摄影测量专业考试复习资料

摄影测量专业考试复习资料一、绪论1.1摄影测量学的定义与任务摄影测量学是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学。其主要任务是根据所获取的影像，精确测定物体的形状、大小、位置及其属性，进而制作各种地图、建立地理信息系统，为国民经济建设、国防建设和科学研究提供基础地理信息保障。1.2摄影测量学的特点摄影测量学的显著特点在于其非接触性测量，能够在不触及目标物体的情况下获取大量信息；其次，它具有宏观性和综合性，可一次性获取大面积区域的三维数据；此外，其成果具有可重复性和高精度的特点，通过严格的数学模型和数据处理流程，能够达到较高的测量精度。1.3摄影测量学的发展历程摄影测量学的发展大致经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量三个阶段。模拟摄影测量阶段主要依赖光学机械仪器，通过模拟投影方式进行测量；解析摄影测量阶段则引入了计算机技术，利用数学模型解算像点与地面点之间的关系；数字摄影测量阶段以数字影像为处理对象，借助计算机视觉、模式识别等技术实现自动化、智能化的数据处理。1.4摄影测量的分类根据摄影距离的不同，可分为航空摄影测量、航天摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量等。其中，航空摄影测量是目前大比例尺地形图测绘和地理信息数据获取的主要手段之一。核心考点：摄影测量的定义、任务、发展阶段特征；数字摄影测量的优势。二、影像获取与基本概念2.1航空摄影机与影像获取航空摄影机是获取航空影像的专用设备，其核心部件是物镜和感光材料（或数字成像器件）。衡量摄影机性能的主要参数包括焦距、像幅大小、主距等。框标是像片上用于确定像片中心点和像坐标轴的标志。影像获取过程中，需要考虑摄影比例尺、航向重叠和旁向重叠。航向重叠通常要求在百分之六十至六十五之间，旁向重叠在百分之十五至百分之三十之间，以保证立体观测和像片拼接的需要。2.2内方位元素与外方位元素内方位元素是描述摄影中心与像片之间相对位置关系的参数，包括像主点在像片框标坐标系中的坐标（x0,y0）以及摄影主距f。内方位元素是进行摄影测量处理的基础，其值通常由摄影机检校获得。外方位元素是确定摄影光束在摄影瞬间空间位置和姿态的参数。其中，描述摄影中心空间位置的三个参数（Xs,Ys,Zs）称为外方位线元素；描述像片在空间姿态的三个角元素（φ,ω,κ或ψ,ω,κ）称为外方位角元素。外方位元素的确定是摄影测量定位的关键。2.3像点坐标与像片比例尺像点坐标通常是指像点在像片框标坐标系中的坐标，以像主点为原点，航向方向为x轴，旁向方向为y轴。在数字影像中，像点坐标通过影像数字化或直接由数字相机获取，以像素为单位。像片比例尺是像片上某一线段的长度与地面上相应线段水平距离之比。对于理想的水平像片，其比例尺为1/m=f/H，其中f为摄影主距，H为摄影航高。实际情况下，由于地形起伏和像片倾斜，像片上不同区域的比例尺会有所差异。2.4像点位移与像片倾斜误差、投影差像点位移是指地面点在像片上的构像与理想情况下（水平像片、平坦地面）的构像之间的差异。主要包括由像片倾斜引起的像片倾斜误差和由地形起伏引起的投影差。像片倾斜误差是由于像片相对于水平位置发生倾斜而导致的像点位移，它使得像片上的几何图形发生变形。投影差则是由于地面点高出或低于基准面（通常为平均海水面或某一选定的水平面）而引起的像点在像片上的位移，其大小与地面点相对于基准面的高差、像点到像主点的距离以及摄影航高有关。核心考点：内、外方位元素的定义及作用；像点位移的原因及规律；像片比例尺的计算。三、单张像片的空间后方交会3.1空间后方交会的基本原理空间后方交会是利用地面控制点的已知坐标和相应的像点坐标，根据共线条件方程反求该像片外方位元素的方法。其基本思想是：在满足共线方程的条件下，通过最小二乘法平差计算，使得像点的计算坐标与实测坐标之间的残差平方和最小，从而求解出外方位元素。3.2共线条件方程共线条件方程描述了地面点、摄影中心和相应像点三点共线的几何关系。其数学表达式为：x-x0=-f(a1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs))/(a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs))y-y0=-f(a2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs))/(a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs))其中，(x,y)为像点坐标，(X,Y,Z)为相应地面点坐标，(Xs,Ys,Zs)为摄影中心坐标，(x0,y0,f)为内方位元素，ai,bi,ci(i=1,2,3)为外方位角元素构成的方向余弦。