摄影测量原理.docx

摄影测量原理.docx

《摄影测量原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《摄影测量原理.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

摄影测量原理

《摄影测量原理》（含当代摄影测量）工程硕士讲课提纲

参考教材：

《摄影测量学》、《InstructiontoModernPhotogrammetry》

摄影测量原理部分

第一章绪论

§1-1摄影测量学的定义、任务、分类和发展

－摄影测量（Photogrammetry，由希腊文的三个词根组成：

light-writing-measurement）：

传统上：

先摄影、后测量。

现代：

摄影与测量同时完成（至少是部分）是追求目标。

－定义：

最初的定义由《摄影测量手册》（ManualofPhotogrammetry）给出。

随着学科的发展、应用的扩展和人们认识水平的提高，其内涵和外延也在不断发生变化。

目前延用1988年ISPRS（InternationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing）国际会议的定义（与遥感一起定义）。

内容涉及信息获取、记录（存储）、量测和解译、产品表达、信息传输和产品应用等。

－　任务：

任务也是发展变化的，笼统而言包括：

定量的（Quantitative）→　几何处理（metric）

（解决是多少的问题：

Where、howmuch、when）

定性的（Qualitative）　→　解译处理interpretation

（解决是什么的问题：

What）

－现状：

定量问题相对解决的较好，自动化程度较高，如：

空三测量、DEM、DOM的生产等。

定性问题还需付出很大努力。

问题解决涉及多学科交叉、认知科学以及对人类自身的了解和研究。

－分类：

从传感器平台（或摄影距离）来考虑：

航空摄影测量Aerophotogrammetry/AerialPhotogrammetry

航天/卫星摄影测量Space/SatellitePhotogrammetry

地面摄影测量TerrestrialPhotogrammetry

近景摄影测量Close-rangePhotogrammetry

显微摄影测量Micro-rangePhotogrammetry

从用途（或应用范围）来考虑：

工业摄影测量IndustrialPhotogrammetry

建筑摄影测量ArchitecturalPhotogrammetry

生物医学摄影测量BiomedicalPhotogrammetry

水下/双介质摄影测量Underwater/Two-mediumPhotogrammetry

城市摄影测量UrbanPhotogrammetry

铁路摄影测量RailwayPhotogrammetry

地质摄影测量GeologicalPhotogrammetry

森林摄影测量ForestPhotogrammetry

等等

－　发展：

1839年发明摄影术

1858年气球拍摄第一张空中像片

1903年发明飞机，使航空摄影成为可能

1901年~1909年立体坐标量测仪、模拟立体测图仪

1957年海拉瓦（Helava）提出了解析测图仪的思想

1987年以后开始研究开发数字摄影测量工作站

根据美国FranzW.Leberl教授：

EvolutionaryRevolutionary

模拟阶段=========＞解析摄影测量阶段========＞数字（Digital/Softcopy）阶段

（1900-1970）（1970-1990）（1990-？

）

70years20years?

years

摄影测量学三个发展阶段的特点（表1-1）。

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

作业员手工

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

+作业员的干预

数字产品

模拟产品

－　摄影测量学与遥感的结合：

摄影测量学的发展历史就是遥感的发展历史，它们目的相同，只是各自所处的科技发展历史时期不同，可以说摄影测量学发展到数字摄影测量阶段就是遥感（王之卓）。

特点：

从细分走向综合（集成、一体化）。

补充：

影像信息科学的形成与内涵

－影像信息科学是信息科学的一个分支；21世纪信息的主要载体是影像。

－摄影测量、遥感与地理信息系统的结合：

①RS是GIS数据采集和数据更新的重要手段；

②GIS信息对RS数字图像处理和自动分类起重要作用。

－对影像信息科学（IconicInformatics/Geomatics/Geoinfomatics）的形成有以下共识：

1影像信息科学涵盖了现代测绘科学的全部内容；

2强调了对地球空间数据和信息的计算机处理技术；

3强调了相关学科的结合，强调对地球空间数据（Geo-spatialdata）的集成处理，强调从数据采集、处理、量测、分析、管理、存储、显示到发布的信息流全过程。

关于Geomatics的中文译法。

（地球空间信息学）

－国际标准组织（ISO）的简明定义（1996）：

“Geomaticsisthemodernscientifictermreferringtotheintegratedapproachofmeasurement,analysis,management,anddisplayofspatialdata”

