, 则称为量测摄影机 , 否则称为非量测摄影机。 作为量测的光学摄影机还有一个很重要的标准 , 即在被摄的影像上有标记( 称为框标) , 一般有4(或 8 )个。 如图 3 -14 所示 , 对角框标中心的连线的交点 , 就表示影像的中心。 因此在摄影测量过程中 , 对准框标是很重要的步骤 , 它被称为内定向。 对于数码摄影机 , 其成像平面上是 CCD 元件 的规则排列。 一个 CCD 元件就是一个成像的单元

12、 , 称为像元( pixel) , 如图 3-15 所示。 卫星影像的 “地面 分辨 率”就是一个像元所对应地面(地面元) 的大小 , 因此地面元越小 , 影像的分辨率越高3 .2 .4 摄影机的外方位元素 欲确定投影光线 S a 在物方 空间的位置 , 就必须确定 (恢 复)摄 取影像时摄影机 的 “ 位 置”与 “ 姿 态”,即摄影时摄影机在物方空间坐标 系中的 位置 X S 、 Y S 、 ZS 和摄影 机的 姿 态角 、 、, 这 6 个 参数就是摄影机的外方位元素 , 如图 3 -17 所示。 在恢复摄影机的内外方位元素后 , 投影光 线 Sa通过空间点 A , 即三点共线。3 .2

13、 .5 共线方程 在模拟摄影测量时代， 用精密的金属导杆代替投影光线 ,实现三点共线。 但是进入解析、 数字摄影测量时代, 摄影测量仪器上就没有金属导杆, 它用数学公式来描述三点共线 , 其 共线方程为 : 用来描述三点共线的数学公式 共线方程为 : 这是摄影测量最基本的方程式 , 它贯穿于整个摄影测量 , 被应用于摄影测量的各个方面 ,如空间后方交会、空中三角测量、数字测图、数字( 正射)纠正等。3 .2 .6 立体观测方法 立体观测方法是摄影测量的一个重要手段。利用立体像对与一对浮动测标，进行“立体观测”，测定同名点，是摄影测量的重要方法。1 . 天然立体视觉、视差、人造立体视觉 当人们用

14、双眼观测自然界时( 见图 3 -23 ) , 眼睛本身就相当于一个摄影机 , 自然界的景物(如点A、 B) 就在左、右眼睛的视网膜上分别产生两个影像, 在左 眼的影像为 a1 、 b1 , 右眼的 影像为 a2 、 b2。由于景物的深度(与眼镜的距离)不同，从而使得 a1 b1 a2 b2 , 它们的差称 为左右视差较 : p = a 1 b 1 - a2 b 2 假如人们在人的眼睛处( o1 , o2 )用摄影机对同一景物拍摄两张影像 p1 、p2 , 然后将照片放置在双眼前, 用观察左、右影像代替直接观测景物, 但是获得的视觉效果与天然立体视觉完全一样(如图3 -24) 。 这就是立体摄影

15、测量的基础 , 也是当今的计算机立体视觉与 “虚拟现实”的重要基础之一。2 . 人造立体观测的条件与立体观测方法 利用两张具有重叠度的影像进行人造立体观测的条件是 : (1) 分像, 即左眼只能看左影像 ,右眼只能看右影像, 而不能同时看到;(2)左右影像必须平行眼睛基线, 即不能上下岔开, 按摄影测量的术语则称 : 没有上下视差( y-parallax )。 满足上述条件进行立体观测 , 最常用的方法有 :1) 通过光学系统(如立体反光镜) 2) 互补色法(anaglyph)3 )同步闪闭法 (synchronized eyewear) 4) 偏振光法(polarizing grasses)

