西农院水利工程测量课件第10章 航空摄影测量的基本知识

第十章航空摄影测量的基本知识

航摄像片的基本知识航摄像片的判读

像片的立体观察航测资料在水利工程中的应用

航测成图的简要过程

卫星像片简介

§10.1航测成图的简要过程一、航空摄影

航空摄影就是利用装在飞机底部的航摄机，在空中按一定高度沿预定的航线，对地面进行连续摄影，如图10-1。所用感光软片需严格压平，像片的像幅（影像范围的大小）一般为为23cm×23cm，并要求四个边框的四角及四边框的中央各有一框标，左右边框中央框标的连线为像片坐标系的x轴、上下边中央框标的连线为Y轨交点口为坐标系原点，如图（10-2）所示。另外像幅外有圆水准器，说明摄影时光轴倾斜情况，还有摄影瞬时的时刻，日期及摄影次序号码等记录。

在像片上选取合乎要求的少数明显地物点作为测图控制点，其实地相应的点用前、后方交会、导线测量、三角测量、水准测量和三角高程测量的方法，与国家控制点连测，以求得其平面位置及高程。三、像片的调绘

利用像片进行判读、调查和绘注等工作的总称。它是持像片到现场进行实地调查，查明像片上地物的名称（如河流名称）及行政区划界线等，并补测像片上未显示出的地物，描绘和注记在像片上。四、室内加密控制

加密控制点是在野外少量实测控制点的基础上，为了满足每张航摄像片上必须有一定数量的控制点（一般要求有4一6个点），而进行的，目前都采用电算加密的方法。五、测制成图

航测成图的方法，通常有：二、外业控制测量

1.综合法是摄影测量与地形测量相结合的一种方法。它是由单张像片或像片平面图确定地物的平面位置，在野外用一般地形测量方法在像片上测绘等高线，并进行调绘，最后制作成地形图。它适用于平坦地区。

2.全能法目前常用的内业测图方法。它是将航摄像对（互有重叠的两相邻像片）装在立体测图仪上，建立与地面相似而缩小的立体地面模型，而后对模型进行量测，同时确定地面点的平面位置和高程，测绘地形图。§10.2航摄像片的基本知识一、航摄像片是地面的中心投影

航摄像片是航摄仪在空中对地面根据中心投影原理摄成的像片。所谓中心投影就是空间任一点（物点）与一固定点（投影中心）联成一直线，被一平面（投影面）所截。则此直线与投影面的交点（像点）叫做该空间点的中心投影。如图10-3，地面上A、B、C......各地物点，通过航摄仪的物镜中心s，在感光软片尸上构成的像点为a,b,c......等点，即为地物点A、B、C......等点的中心投影。s为投影中心，软片P为投影面。

软片尸上的形象与地面情况相反，称为负片：经过晒印的像片与地面情况一致，称为正片。航摄像片就是晒印的像片，它相当于在负片相对位置的平面P'，两者只是投影的影像相反，几何性质完全一样。

二、航摄像片与地形图的差别

航摄像片是地面的中心投影，地形图则是地面在水平面上的垂直投影，因而两者产生了差异。航空摄影测量测制地形图的主要任务就是将中心投影的航摄像片转化为垂直投影的地形图。了解中心投影的特征和两种投影造成的差异，是学习航测原理的基础。

地形图是利用平行光束对物体垂直投影到水平面上，缩小后获得物体的位置。因此，投影面上任意两点间的距离与相应空间两点间的水平距离之比是厂个常数，即测图比例尺。航摄像片是地面的中心投影，当被摄的地面呈水平状态和摄影的像片处于水平位置时，像片上图像的形状与地面上的形状完全相似，此时航摄像片具有平面图的性质。像片上任意两点的距离与地面相应两点的距离的比值也是常数，由图10-4中相似三角形的关系，可得出航摄像片的比例尺等于f比H（f为航摄仪的焦距，H为航高)如果把航摄像片再经过一定比例尺的缩放，并在缩放的像片上注记村庄、道路、房屋、河流等地物的名称，就可成为一张像片平面图，而且这种平面图比用白纸测的平面图更真实、更形象。但摄影时飞行高度可能有变化，航高H随之变化，地面也有高低起伏，即使在一张像片上比例尺也各处不同；同时摄影时，像片也可能不水平，地面点在像片上的位置将产生位移，像片上的影像，就失去平面图的性质。三、像点位移