3.3空间后方交会的计算过程空间后方交会的计算通常采用迭代法，步骤如下：1.获取已知数据：像片内方位元素、控制点的地面坐标和相应的像点坐标。2.确定外方位元素的初始值：通常假设角元素初始值为零，线元素可根据概略航高和控制点坐标估算。3.根据初始外方位元素计算方向余弦矩阵。4.按共线方程计算控制点的像点坐标近似值。5.计算像点坐标残差（观测值与计算值之差）。6.组成误差方程，求解外方位元素的改正数。7.迭代计算：将改正数加到初始值上，得到新的外方位元素，重复步骤3至6，直至改正数小于某一限差。8.精度评定：计算单位权中误差，检验成果的可靠性。核心考点：共线条件方程的形式与意义；空间后方交会的原理、计算步骤及迭代收敛条件。四、立体像对与立体测图原理4.1立体像对的获取与特点立体像对是指在两个不同摄站对同一地面区域拍摄的具有一定重叠度的两张像片。通过立体像对，利用人眼的立体视觉特性，可以重建地面的三维模型。立体像对的航向重叠度一般要求在百分之六十以上，以保证有足够的立体观测范围。4.2人造立体视觉原理人造立体视觉是指通过观察立体像对，在人脑中形成被摄物体立体影像的过程。其必须满足的条件包括：两张像片必须是在不同位置对同一物体拍摄的立体像对；两眼必须分别观察像对中的一张像片（分像）；两像片上的同名像点的连线与眼基线大致平行；两像片的比例尺相近，差异一般不超过百分之十五。4.3像点的空间前方交会空间前方交会是利用立体像对上同名像点的像点坐标和两张像片的外方位元素，求解该同名像点所对应地面点三维坐标的方法。其基本原理是根据摄影中心、同名像点和地面点三点共线，建立两条空间直线，其交点即为地面点的位置。4.4相对定向与绝对定向相对定向是确定立体像对中两张像片之间相对位置关系的过程。其目的是消除两张像片在相对姿态上的差异，使同名光线对对相交。相对定向元素是描述两张像片相对姿态的参数，对于连续像对，通常选取五个相对定向元素（by,bz,φ2,ω2,κ2）；对于单独像对，选取五个相对定向元素（φ1,κ1,φ2,ω2,κ2）。相对定向可通过同名像点的像点坐标进行解算，无需地面控制点。绝对定向是将经过相对定向后所建立的立体模型（或称相对模型）纳入到地面测量坐标系中的过程，并确定模型的比例尺。绝对定向元素包括三个平移量（ΔX,ΔY,ΔZ）、三个旋转角（Φ,Ω,K）和一个缩放因子λ。绝对定向需要至少两个平高点和一个高程点作为控制点。4.5核线与核面核面是指通过摄影基线与地面上任一点所形成的平面。对于立体像对，通过同名像点的核面是唯一的。核线是核面与像片平面的交线。在立体测图中，沿核线方向进行影像匹配可以大大减少搜索范围，提高匹配效率和精度。核心考点：立体像对的相对定向和绝对定向的概念、元素个数及解算所需的控制点类型；空间前方交会的计算；核线的定义及其在立体匹配中的作用。五、解析空中三角测量5.1解析空中三角测量的定义与目的解析空中三角测量（简称空三）是指在室内利用少量地面控制点，通过对摄影测量像片上大量像点的量测和计算，确定加密点的地面坐标和像片外方位元素的测量方法。其主要目的是为测绘地形图、建立数字地面模型等提供必要的控制点和基础数据，减少野外控制测量的工作量。5.2航带法解析空中三角测量航带法解析空中三角测量是沿着一条航带建立立体模型，进行相对定向和模型连接，形成自由航带网，然后进行航带网的绝对定向，最终求解各加密点地面坐标的方法。其基本步骤包括：像点坐标量测与系统误差改正；立体像对相对定向；模型连接与航带网构建；航带网的概略定向；航带网的非线性改正；航带网的绝对定向。5.3独立模型法解析空中三角测量独立模型法解析空中三角测量是先对每个立体像对进行相对定向，建立独立的立体模型，然后将各个独立模型连接成一个整体模型，再进行整体模型的绝对定向和误差配赋，以确定各加密点地面坐标。其关键在于模型间的连接和整体平差。5.4光束法解析空中三角测量光束法解析空中三角测量是从共线条件方程出发，将每张像片视为一个光束，以像片的外方位元素和加密点的地面坐标为未知数，根据同名像点光线共面（相交于一点）的条件，联合平差解算所有未知数的方法。光束法平差模型严密，理论精度最高，是目前应用最广泛的空三方法。