16、5）裸眼立体技术3 .3 恢复( 确定)外方位元素的方法 获得摄影机的外方位元素有很多种方法获得摄影机的外方位元素有很多种方法 , 其中主要有其中主要有空间后方交会空间后方交会、空中、空中三角测量与区域网平差、相对定向与绝对定向以及在摄影过程中直接获取。三角测量与区域网平差、相对定向与绝对定向以及在摄影过程中直接获取。 一般确定两张影像的相对位置有两种方法：1.将摄影基线固定水平，对位独立像对相对定向。2.将左影像置平（或它的位置固定不变），称为连续像对相对定向。 相对定位元素有 5 个 , 例如连续像对相 对定位元素为 : 2 个基线分量 bX 、 bY 和右影像的 3个姿态角 2 、 2

17、、 2 , 因此最少需要量测 5 个点上的上下视差。 2. 立体模型的绝对定向 相对定向完成了几何模型的建立,但是它所建立的模型大小不一定、 坐标原点是任意的, 模型的坐标系与地面坐标系也不一致。绝对定向是对 相对定向所建立的模型进行平移、旋转和缩放。 绝对定向元素共有 7 个 : XG 、 YG 、 ZG 、 K、, 其 中 XG 、 Y G、 ZG 为模 型坐标系的平移参数 ;、K 为模型坐标系的旋转参数 ;为模型的比例尺缩放系数。 通过相对定向建立立体模型 , 再通过立体模型的绝对定向, 可恢复立体模型的绝对方位, 使模型与地面坐标系一致 , 当然也就恢复了两张影像的外方位元素(26 =

18、 5 + 7 = 12 个外方位元素) , 因此通过相对定向 + 绝对定向与两张影像各自进行后方交会恢复两张影像的外方位元素 , 两者是一致的。3.3.3 航带、区域模型的建立与区域网平差 对测绘工作而言 , 摄影测量可分为外业工作 与内 业工作 两大 部分。空中三角测量是摄影测量的一个重要环节 , 通过空中三角测量可以节省大量的外业控制工作。1.模型连接、建立航带模型和空中三角测量 模型连接就是利用三度重叠区内的公共点实现的。2.区域自由网的建立与区域网平差 由于航带之间也有20%的重叠度，航带与航带之间也有公共区，利用相邻航带之间公共区的同名点，就能将单航带模型连接起来，构建成区域模型。

19、没有控制点时构建成的区域模型称为自由网。3.3.4 GPS空中三角测量与POS系统的应用l GPS辅助空中三角测量原理：在航空摄影时需要在地面上设置一个GPS基准站，在飞机上也安置一台GPS，这样就能确定每个影像在摄影瞬间摄影中心的空间坐标，即每张影像外方位元素的三个直线分量（XS,YS,ZS）l 所谓POS系统，除GPS外，它还应用IMU（惯性系统）。POS系统可以在航空摄影过程中直接测定6个外方位元素XS、YS、ZS 、，从而可以极大的减少外业工作，提高摄影测量的效率。 数字摄影测量的另一个特点是用数字影像代替光学影像数字摄影测量的另一个特点是用数字影像代替光学影像 , 从而使得利用从而使

20、得利用计算机替代所有的光学、机械摄影测量仪器成为可能计算机替代所有的光学、机械摄影测量仪器成为可能 , 使数字摄影测量成为使数字摄影测量成为现实。现实。 数字影像是以按行、列排列的数字影像是以按行、列排列的“像素像素”（pixel）为基本单位，每个像素）为基本单位，每个像素的行号（的行号（I）与列号（）与列号（J）就是它的坐标）就是它的坐标x、y。由于数字影像的像素大小的数。由于数字影像的像素大小的数量级多为微米（一般小于量级多为微米（一般小于20微米），所以肉眼看不出像素，但是放大以后就微米），所以肉眼看不出像素，但是放大以后就能看到像素（马赛克现象）。能看到像素（马赛克现象）。 每个黑白影