－影像信息科学的崛起：

影像信息科学是由摄影测量学、遥感、地理信息系统、计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、模式识别、人工智能、专家系统、航天科学与技术、传感器技术和认知科学等相结合的一个边缘学科。

（边缘效应：

边缘学科最有发展潜力。

）

第二章摄影测量解析基础

补充：

航空摄影的基本知识

－航空摄影机：

胶片摄影机（FilmCamera）

数字摄影机（DigitalCamrera）

需要胶片、需要显影、定影等，

需要扫描数字化、成像光谱窄

无需胶片及扫描数字化、便于自动数据处理，成像光谱宽、对摄影天气要求降低、效率高，

应用范围广，发展潜力更大

分辨率高、价格低，相当长时期内仍是主流（已趋于成熟）

价格偏高、制作大幅面数字相机还有困难（技术尚未成熟）

Donald.L.Light论文：

“Filmcameraordigitalsensor?

Thechallengeaheadaerialimaging”

（PE&RS,Vol.62,No.3,March1996）

－胶片分辨率通常用：

线对（lp）/mm表示；数字影像分辨率则用像元（Pixel）大小表示。

标准的航空像片其分辨率通常为40lp/mm，相当于80Pixel/mm，或像元大小为12um。

（同理可得：

60lp/mm＜=======＞像元大小为8um。

）

如果分辨率用dpi（dotsperinch）表示，则有下列等效关系：

12umpixelsize＜=======＞2000dpi

8umpixelsize＜=======＞3000dpi

关于影像扫描数字化的数据量：

对230×230航片，当采样间隔为12.5um时，每行（列）有18400pixels，则存储量为：

18400×18400/（1024×1024）=22MB.

－数字传感器的两种主要形式：

（利用CCD—ChargeCoupledDevice，CMOS将取代CCD）

线阵列扫描（linescanner/pushbroom）

面阵列扫描（matrixcamera）

－摄影比例尺：

数字影像实际上是一个数据文件，我们更关心它的像元尺寸（ImagePixelSize）和地面采样间隔（GroundSamplingDistance）。

地面采样间隔（GSD）=像元尺寸*（H/f）

显示（打印）比例尺=显示（打印）像元尺寸/GSD

RobertP.Comer在“TalkingDigital”一文中说道：

“…Itshouldbeclearthatscaledoesnottellthewholestoryfordigitalimagery”