其误差方程直接由共线条件方程线性化得到，未知数包括各像片的外方位元素和所有加密点的地面坐标。核心考点：三种解析空中三角测量方法的基本原理、优缺点及适用场景；光束法平差的数学模型和未知数类型；空三加密的精度影响因素。六、数字高程模型(DEM)的建立与应用6.1DEM的概念与数据格式数字高程模型(DEM)是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，即地形表面形态的数字化表达。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM的数据格式主要有格网(Grid)格式和不规则三角网(TIN)格式。格网格式DEM将地面划分成规则的格网单元，每个格网单元对应一个高程值，结构简单，便于计算和应用；TIN格式DEM则根据地形特征点的分布，将地面划分成一系列不重叠的三角形，能更好地反映地形的细节特征。6.2DEM数据采集方法DEM数据采集方法主要包括：从地形图上采集（如手扶跟踪数字化、扫描数字化）；从航空航天影像上采集（如全数字摄影测量系统中通过影像匹配自动提取、人工交互量测）；野外实地测量（如全站仪、GPSRTK等）；以及从激光雷达(LIDAR)点云数据或合成孔径雷达干涉(InSAR)数据中提取等。其中，从航空影像上通过影像匹配自动生成DEM是目前大规模DEM生产的主要方法。6.3DEM内插方法DEM内插是根据已知的地形点高程，通过一定的数学方法推算出待求点高程的过程。常用的内插方法包括：移动拟合法：以待求点为中心，在其周围确定一个邻域，用该邻域内的已知点拟合一个低次多项式，从而计算待求点高程。双线性内插法：在矩形格网单元中，根据格网四个顶点的高程，通过线性插值计算单元内任意点的高程。样条函数内插法：利用样条函数拟合地形曲面，使拟合曲面具有一定的光滑性。克里金(Kriging)内插法：基于变异函数理论的地质统计学方法，考虑了地形点的空间相关性，能给出最优无偏估计。6.4DEM的应用DEM具有广泛的应用，主要包括：绘制等高线图、坡度坡向图、地形剖面图；进行地形分析，如计算地表面积、土石方量、沟谷网络提取、流域分析等；为遥感影像纠正提供高程数据；作为地理信息系统(GIS)的基础数据，用于各类空间分析和决策支持；在导航、水利、交通、军事等领域也有重要应用。核心考点：DEM的定义、主要数据格式及其特点；DEM内插的常用方法；DEM的主要应用领域。七、数字正射影像图(DOM)的制作7.1DOM的定义与特点数字正射影像图(DOM)是利用数字高程模型(DEM)对经扫描处理的数字化航空像片或航天遥感影像，进行逐像元纠正（微分纠正）和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字影像数据集。DOM具有像片的直观性、可读性和丰富的信息含量，同时又具备地图的几何精度，可直接用于获取地理信息和进行各种量测。7.2数字微分纠正原理数字微分纠正（又称逐像元纠正）是对像片上每个像元进行纠正的方法。其基本原理是：根据像片的内、外方位元素和地面点的高程（由DEM提供），通过共线条件方程反算每个地面点（纠正后影像的像元中心）在原始像片上的像点坐标，然后通过灰度内插（如双线性内插、双三次卷积内插）获取该像点的灰度值，并将其赋给纠正后影像的相应像元。通过这种方法，可以消除像片倾斜和地形起伏对影像几何变形的影响，得到具有正射投影性质的影像。7.3DOM的制作流程DOM的制作主要流程包括：1.影像预处理：包括影像增强、降噪、匀光匀色等，改善影像质量。2.内定向：根据框标坐标或影像中心，恢复像片的内方位元素，建立像片的像平面坐标系。3.解析空中三角测量：获取影像的外方位元素和DEM数据（或使用已有的DEM数据）。4.数字微分纠正：利用外方位元素和DEM对影像进行逐像元纠正。5.影像镶嵌与裁切：将多幅纠正后的正射影像拼接成一个整体，并按规定的图幅范围或区域边界进行裁切。6.图幅整饰：添加图廓、注记、公里格网等地图要素。7.质量检查与成果输出。核心考点：DOM的定义与特点；数字微分纠正的原理；DOM制作的主要流程。八、近景摄影测量与数字摄影测量系统8.1近景摄影测量的特点与应用近景摄影测量通常指摄影距离在几米至几百米范围内的摄影测量。其特点包括：摄影距离近，影像比例尺大；可对静态或动态目标进行测量；可采用普通数码相机作为成像设备，成本较低；灵活性高，适用于各种复杂环境和特殊对象的测量。近景摄影测量广泛应用于工业测量（如零部件尺寸检测、变形监测）、文物保护（如文物三维建模与修复）、建筑测量（如古建筑测绘、建筑物变形监测）、生物医学（如