21、像的像素用其每个黑白影像的像素用其“灰度灰度”（gray）表示，一般为）表示，一般为8为二进制（为二进制（1字字节），对于彩色图像，每个像素用三个基本颜色（红、绿、蓝）表示，因此节），对于彩色图像，每个像素用三个基本颜色（红、绿、蓝）表示，因此彩色影像的每个像素为彩色影像的每个像素为3*8（3字节）。字节）。3 .4 数字摄影测量与影像匹配3.4.1 数字摄影测量与数字影像 当今的数字摄影测量，产生数字图像有两个途径，即直接由航空数码当今的数字摄影测量，产生数字图像有两个途径，即直接由航空数码相机或通过扫描仪对光学图像进行扫描。相机或通过扫描仪对光学图像进行扫描。 航空摄影数码摄影机也有像卫星

22、上的传感器一样，采用线阵列航空摄影数码摄影机也有像卫星上的传感器一样，采用线阵列CCD。 通常，对于一副通常，对于一副230mm230mm黑白航空影像，若按像素大小为黑白航空影像，若按像素大小为20进行扫描（数字化），其数据量为：进行扫描（数字化），其数据量为： 对于同样大小色彩影像，每个像元还要分成对于同样大小色彩影像，每个像元还要分成R、G、B三色，数据量三色，数据量还要增加还要增加3倍，一幅图像数据量可达倍，一幅图像数据量可达400MB。因此，数据量大是数字。因此，数据量大是数字摄影测量的一个特点。摄影测量的一个特点。3.4.2 数字图像处理 与传统的光学影像相比，摄影测量一个非常重要的

23、特点是可以直与传统的光学影像相比，摄影测量一个非常重要的特点是可以直接应用数字图像处理技术，解决摄影测量中的问题，实现摄影测量的接应用数字图像处理技术，解决摄影测量中的问题，实现摄影测量的自动化。自动化。1.数字图像处理与目标点的提取数字图像处理与目标点的提取2.数字图像几何变换与灰度重采样数字图像几何变换与灰度重采样 摄影测量需要对图像的几何形状进行处理，例如图像的平行、旋转摄影测量需要对图像的几何形状进行处理，例如图像的平行、旋转、缩放、影像纠正等。、缩放、影像纠正等。 当所求的原始影像上像点a的坐标（x，y）不是正数，即像点a不在像素的中心，此时a点的灰度g（x，y）就需要由图周边的几个

24、像元的灰度内插，这个过程就是“灰度重采样”。3.4.3 影像匹配原理 影像匹配就是自动确定影像匹配就是自动确定“同名点同名点”，实现摄影测量的自动化。为，实现摄影测量的自动化。为便于理解，我们首先用便于理解，我们首先用“数字识别数字识别”为例说明影像匹配原理。为例说明影像匹配原理。 影像匹配的原理与上述数字识别的过程基本相同。例：左影像有一个明显点（目标点）a1，怎样由计算机在右影像上确定其同名点a2影像匹配的基本步骤为：影像匹配的基本步骤为：（1）在左影像上以目标点）在左影像上以目标点a1为中心，取一块为中心，取一块影像的灰度建立一个目标区，图上目标区的大影像的灰度建立一个目标区，图上目标区

25、的大小为小为5*5的灰度阵列；的灰度阵列；（2）预测）预测a1在右影像上的同名点在右影像上的同名点a2可能的位可能的位置及其范围；置及其范围；（3）取预测的范围大小的灰度阵列，组成一）取预测的范围大小的灰度阵列，组成一个搜索区，搜索区范围一定大于目标区；个搜索区，搜索区范围一定大于目标区；（4）将目标区叠合在搜索区的初始位置上，）将目标区叠合在搜索区的初始位置上，计算其计算其“灰度的绝对值的总和灰度的绝对值的总和”：（5）依次在）依次在x方向、方向、y方向移动目标区，每移方向移动目标区，每移动一次就计算一个动一次就计算一个SDG；（6）比较所有的）比较所有的SDG，当，当SDG=min，该位，

