摄影测量原理

摄影测量原理第1页/共142页遥感影像地形图第2页/共142页传统摄影测量学定义摄影测量学是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科第3页/共142页摄影测量与遥感定义1988年ISPRS在日本京都第16届大会上定义：摄影测量与遥感是对非接触传感器系统获得的影像及其数字表达进行记录、量测和解译，从而获得自然物体和环境的可靠信息的一门工艺、科学和技术ISPRS(InternationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing)：PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandrepresentation.

第4页/共142页摄影测量学：定义各种类型传感器被摄物体影像通过量测和解译过程自然物体及其环境的可靠信息DEMDLGDRGDOM第5页/共142页RC30框幅式航摄仪第6页/共142页ADS40数字航摄仪第7页/共142页P31摄影经纬仪近景影像第8页/共142页航空光学影像第9页/共142页ADS40数字航空影像第10页/共142页第11页/共142页正射影像图三峡正射影象图：七条航带、175张航空影像第12页/共142页三峡景观图：七条航带、175张航空影像三维景观图第13页/共142页摄影测量：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地形摄影测量非地形摄影测量模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量按距离远近按用途按处理手段第14页/共142页遥感平台高度目的、用途其它航天飞机240～350km不定期地球观测、空间实验

无线电探空仪100m～100km各种调查（气象等）

超高度喷气机10000～12000m侦察、大范围调查

中低高度飞机500～8000m各种调查、航空摄影测量

飞艇500～3000m空中侦察、各种调查

直升机100～2000m各种调查、航空摄影测量

无线遥探飞机500m以下各种调查、航空摄影测量飞机、直升机牵引飞机50～500m各种调查、航空摄影测量牵引滑翔机气球800m以下各种调查

索道10～40m遗址调查

吊车5～50m地面实况调查

地面测量车0～30m地面实况调查车载升降台摄影测量与遥感：平台第15页/共142页摄影测量：特点无需接触物体本身获得被摄物体信息由二维影象重建三维目标面采集数据方式同时提取物体的几何与物理特性第16页/共142页摄影测量：任务之一地形测量领域各种比例尺的地形图、专题图、特种地图正射影像地图、景观图建立各种数据库提供地理信息系统和土地信息系统所需要的基础数据第17页/共142页摄影测量：任务之二非地形测量领域生物医学公安侦破古文物、古建筑建筑物变形监测第18页/共142页§1.2摄影测量学的发展历程第19页/共142页模拟摄影测量阶段