（一）投影误差由于地面起伏引起像点在像片上的位移所产生的误差，称为投影误差。如图10-5,MM’水平面为所选择的某一高程基准面（也作为垂直投影的水平面）地面点A、B在水平像片上的中心投影为a,b，而A、B的垂直投影Ao、Bo在像片上的中心投影则为a。、b。，其差值口aa。、bb。即为地面起伏引起的像点位移，也即投影误差，可由下式求得：

δh＝rh／H（10-1）（二）倾料误差由于像片倾斜引起像点位移所产生的误差，称为倾斜误差。如图10-6，设在同一摄影站对同一地面摄取一张水平像片P1及一张倾斜像片P2，倾斜像片的倾角a是主垂线Sn与主光轴SO2的夹角，SC为a的角等分线，它与像平面的交点C称为等比点；过主光轴SO2与主垂线Sn的垂直面与像片的交线。V1v1、v2v2称为主纵线，过c点垂直于主纵线的直线hchc称为等比线，即两像片的交线。显然，在等比线上的像点既在倾斜像片上又在水平像片上，不产生位移。地面上A点在水平像片Pl及倾斜像片P2上的像点分别为a1及a2，即像点由a1,位移到a2,可以用它们到等比点c的距离来计量倾斜误差。令a1c＝rc，a2c=r，则倾斜误差δa。为

δa＝r--rc

（10-2)

由图10-6，可知倾斜误差的规律。

（1）等比线上的像点，没有倾斜误差。（2）倾斜误差产生在以等角点为辐射中心的辐射线上，离等角点愈远误差愈大。

（3）倾斜像片在水平像片上面部分,δa为负（因为rc＞r），即像点向辐射中心位移，反之，在水平像片下面部分，δa为正(rc＜r），像点向边缘位移对称于等角点的像点，其倾斜误差的大小相等，符号相反。（4）地面上的图形在水平像片上所得的影像与地面图形完全相似，而在倾斜像片上则会变形。如图10-7,a1b1c1d1为地面正方形ABCD在水平像片上的图像，是一缩小了的正方形。若将倾斜像片（参见图10-6)绕hchc转a角使与水平像片迭置，则在倾斜像片上的图形a2b2C2d2变为梯形。因此，即使在同一张倾斜像片上各处比例尺都不一致。

倾斜误差可以通过纠正的方法予以消除，而投影误差不会因像片纠正而消除，只能采取限制的办法，即规定投影误差不超过某一限值，如超过限值则需采取分带投影的办法，以保证整个地区所有点在图上的投影误差不超过限值。将某一区域内的纠正像片，切去航向和旁向重叠，依次拼接在一图板上得到整幅的平面图，就是像片平面图。图上均为地面的影像，也称为影像图。

§10.3航摄像片的判读

航摄像片的判读就是识别像片上的影像在实地上究竟属于何种地物、地貌。判读是根据地面物体的成像规律和判读特征进行的，因此，要做到准确迅速地进行像片判读，就要了解地物、地貌的成像规律和判读特征。

一、地面物体的成像规律

由于航测像片是地面的中心投影，所以地面物体和影像之间的关系是透视关系。

即使同一地物，由于所处地面的高低起伏及相对于摄影机镜头的相对位置不同，其在像片上影像的形状、大小、色调和阴影也各不相同。突出地面的物体和不突出地面的物体的成像情况也不一样。（一）不突出地面物体的成像情况处在水平位置的地物影像与实地形状基本相似，例如运动场、广场、水平梯田等；而处在倾斜位置的地物影像会受到中心投影和地面起伏的影响产生变形，例如斜坡上的正方形早田会变成长方形、菱形或梯形。（二）突出地面物体的成像情况突出地面的物体，如高山、烟囱、水塔、独立树、高大建筑物等，同一物体在相邻两张像片上的影像不一样。这是由于存在投影误差而产生像点位移。离像底点愈远，这种变形就愈大；物体愈高，变形也愈大。如图10-9所示，地面上三个同高的烟囱，在像片影像的形状和大小各不相同，如(1)、（2),(3)三个位置。另外，太阳光的照射所产生的物体影子也反映到像片上，叫做阴影。此阴影与物体的高矮成比例，且与阳光照射的角度以及地面坡度的大小密切相关。为了分析地物情况，