26、该位置就是置就是a1在右影像上确定其同名点在右影像上确定其同名点a2.3.4.4 立体像对的核线与一维匹配核点：两个影像的摄影中心的连线（基线B）与影像的交点e1、e2核面：通过基线B所作的平面；核线：核面与影像的交线；同名核线：同一核面与左、右影像的交线。 确定同名核线后，搜索同名点的问题，就由原来的二维搜索变成一维搜索，这时搜索区的宽度与目标区的宽度相等；只需在一个方向进行，因此可以极大地节省计算时间。3.5 摄影测量的应用等高线与等高线测绘 等高线指的是地形图上高程相等的相邻各点所连成的闭合曲线。把地面上海拔高度相同的点连成的闭合曲线。垂直投影到一个水平面上，并按比例缩绘在图纸上，就得到

27、等高线。 等高距：相邻等高线的高程之差 ；等高距与地形图的比例尺、地区类型有关，比例尺越小，等高距越大。 首曲线、计曲线、间曲线、助曲线3.5.1 数字高程模型与等高线测绘2.数字高程模型（DEM） 数字地面模型主要有方格网与三角网两种形式。(1)方格网（grid）形式 方格网形式就是将地面 X Y 平面分成格网 , 格网的间隔 X、Y 是固定 的 , 因此表达地 面的形态只需按格网的行、列号记录每个点的高程 Z。 数字摄影测量中数字摄影测量中DEM的方格网点一般由的方格网点一般由影像匹配获得，也可以由等高线内插获得。影像匹配获得，也可以由等高线内插获得。方格网形式方格网形式DEM有很多应用，

28、如生成等高线、正射纠正、土方计算等有很多应用，如生成等高线、正射纠正、土方计算等。（2）三角网（TIN）形式 地形特征点指的是地形的坡度变化点。 若将结构相同的邻近特征点连接起来，则构成地形特征线山脊线、山谷线等。 利用特征线能最有效地表示地形。TIN就是将离散点按一定的规则连接成三角网。TIN不仅仅被应用在测绘，而且在工程设计、GIS关系分析等方面都有广泛的应用。 DEM的方格网（grid）与三角网（TIN）格式各有优缺点，不同的形式有不同的应用。在 DPW 中 , 数字纠正不论 “ 纠正” 还是 “ 正射纠正”, 它们都被视为正射纠正。具体步骤如下：3.5.2 数字纠正、正射纠正 人们的眼

29、睛是中心投影 , 当人们不断地改变视 点的位 置与 视线 的方向就能 得到不同的景观 , 而摄影测量就是由二维影像重建三维空间。传统的摄影测量只能用线画地形图来表达 , 例如用二维的等高线图表示地形 , 用二维的正射影像图来表示摄影测量的成果。但是 , 进入数字摄影 测量 时代 , 则可以用 影像表示三 维模型地形。 特别是由于计算机图形学及其相应的软件的发展 , 使 得人们 利用软 件 OpenGL 就 能实时地改变视点由各个角度观测所建立 的三维景观 , 因而摄 影测 量是当代科学虚 拟现 实 (V R) 技术的重要组成部分。3.5.3 三维景观影像 基于摄影测量与计算机视觉的技术正在越来

30、越广泛地应用于各个领域。其基本的原理是首先利用摄影的影像，构建三维数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）3.5.4 基于影像的三维建模3.5.5 城市建模 摄影测量与遥感是测绘学科的一个分支 , 因而与测绘学的其他分支学科有很密切的联系。但是随着摄影测量脱离传统的基于精密光学、机械仪器而进入完全的计算机时代 , 它必然与计算机的有关学科(如计算机图形学、模式识别、计算机视觉等) 也有着密切的关系。 计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信 息的能力 , 这 种能力将不仅使机 器感 知三维环境中物体的几何 信息 , 包 括它 的形 状、位置、 姿态、 运动 等 , 而且能对它们进行描述、 存储 , 识别与理解。 由于两个学科的背景不同、应用对象和要求也不同 , 两者的差异是必然 的, 与此同时,两者的结合也是必然的 , 而且会越来越紧密。3.6 数字摄影测量与计算机视觉 20 世纪 90 年代才开始进入数字摄影测量时代 , 如今正在迅速发展 : 如获取原 始数据的 种类与方法 , 过去只能获影像 , 现在还能直接得到外方位元素 , 甚