(1851-1970)解析摄影测量阶段

(1950-1980)数字摄影测量阶段

(1970-现在）摄影测量学的三个发展阶段第20页/共142页模拟摄影测量光学像片光学机械测图仪器人工建立立体模型人工量测和解译机械绘图图解线划地图像片影像地图利用光学/机械投影方法实现摄影过程的反转，用两个/多个投影器模拟摄影机摄影时的位置和姿态构成与实际地形表面成比例的几何模型，通过对该模型的量测得到地形图和各种专题图第21页/共142页光学纠正仪SEG-1HJ-24第22页/共142页WildA10模拟立体测图仪第23页/共142页解析摄影测量1954年，第一台电子计算机问世1957年，海拉瓦博士提出解析测图仪的思想，标志着解析摄影测量的开始20世纪70年代末至90年代初，解析摄影测量发展的鼎盛时期第24页/共142页解析摄影测量光学像片解析测图仪器计算机建立立体模型人工量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型像片影像地图以电子计算机为主要手段，通过对摄影像片的量测和解析计算方法的交会方式来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质及其相互关系，并提供各种摄影测量产品的一门科学解析空三解析测图仪数控正射仪第25页/共142页第26页/共142页德国Zeiss厂C-100型解析测图仪第27页/共142页瑞士Kern厂DSR-1型解析测图仪第28页/共142页瑞士WILD厂OR-1型数控正射投影仪第29页/共142页德国Zeiss厂Z-2型数控正射投影仪第30页/共142页数字摄影测量计算机硬、软件技术的飞速发展，使功能增强，成本降低，并为编制大型软件提供平台20世纪70年代：数字摄影测量萌芽阶段20世纪80年代：数字摄影测量原型研究阶段20世纪90年代：真正推出可用于生产的数字摄影测量系统第31页/共142页数字摄影测量数字影像数字测量摄影系统自动建立立体模型自动量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型数字影像地图数据库基于摄影测量的基本原理，通过对所获取的数字/数字化影像进行处理，自动（半自动）提取被摄对象用数字方式表达的几何与物理信息，从而获得各种形式的数字产品和目视化产品计算机技术数字图像处理影像匹配模式识别DPW第32页/共142页3-DmouseCrystaleyesVirtualPhotogrammetrynowisavailableSupresoftVirtuoZoNTVirtuoZo数字摄影测量系统第33页/共142页JX-4A数字摄影测量工作站第34页/共142页发展阶段原始资料投影方式仪器操作方式产品模拟摄影测量像片物理投影模拟测图仪手工操作模拟产品解析摄影测量像片数字投影解析测图仪机助作业员操作模拟产品数字产品数字摄影测量数字化影像数字影像数字投影计算机自动化操作+作业员干预数字产品模拟产品摄影测量三个发展阶段的特点第35页/共142页摄影测量：基本关系式表达像点与地面点之间关系影像中的几何信息地物几何位置模型重建几何量测xyXYZ第36页/共142页XYZa

(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)共线条件第37页/共142页单像摄影测量：理论基础xyXYZ已知量未知量共线方程第38页/共142页立体摄影测量：目的x1y1XYZ已知量未知量x2y2第39页/共142页共线条件方程第40页/共142页主要内容一、共线条件方程的一般形式二、共线条件方程的应用三、共线条件方程的线性化第41页/共142页像片的基本知识回顾什么是共线条件方程共线条件方程的简单推导一、共线条件方程的一般形式中心投影内外方位元素常用坐标系空间坐标变换第42页/共142页基本知识回顾航摄仪sxyxyzMZYXAao第43页/共142页共线条件xyzXYZAasXsYsZsNYXZXA-XsYA-Ys(x,y,-f)(XA,YA,ZA)MZtpYtpXtp第44页/共142页共线条件方程第45页/共142页求像底点坐标单像空间后方交会和多像空间前方交会摄影测量中的数字投影基础航空影像模拟光束法平差的基本数学模型利用DEM制作数字正射影像图利用DEM进行单张像片测图二、共线条件方程的应用第46页/共142页求像底点坐标第47页/共142页像片仿真已知内、外方位元素地面点空间坐标DEMDOMXYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)第48页/共142页单像测图已知内、外方位元素像点坐标DEMXYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2第49页/共142页目的观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,,,,

X,Y,Z,x0,y0,f泰勒级数展开三、共线条件方程的线性化第50页/共142页单片空间后方交会第51页/共142页主要内容一、定义二、误差方程和法方程三、计算过程第52页/共142页一、定义根据影像覆盖范围内一定数量的分布合理的地面控制点（已知其像点和地面点的坐标），利用共线条件方程求解像片外方位元素XYZaxyzs(Xs,Ys,Zs)ACBbc第53页/共142页已知值x0,y0,f,m,X,Y,Z观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,,,,泰勒级数展开二、误差方程第54页/共142页共线条件方程第55页/共142页外方位元素的计算当一张像片上至少有三个控制点时，误差方程矩阵形式第56页/共142页获取已知数据m,x0,y0,f

,Xtp,Ytp,Ztp量测控制点像点坐标x,y确定未知数初值Xs0,Ys0,Zs0,0,0,0

组成误差方程式并法化解求外方位元素改正数检查迭代是否收敛三、计算过程第57页/共142页立体像对前方交会第58页/共142页主要内容一、定义二、基本公式三、利用立体像对确定地面点第59页/共142页一、定义由立体像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标来确定相应地面点在物方空间坐标系中坐标的方法XYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2第60页/共142页已知值x0,y0,f,m