－空中摄影基本理论：

（基本概念：

B、H、B/H、f）

航摄计划（航高、重叠度……经费预算、用户要求）

选择合适的摄影机（宽角、特宽角、胶片……）

航摄飞行（天气条件、空域申请……）交叉飞行、构架飞行

摄影处理（显影、定影、水洗、透明正片、相片……）

质量检查（重叠度大小、航偏角大小、影像反差……）航摄漏洞：

绝对、相对

GPS辅助的空中摄影是发展方向。

补充：

航摄像片上的特殊点、线

倾斜像片、水平像片、正片位置、负片位置、摄影中心、主距、像片倾角、像主点

像（地）底点、等角点、主纵线、灭点（vanishingpoint）

§2-1共线方程

摄影测量常用的坐标系：

－像方坐标系：

内定向

像平面坐标系（o-xy）＜＝＝＝＝＝＝＝扫描坐标系（i,j）

像空间坐标系（S-xyz）

像空间辅助坐标系（S-XYZ）

－物方坐标系：

摄影测量坐标系（P-XpYpZp）

地面摄影测量坐标系（A-XtpYtpZtp）

大地坐标系（T-XtYtZt）（左手系）

－航空摄影测量研究：

不能直接转换

o-xy================＞T-XtYtZt

↓↑

S-xyz→S-XYZ→P-XpYpZp→A-XtpYtpZtp

（其中：

t代表terrain地面；p代表photogrammetry摄影测量）

（除像平面坐标系和大地坐标系外，其他坐标系都可认为是过渡坐标系）

对于遥感而言，常用的坐标系还包括：

－传感器坐标系、框架坐标系、平台坐标系；

－地理坐标系（L、B、H）

－地心直角坐标系（XCYCZC）

－局部切面坐标系（XTYTZT）

－还有WGS-84世界大地坐标系等

航摄像片的内、外方位元素：

－内方位元素：

（xo≈0,yo≈0,f）即描述摄影中心与像片之间相互位置关系的参数。

确定方式：

摄影机检校（CameraCalibration），主要方法包括：

实验室检校；控制场检校；光束法自检校

摄影机检校的主要内容（光学和数字相机略有不同）：

光学：

内方位元素、物镜畸变差、框标间距等。

数码：

内方位元素、物镜畸变差、像元大小等。

－外方位元素：

即描述摄影瞬间摄影光束在空间的位置和姿态的参数，共有6个。

外方位线元素（Xs,Ys,Zs）

外方位角元素ψ，ω，κ--以Y为主轴（双像测图即立体测图）

ω＇，ψ＇，κ＇--以X为主轴（双像测图即立体测图）

A,α,kV--以Z为主轴（单像测图即单片纠正）

三个角元素可理解为是航空摄影时候飞机的：

俯仰角、滚动角和航偏角。

确定方式：

利用控制点空间后交（地→空型）；利用GPS/IMU（POS）（空→地型）；

利用星相机空间后交。

空间直角坐标变换：

－S-xyz与S-XYZ之间的变换：

[X,Y,Z]T=R[x,y,-f]T

反算式：

[x,y,-f]T=RT[X,Y,Z]T，（其中R为正交矩阵：

RT=R–1）

－方向余弦的确定

cos

x

y

z

X

a1

a2

a3

Y

b1

b2

b3

Z

c1

c2

c3

三种转角系统：

R=f（ψ，ω，κ）=f（ω’ψ’κ’）=f（A,α,kV）

注意：

①ψ≠ψ’；ω≠ω’；κ≠κ’

但由三种角元素计算所确定的方向余弦ai,bi,ci对应相等；

　　②计算过程中有时只需要求方向余弦即可（作为附加产品），没必要求出角元素。

中心投影的构像方程与投影变换：

－中心投影的构像方程：

它是摄影测量与遥感学科中最为重要的公式之一。

共线方程（CollinearityConditionEquation）的含义：

即摄影中心、像点及对应地面点三点共线（2-11式）。

要求掌握式中每个符号的意义。

－共线方程的主要应用为；

单片空间后方交会；

多片空间前方交会；

光束法空中三角测量的基础方程；

解析测图仪中的数字导杆；

计算模拟像片数据（已知内、外方位元素及DEM）；

利用DEM进行单片测图；etc.