像片上应记录摄像时刻及天气情况，以便判断阳光照射情况。二、航摄像片的特征

航摄像片上的各种地面物体的构像，有许多几何的、物理的征。例如各种物体的形状、大小、颜色、阴影以及它们之间的相互关系，我们就运用这些特征进行判读。（一）影像的形状（图形）地面物体在水平航摄像片上所显示的形状是该图10-9突出的地物对成像变形的关系体的平面图，在平坦地区与物体本身相似，有均匀的比例尺，可从像片上量取距离和方向。高于地面的物体由于投影误差影响，往往不存在相似关系。（二）影像的大小地面物体显示在航摄像片上的影像，其大小因像片比例尺而定。因此，可以根据航摄像片比例尺来推求地面物体的大小。（三）阴影物体的阴影，其形状和长短是各不相同的，因此，它们显示在像片上的影像也不一致。高物体摄影时太阳愈低，阴影愈长，根据这些特征，可以判断物体的高度和性质。当判读时，应使阴影投向判读者一方，而令光源来自左上方，以便和习惯一致，以避免产生高低与实际相反的错觉。

（四）色调地面上各种不同颜色的物体，在像片上显示为各种不同的色调。影像的色调与物体受光的多寡、物体表面反射的能力有关。地面物体受光愈多，表面愈光滑或反射光线愈强，则在像片上影像的颜色就愈淡。同时影像色调也受摄影季节、时间以及底片感光性能的影响。（五）相关位置地面物体之间常有一定的相关关系，如道路在河流两岸中断，可以判定有桥或其他渡河设备等。所以利用相关位置可以判读一些细小而影像不清的地物。

三、地形的判读

地形判读可以从比较容易识别的地物开始。

1.居民点居民点的房屋显示为四边形、院落整齐，界线分明，其数量可以计算，其大小可以依据比例尺确定，房屋周围通常有花园、菜圃、篱笆、栅舍以及鱼塘等。篱笆、围墙、木栅等显示为灰色的细线，并有色调较深的阴影。工厂地区的房屋整齐、烟囱高大，并有堆积原料或成品的仓库以及输送原料或成品的交通路径。烟囱的影像，一般显示为中间有黑斑点的浅灰色环，同时又有很长的阴影。

2.道路网铁路在航摄像片上显示为转弯均匀且成弧状的浅灰色的线条。在较大比例尺的像片上能看到铁轨，它的特征是和其他道路往往成直角相交。公路一般为白色带状，如在山区，表现为迁回曲折的形状，边缘显著，且有暗灰色的沟渠，但除其有柏油路面者较之灰暗外，其他路面则难以确定。乡村土路显示为弯曲而宽度不等的浅灰色或白色线条，边缘不甚清晰，有时且有部分为树木所遮蔽，在山区多沿山麓迁回，因此又成锯齿的形状。

3.水系根据像片上的影像形状，可以辨认出河流、小溪、湖泊和池塘。但这类地物由于水面反射光线的不同，其影像色调极不一致，一般说来，色调呈现黑色。水愈深色调愈黑，浅滩呈淡灰色，沙滩呈白色。

河流显示为不同宽度的带状，小溪显示为弯曲的线条，湖泊或池塘的水边线，显示为封闭的曲线，水面色调大致相同。河流和小溪上的桥梁，显示为道路与河流的交叉。

4.植物和地类

森林和灌木显示为轮廓比较显著的暗灰色图形，色调不均匀，影像类似颗粒状。耕地有直线的界线，作物的种类各有不同，故色调也有所差别。

5.地貌地貌显示在像片上的影像，与用晕渲法表示地貌相类似；其阴影狭窄而暗黑的，表示险峻的山区，阴影宽阔而灰色的表示谷地或山脊；判读地貌最好采用立体观察法。

§10.4像片的立体观察

为了提高判读像片的效果，并利用像片在室内进行测定地面点的高程及测绘等高线，需要对像片进行立体观察。一、立体观察的原理

当人们用两眼睛去看物体时，不但能感觉物体的存在，而且能区别物体的远近，判别地面的高低起伏。这是由于双眼观察同一物体时，在左右两眼的视网膜上的成像位置不同。如图10-10所示，远近不同的两点A、B，在左右视网膜上的像分别为a1b1与a2b2

，在视网膜上构成的弧长a1b1与a2b2

（称生理视差）不相等，两者之间的差称为生理视差较。这种生理视差较传达到大脑皮层的视觉中心，便产生物体远近高低的立体感觉。从这一原理出发，若在双眼前放一对玻璃片Pl和P2,透过它们去看物体，并在其上留下影像a1′b1′与a2′b2′（相当于用摄影机摄取的一对重叠像片）然后拿走物体A、B，只观察其留在玻璃上的影像，仍然可得到与观察原物体一样的立体感觉，这就是人工立体效应。像片的立体观察，就是人工立体效应的具体应用。由此可知，像片立体观察必须满足以下三个条件：（1）必须在两地对同一物体摄取两张互有一定重叠的像片（即立体像对）。（2）两眼要同时各看一张像片上的同一地物图10-10（或同一具有明显特征的像点），即左眼只看左像片上的某一像点，像点（称为同名点）。（3）像片安放时，要使两张像片上相应像点的联线平行于眼基线（即两眼联线），即两张像片的同名像点不能错开太大。凭两眼直接观察像对可以得到立体效应，但这对初学者来说是有困难的。通常可借助助反光立体镜来满足像对立体观察的条件。二、利用立体镜进行立体观察