,Xs,Ys,Zs,,,

观测值x,y未知数

X,Y,Z泰勒级数展开二、基本公式第61页/共142页共线条件方程第62页/共142页获取已知数据x0,y0,f

,XS1,YS1,ZS1,1,1,1,XS2,YS2,ZS2,2,2,2量测像点坐标

x1,y1,

x2,y2由外方位线元素计算基线分量

BX,BY,BZ由外方位角元素计算像空间辅助坐标

X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2计算点投影系数N1,N2计算地面坐标XA,YA,ZA计算过程第63页/共142页解析法相对定向第64页/共142页主要内容一、相对定向元素二、解析相对定向原理三、相对定向元素计算四、模型点坐标计算第65页/共142页

描述立体像对两张像片相对位置和姿态关系的参数一、相对定向元素第66页/共142页以左像空间坐标系为基础，右像片相对于左像片的相对方位元素称～X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2BBzBxBy连续法相对定向元素：By，

Bz，，，连续法相对定向元素第67页/共142页单独法相对定向元素2单独法相对定向元素：1

，

1，2，2，21X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2B在以左摄影中心为原点、左主核面为XZ平面、摄影基线为X轴的右手空间直角坐标系中，左右像片的相对方位元素称～221第68页/共142页二、解析相对定向原理同名光线对对相交于核面内XYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2第69页/共142页误差方程及法方程的建立量测5个以上的同名点可以按最小二乘平差法求相对定向元素o1o2135246第70页/共142页获取已知数据x0,y0,f

确定相对定向元素的初值

＝

＝＝

＝

＝0

由相对定向元素计算像空间辅助坐标

X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2计算误差方程式的系数和常数项解法方程，求相对定向元素改正数计算相对定向元素的新值判断迭代是否收敛三、相对定向元素计算第71页/共142页模型点坐标第72页/共142页解析法绝对定向第73页/共142页主要内容一、绝对定向元素二、解析绝对定向原理三、绝对定向元素计算四、地面坐标计算第74页/共142页

描述立体像对在摄影瞬间的绝对位置和姿态的参数称～通过将相对定向模型进行缩放、平移和旋转，使其达到绝对位置一、绝对定向元素第75页/共142页X1Y1Z1PZpYpXpX2Y2Z2Aa1s1a2s2MZtpYtpXtpX0Y0Z0绝对定向元素：，X0，

Y0，

Z0，，，绝对定向元素第76页/共142页MZtpYtpXtpX0Y0Z0绝对定向公式PYpXpAZp绝对定向元素：，X0，

Y0，

Z0，，，第77页/共142页解析绝对定向误差方程记第78页/共142页获取控制点的两套坐标Xp,Yp,Zp,Xtp,Ytp,Ztp给定绝对定向元素的初值＝1,＝＝

＝

0,X0,Y0,Z0三、绝对定向元素的计算计算重心化坐标计算误差方程式的系数和常数项解法方程，求绝对定向元素改正数计算绝对定向元素的新值判断迭代是否收敛第79页/共142页四、地面点坐标计算第80页/共142页解析空中三角测量概述第81页/共142页主要内容一、解析空中三角测量的意义二、解析空中三角测量的目的三、解析空中三角测量的分类四、解析空中三角测量的信息五、影像连接点的类型与设置第82页/共142页不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状可快速地在大范围内同时进行点位测定，以节省野外测量工作量不受通视条件限制区域内部精度均匀，且不受区域大小限制一、解析空中三角测量的意义第83页/共142页为测绘地形图提供定向控制点和像片定向参数测定大范围内界址点的统一坐标单元模型中大量地面点坐标的计算解析近景摄影测量和非地形摄影测量二、解析空中三角测量的目的第84页/共142页三、解析空中三角测量的分类单模型法航带法区域网法按平差范围航带法独立模型法光线束法按数学模型第85页/共142页四、解析空中三角测量的信息非摄影测量信息：像片上量测的像点坐标摄影测量信息：大地测量观测值距离角度天文经纬度局部坐标像片外方位元素高差仪记录摄站坐标像片姿态摄站坐标差相对控制条件湖面等高平面圆周共线第86页/共142页五、影像连接点的类型与设置人工转刺点仪器转刺点标志点明显地物点数字影像相关转点第87页/共142页转刺点第88页/共142页标志点第89页/共142页明显地物点第90页/共142页像点坐标与地面摄影测量坐标的获取第91页/共142页主要内容一、解析内定向二、像片系统误差预改正