－中心投影变换

注意中心投影（如航空像片）和正射投影（如正射影像、地形图）的区别。

当像片严格水平、地面绝对平坦时中心投影和正射投影之间没有区别。

补充：

理想情况：

像片水平、地面绝对平坦，则无像点位移，此时中心投影等效于正射投影。

－因像片倾斜引起的像点位移（

）（简单认识：

地面上的一组平行线在像片上不平行。

）

①　在像水平线上无因像片倾斜引起的像点位移；

②　因像片倾斜引起的像点位移可通过像片纠正的方法一次改正。

－因地形起伏引起的像点位移（投影差

=rh/H）

1像底点上无投影差；

2因地形起伏引起的像点位移在以像底点为中心的辐射线上；

3通过像片纠正可以限制投影差的大小，使其满足测图精度要求（要完全消除

只有逐点纠正）。

因地形起伏引起的像点位移是立体观测的基础。

§2-2单幅影像解析基础

－影像内定向：

仪器坐标（或扫描坐标）与像片坐标之间的转换

内定向步骤：

①框标识别

②利用框标的像片坐标和扫描坐标求转换公式中的系数；

③将所求得的系数回代转换公式求任意一点扫描坐标所对应的像片坐标。

－空间后方交会的含义：

已知：

像片覆盖范围内地面上三个以上控制点的坐标Xc,Yc,Zc

控制点所对应的像点坐标xc,yc和

内方位元素：

xo,yo,f（一般认为已知）

求：

像片摄影瞬间的外方位元素。

－空间后方交会的基本公式：

共线方程。

注意：

①共线方程中观测值和未知数之间是非线性的，平差解算之前需对其线性化；

②线性化按泰勒阶数展开，未知数取一次小项；

③线性化过程要引入未知数的初值；

④平差计算过程是迭代进行的；

⑤至少需要已知三个地面平高控制点的坐标。

－空间后方交会的解算过程：

1获取已知数据。

2量测控制点的像点坐标。

3确定未知数的初始值。

4计算旋转矩阵R。

5逐点计算像点坐标的近似值。

6逐点计算误差方程式的系数和常数项，组成误差方程式。

7计算法方程的系数矩阵ATA与常数项ATL，组成法方程式。

8解求外方位元素。

9检查计算是否收敛。

－空间后方交会的精度评定：

mi=

m0；m0=±

－出现空间后方交会不定解的情况：

①地面平坦，误差方程式系数之间相关；

②地面控制点和摄影中心位于危险圆上。

－理论分析结论：

1空间后方交会精度取决于控制点的个数；

2一般κ角的精度较ψ，ω的精度要低；

3Zs的精度比平面精度要高。

§2-3立体像对相对定向与核线几何

补充：

立体视觉原理与立体观察

人眼相当于一架照相机；（认知科学认为这种比喻过于简单）

人眼的立体视觉是计算机立体视觉的基础。

对纵深/距离/高度的判断，立体观测优于单目观测；

基/高比大，有利于提高立体观测的精度，基/高≈1为好。

（可借助仪器扩大眼基线）

人造立体视觉的概念与应用。

（虚拟现实）

双像解析摄影测量的任务与方法：

－把问题归结为：

已知：

一个立体像对+若干地面控制点的坐标

量测：

像点坐标（包括地面控制点的和待求点的）

求：

待求点的地面坐标

－三种解析处理方法：

①单像空间后方交会－双像空间前方交会

②相对定向－绝对定向

③光束法整体解求（一步法）

解析法相对定向：

目的：

恢复摄影时左、右片之间的相互（位置和姿态）关系，建立与地面相似的几何模型。

－相对定向元素

连续法相对定向元素：

by,bz,ψ，ω，κ

单独法相对定向元素：

ψ1，κ1,ψ2，ω2，κ2

－解析法相对定向原理

从共面条件出发，解析计算出5个相对定向元素，以恢复左、右片的相互关系。

共面条件方程：

（确定摄影基线与左、右片同名光线三矢量共面的方程）

－解析法相对定向过程

注意：

①共面条件需线性化，未知数需引入初值，计算是迭代进行的；

②相对定向无需地面控制点的信息；

§2-4立体像对的空间前方交会

目的：

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的坐标。

1利用点投影系数的空间前方交会方法；

步骤：

1）根据单片后交结果求：

R1、R2、Bx、By、Bz

2）计算[X1,Y1,Z1]T和[X2,Y2,Z2]T

3）求N1、N2

4）计算物方空间坐标（或模型坐标）。

2利用共线方程的严格解法。

§2-5单元模型的绝对定向

目的：

把相对定向后前方交会求得的模型点坐标纳入到大地坐标系中。

－绝对定向元素（12-5=7个：

Ψ，Ω，Κ，λ，ΔX,ΔY,ΔZ）

－绝对定向基本公式：

三维空间相似变换。

－解析法绝对定向过程

注意：

①三维空间相似变换式需线性化，未知数需引入初值，计算是迭代进行的；

②绝对定向至少需要已知2个平高控制点、1个高程控制点的地面坐标。

－坐标重心化的概念及意义

§2-6立体影像对光束法严密解（一步法）

一一步法指同时解求两张像片的外方位元素和待定点的地面坐标。

－解算基本公式：

共线条件方程。

第三章解析空中三角测量

§3-1概述

－解析空中三角测量（AerialTriangulation）的目的和意义：

根据像片上的二维量测坐标求出该点所对应的物方空间三维坐标的方法。