反光立体镜的构造简单，它是由两对平面镜和一对透镜组成的（图10-11）。它可扩大人的眼距，而将左右两眼分隔开，以便左右两眼同时各看到同名像点，从而获得立体效应。立体观察时，通常是固定左像片，移动右像片，图10-11立体镜进行立体观察示意图直至同名像点凝视重合而成立体。若像片重叠部分向内安放，所观察到的立体模型的凹凸情况与实地相反，这就叫反立体，这种反立体不是我们所要的。各种利用像片测图的仪器上，均装有反光立体镜，用以观察立体像对，建立与地面相似而缩小的地面立体模型。一种立体坐标量测仪是用来在像片上量测地面点的三维坐标(x,y,H),主要在像片上量测得加密控制点。一种精密立体测图仪可直接在地面立体模型上，测绘地物和地貌以编制成地形原图。目前，出现的以量测像点坐标为基础，通过电子计算机的处理，建立地面的数字模型，并进行自动绘图的高精度的解析测图仪，使航测成图实现自动化和提高成图的精度和速度，并可以建立地形数据库，实现了科学存贮地形资料。

§10.5航测资料在水利工程中的应用

利用航摄像片测制的地形图与白纸测图一样，都是线划图。在正常情况下，可用这种地形图进行水利工程的规划设计。但在一些特殊紧急情况下，由于工程建设的需要，而航测成图的周期又较长，也可利用航测成图的中间成果来进程工程的初步规划设计。

一、单张像片

单张像片是用航摄负片晒印出来的像片，其上有地面的影像，但比例尺不一致，存在着倾斜误差和投影误差，使用时应根据像点在像片上的位移和变形规律，限制使用范围。如前所述，像点位移所产生的误差，从像片中心向边缘逐渐加大，因此，只能使用像片的中心部分，称为像片的使用面积。它的范围由相邻像片重叠部分的中央线划分，如图10-12的abcd。因此，用单张像片只能研究局部地区的情况，涉及范围较大工程的研究，则应利用拼接后的像片图。

二、像片略图

把许多张像片拼接成一完整的像片图，称为像片略图。它是未经纠正的航摄像片使用面积的组合，像片倾斜和地面起伏引起的像点位称和变形，都完全保留着，由于拼接用的各张像片比例尺不一致，镶嵌拼接时可能会发生地物“错开”现象，因此，像片略图只能作编制正式图件的参考或野外踏勘的参考，也可用来作初步规划。三、像片平面图

像片平面图是经过纠正后的像片镶嵌起来，具有同一比例尺的图。它消除了倾斜误差，统一了比例尺，并将投影误差限制在一定范围内，是与地面相似的地物平面图。这种图不仅具有地物的生动影像，丰富的信息，也能和实测的平面图一样，在其上确定点的平面位置，量测直线长度和图形的面积。像片平面图可以用于水利工程规划中，如进行渠道、道路的室内选线，以及渠道、道路附属建筑物的布置等。在像片平面图上进行选线和规划方案的比较时，同样可利用某地段的立体像对进行立体观察。求得地物、地貌的概略高差，将观测的成果，如某些地貌（山脊、山顶、鞍部…等）的特征点转刺，标注在像片平面图上，以便详细研究这些地区的地形情况。并可在图得各级渠道的长度和渠线的总长，以及隧洞、渡槽等各类建筑物的数量等。在像片平面图上可进行其它水利工程及建筑物的布置，如水库地址的选择，确定坝址的概略位置等，在这样的图上不仅能结合立体像对的立体观察，勾绘出汇水面积界线，而且能量测汇水面积的大小。故在水利工程的规划中得到多方面的应用。四、影像地图

影像地图是将中心投影的像片转变为正射投影，并描绘有等高线的一种影像图。它的图面内容要素主要由影像构成，并有等高线和高程注记、地名注记和说明注记等。既包含了航片丰富的内容信息，具有直观性的优点，又能保证地形图的整饰和几何精度。通过必要的线划、符号注记，给予明确的概念，既反映了地物的情况，又反映了地貌情况。因此