1、摄影材料变形改正2、摄影机物镜畸变差改正3、大气折光差改正4、地球曲率改正三、物空间坐标近似坐标变换

1、平面坐标变换2、高程改正第92页/共142页影像框标点光学框标机械框标第93页/共142页一、解析内定向利用平面相似变换，将像片架坐标变换为以像主点为原点的框标坐标系坐标xy正形变换仿射变换第94页/共142页二、像片系统误差预改正（摄影材料变形）四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射变换四个框标位于像片的中央时可用比例缩放第95页/共142页二、像片系统误差预改正（摄影机物镜畸变差）摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值第96页/共142页二、像片系统误差预改正（大气折光差改正）大气折光引起像点在径向的变形saAa’大气折光引起像点在坐标向的变形第97页/共142页二、像片系统误差预改正（地球曲率）地球曲率引起像点在径向的变形地球曲率引起像点在坐标向的变形oA第98页/共142页二、像片系统误差预改正内定向并经系统误差预改正后的像点坐标内定向镜头畸变大气折光地球曲率第99页/共142页三、物空间坐标近似坐标变换(平面)正变换（由大地坐标系到摄影测量坐标系的坐标变换）YtXt1XpYp第100页/共142页三、物空间坐标近似坐标变换(平面)逆变换（由摄影测量坐标系到大地坐标系的坐标变换）第101页/共142页航带法空中三角测量第102页/共142页主要内容一、基本思想与流程二、自由航带网的构建三、单航带空中三角测量四、航带法区域网平差

第103页/共142页一、基本思想与流程把许多立体像对构成的单个模型连结成一个航带模型，将航带模型视为单元模型进行解析处理，通过消除航带模型中累积的系统误差，将航带模型整体纳入到测图坐标系中，从而确定加密点的地面坐标基本思想第104页/共142页一、基本思想与流程像点坐标系统误差预改正立体像对相对定向模型连接构建自由航带网航带模型绝对定向航带模型非线性改正加密点坐标计算基本流程第105页/共142页二、构建自由航带网（连续法相对定向）归化系数135246a135246bXYZ2as1s2s31b第106页/共142页二、构建自由航带网

（带模型连接条件的连续法相对定向）135246a135246bXYZsi-1sisi+1aiA(N1X1,

N1Y1,

N1Z1)ai+1(X2,

Y2,

Z2)BxBzBy第107页/共142页连接点的模型坐标摄站坐标二、构建自由航带网

（带模型连接条件的连续法相对定向）非连接点的模型坐标第108页/共142页三、航带模型非线性改正1、二次多项式用一个多项式曲面拟合航带网复杂的变形曲面，使该曲面经过航带网已知点时，所求得坐标变形值与它们实际的变形值相等或使其残差的平方和为最小第109页/共142页三、航带模型非线性改正2、二次正形变换多项式用一个二次正形变换多项式曲面拟合航带网的变形曲面，使该曲面经过航带网已知点时，所求得坐标变形值与它们实际的变形值相等或使其残差的平方和为最小，并且由多项式曲面上一点变换到航带网无变形曲面上相应点时应保持该点处在极小范围内相应线段的夹角不变（保角变换）第110页/共142页四、航带法区域网平差按照单航带法构成自由航带网利用本航带的控制点及与上一航带的公共点进行三维空间相似变换，将整区各航线纳入统一的坐标系中同时解求各航带非线性变形改正系数计算各加密点坐标1234567891011121314151617181920ABCDEFGHIJKLMNO1，2，…，20待定点名