（x，y）i----->（X，Y，Z）i

－解析空中三角测量的分类：

空中三角测量即俗称的加密，传统上有三种方法：

航带法、独立模型法、光束法。

比较\方法

航带法

独立模型法

光束法

平差单元

以航带为单元

以独立模型为单元

以单张像片为单元

平差观测值

Xp,Yp,Zp

Xm,Ym,Zm

x,y

整体平差公式

多项式

空间相似变换

共线方程

系统误差改正

通过非线性改正

没考虑

通过共线条件

原理：

近似------------------------------------>严密

精度：

低------------------------------------>高

速度：

快------------------------------------>慢

应用：

低精度测图加密----->测图目的加密------>高精度点位测定

和提供平差初值

§3-3像点坐标量测与系统误差改正

－像点坐标的量测

－因物理因素引起的像点位移（它们是系统误差的主要误差源）

物理因素包括：

底片变、形物镜畸变、大气折光、地球曲率等；

位移结果：

像点、摄影中心和物点偏离了三点共线。

改正方法：

模拟法、解析/数字法有别。

§3-7系统误差补偿与自检校光束法区域网平差（Self-calibration）

－问题的提出：

试验发现

理论上：

光束法优于独立模型法优于航带法

实际上：

并非完全如此

原因：

像片坐标系统误差未严格考虑

－像片坐标系统误差来源：

摄影系统、量测系统

－自检校光束法区域网平差的基本思想是：

把可能存在的系统误差作为待定参数引入区域网空中三角测量的整体平差运算中求出其值。

§3-8摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差（CombinedAdjustment）

－摄影测量观测值：

指用摄影测量方法得到的观测值，如像点坐标、模型坐标等；

－非摄影测量观测值：

指不是用摄影测量方法得到的观测值，如水平距离、方位角等。

－联合平差定义：

在摄影测量平差计算中利用各种非摄影测量的原始观测值或相对控

制条件，在一个统一的三维坐标系中进行整体平差的理论、方法和技术。

－为什么要进行联合平差？

①摄影测量加密的精度已提高到可以与大地测量观测值相当；

②加密的目的不仅仅是为了测图，而且还应用于加密三、四等大地网、变形测量及地籍测量；

③在困难地区要减少甚至不做地面控制，就要利用非摄影测量信息。

GPS辅助空中三角测量原理：

－关于全球定位系统（GPS）

－GPS辅助空中三角测量含义：

利用装在飞机上的一台GPS信号接收机和设在地面基准站的GPS接收机同时而连续地接收GPS信号，通过处理获取航摄仪暴光时刻摄影中心的三维坐标，然后将其视为带权观测值引入摄影测量的区域网平差中，经采用统一的数学模型和算法以整体确定物方点坐标和像片外方位元素并评定其质量的理论、技术和方法。

－空中三角测量的现状和发展趋势：

1地面控制点+空中三角测量

2少量地面控制点+GPS辅助空中三角测量

3完全不要地面控制点+POS辅助空中三角测量；或只要GPS+INS，而不要空三。

§3-9自动空中三角测量

定义：

从数字影像或数字化影像出发，利用影像匹配技术代替人眼的立体观测来实现自动转点和影像坐标自动量测，最终实现地面三维坐标的自动测定，全过程很少或几乎不要人工干预。

－自动空中三角测量的主要内容：

自动内定向

自动选点和自动相对定向

多片匹配自动转点

控制点半自动量测

－自动空中三角测量的优越性体现在：

①匹配量测像点坐标可以达到很高的精度；（精度高）

②每片的连接点个数可以多达几百个甚至更多，提供了极强的区域连接几何条件；（可靠性好）

③速度快、自动化程度高、无需专门的摄影测量仪器设备。

（经济、快速）

－关于在线（Online）空中三角测量

将像点量测与平差计算放在同一环节中进行，边量测、边计算，量测结束，计算也结束，可以对像点坐标量测中的粗差进行实时监控。

第四章数字影像与特征提取

补充：

概述

－定义：

由数字影像或数字化影像出发，通过计算机对这种数字影像信息进行处理和加工，以获取所需要的图形和数字信息称之为数字摄影测量。

－组成：

计算机辅助测图

混合数字摄影测量

影像数字化测图全数字摄影测量通用全数字摄影测量

实时全数字摄影测量（工业）

－特点：

从处理对象、仪器设备、产品形式考虑。

Key：

计算机代替人眼的立体观测。

－全数字摄影测量（FullDigitalPhotogrammetricSystem/DPS/DPW；Softcopy）

若干典型问题：

①辐射信息量；

②数据量；

③速度与精度；

④影像匹配；

⑤影像解译。

－发展与挑战：

RS（DPS）+GIS+GPS+ES+…è影像信息学（影像信息工程系统）

§4-1影像数字化和影像重采样

－影像数字化过程：

采样和量化

－数字影像的构成：

二维灰度矩阵

－数字影像的内定向：

扫描坐标与像片坐标之间的转