A，B，…，O像片名高程控制点平高控制点××××××××1、基本思想第111页/共142页四、航带法区域网平差1234567891011121314151617181920ABCDEFGHIJKLMNO1，2，…，20待定点名

A，B，…，O像片名高程控制点平高控制点××××××××2、重心化坐标计算区域重心坐标航线重心坐标重心化坐标第112页/共142页四、航带法区域网平差3、误差方程式的建立控制点：公共点：第113页/共142页四、航带法区域网平差待定点地面坐标计算将上述坐标反变换到地面坐标第114页/共142页光束法空中三角测量第115页/共142页主要内容一、基本思想与流程二、像片外方位元素和地面点坐标初始值的确定三、误差方程式与法方程式的建立四、带状法方程式的循环分块解法五、带附加参数的自检校光束法区域网平差六、解析空中三角测量的精度第116页/共142页一、基本思想与流程

以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入到控制点坐标系中，从而确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素基本思想第117页/共142页一、基本思想与流程原理图第118页/共142页一、基本思想与流程像片外方位元素和地面点坐标近似值的确定逐点建立误差方程式并法化改化法方程式的建立边法化边消元循环分块解求改化法方程式求出每片的外方位元素加密点坐标计算基本流程第119页/共142页二、像片外方位元素和地面点坐标近似值的确定将每个立体像对进行像对定向和模型连接构建自由航带网，利用航带中的控制点及相邻航线间的公共点对航线进行绝对定向以求得每一张像片的外方位元素和加密点的地面坐标，以此作为未知数的近似值第120页/共142页三、误差方程式与法方程式的建立误差方程法方程第121页/共142页四、自检校光束法区域网平差在共线条件方程中，利用若干附加参数来描述系统误差模型，在区域网平差的同时解求这些附加参数，以自动测定和消除系统误差第122页/共142页五、自检校光束法区域网平差误差方程法方程第123页/共142页六、解析空中三角测量的精度理论精度实际精度第124页/共142页解析空中三角测量的可靠性第125页/共142页一、可靠性研究（基本概念）粗差不可发现粗差可发现但不可定位粗差可定位前方交会测量第126页/共142页从理论上研究平差系统可发现、区分不同模型误差的能力（内部可靠性）从理论上研究不可发现的模型误差对平差结果的影响（外部可靠性）从实用上寻求在平差过程中自动发现和区分模型误差以及确定模型误差位置的方法一、可靠性研究（主要任务）第127页/共142页某一观测值的改正数将受到所有观测值误差的影响：二、基本理论（观测值误差与改正数的关系）第128页/共142页某一观测值的误差将对所有观测值的改正数产生影响：二、基本理论（观测值误差与改正数的关系）第129页/共142页解析空中三角测量最新发展

第130页/共142页主要内容GPS辅助空中三角测量POS辅助空中三角测量第131页/共142页利用安装于飞机上与航摄仪相连接的和设在地面一个或多个基准站上的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时获取航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲，经过GPS载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其视为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，以取代地面控制，经采用统一的数学模型和算法来整体确定目标点位和像片方位元素，并对其质量进行评定的理论、技术和方法目的是极大地减少甚至完全免除常规空中三角测量所必需的地面控制点，以节省野外控制测量工作量、缩短航测成图周期、降低生产成本、提高生产效率二、GPS辅助空中三角测量第132页/共142页中国GPS空三试验区分布图承德(1998)面积:81000km2黑龙江(1996~1998)

面积:17600km2北京(1996~1998)

面积:205km2

天津(1995)面积:1100km2太原(1994)面积:10km2中越边界(1996~1998)

面积:10700km2海南岛(1996~1998)

面积:30000km2总面积：364000km2加密区：150000km2新疆(2002~2004)面积:142000km2酒泉(2004)面积:32