摄影测量与遥感概论Word下载.docx
《摄影测量与遥感概论Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《摄影测量与遥感概论Word下载.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
按处理手段模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量
摄影测量与遥感平台航天飞机无线电探空仪超高度喷气机中低高度飞机飞艇直升机无线遥探飞机牵引飞机系留气球索道吊车地面测量车
摄影测量的基本关系式
影像中的几何信息——模型重建/几何量测——地物几何位置
[XY]——[XYZ]
共线条件
[XYZ]=&
R[X-XsY-YsZ-Zs]
单像摄影测量的理论基础
[XY]（已知量）——共线方程——[XYZ]（未知量）
摄影测量的任务
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。
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
军事侦察
矿山工程
第三章
航空摄影机
使承片框处于固定不变的位置，承片框上四个边的中点各有一机械框标；
新型的航空摄影机，则是在四角设定四个光学框标；
两相对的框标连线成正交，其交点为平面坐标系的原点，从而使摄影的像片上构成框标直角坐标系；
航空摄影机物镜中心至底片面的距离是固定值，称为航摄机主距，常用f表示。
摄影机的主距分为：
长焦距（主距≥200mm）
中焦距（主距100～200mm）
短焦距（主距≤l00mm）
对应的像场角分为：
常角（75°
以下）
宽角（75°
～100°
）
特宽角（100°
以上）
摄影比例尺概念
摄影比例尺是指航摄像片上一线段为l与地面上相应线段的水平距L之比。
由于摄影像片有倾角，地形有起伏，所以摄影比例尺在像片上处处不相等。
我们一般指的摄影比例尺，是把摄影像片当作水平像片，地面取平均高程，这时像片上的一线段l与地面上相应线段的水平距L之比，称为摄影比例尺1／m，即1/m=1/L=f/H中，f为航摄机主距，H为平均高程面的航摄高度，称为航高。
摄影比例尺要求
摄影比例尺越大，像片地面分辨率越高；
但摄影比例尺过大，则费用增多，工作量增加。
摄影比例尺要根据测绘地形图的精度要求与获取地面信息的需要来确定。
测绘中比例尺地形图（1：
5万）,摄影比例尺略大或接近测图比例尺；
测绘大比例尺地形图（1：
1万），摄影比例尺小于测图比例尺，一般为测图比例尺的3～5倍。
空中摄影
空中摄影要按航摄计划要求进行。
在整个摄区，飞机要按规定的航高和设计的方向呈直线飞行，并保持各航线的相互平行。
像片重叠度:
同一条航线内相邻像片之间的影像重叠称为航向重叠，重叠部分与整个像幅长的百分比称为重叠度，一般要求在60％以上。
相邻航线的重叠为旁向重叠，旁向重叠度保持在24%以上。
保证像片立体量测与拼接。
空间摄影基线：
控制像片重叠度时，将飞机视为匀速运动，每隔一定空间距离拍摄一张像片，摄站的间距称为空间摄影基线B。
航线弯曲度：
航线弯曲度是指航带两端像主点之间的直线距离与偏离该直线最远的像主点到该直线垂距的比，一般采用百分数表示.航线的弯曲会影响到航向重叠、旁向重叠的一致性，如果弯曲太大，则可能会产生航摄漏洞，甚至影响摄影测量的作业。
因此，航线弯曲度一般规定不得超过3%;
像片旋角：
像片上相邻像主点连线与同方向框标连线间的夹角称为像片旋角
像片倾角：
空中摄影采用竖直摄影方式，即摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，它偏离铅垂线的夹角应小于3度，夹角称为像片倾角。
航摄像片上特殊的点、线
设地面为E，像片为P（即像平面）两平面相交于直线TT，称为迹线，即透视轴，平面夹角为像片倾角。
摄影中心：
影像是由地面上各点发出的光线通过航空摄影机物镜投射到底片感光层上形成的，这些光线会聚于物镜中心S，称为摄影中心。
中心投影;
像主点：
通过摄影中心S,垂直于像平面P的直线SO称为主光轴，它与像平面P的交点o称为像主点。
So称为航摄机的主距f
像底点：
通过摄影中心S作地平面E的铅垂线SN，称为主垂线，主垂线SN与像平面P的交点n称为像底点，与地面E的交点N称为地底点。
SN称为摄影航高H。
等角点：
主光轴SoO与主垂线SnN所夹的角a，称为像片倾斜角。
a角的二等分线与像片交点c称为等角点。
与E面的交点C称为等角点的共轭点。
主纵线:
通过主垂线SnN与主光轴SoO作一平面W，此平面称为主垂面,既垂直于像平面P,又垂直于地面E。
主垂面W与像平面P的交线VV，称为主纵线。
主垂面W与地面E的交线V0V0，称为摄影方向线。
摄影测量中常用的坐标系
像方空间坐标系（描述像点的位置）
像平面坐标系
像空间坐标系
像空间辅助坐标系
物方空间坐标系（描述地面点的位置）
摄影测量坐标系
地面测量坐标系
地面摄影测量坐标系
像平面坐标系用以表示像点在像平面上的位置，通常采用右手坐标系,x,y轴的选择按需要而定，在解析和数字摄影测量中，常根据框标来确定像平面坐标系，称为像框标坐标系。
在摄影测量解析计算中，像点的坐标应采用以像主点为原点的像平面坐标系中的坐标。
为此，当像主点与框标连线交点不重合时，须将像框标坐标系平移至像主点。
当像主点在像框标坐标系中的坐标为（x0，y0）时，则量测出的像点坐标x，y化算到以像主点为原点的像平面坐标系中的坐标为（x—x0，y—y0）。
为了便于进行空间坐标的变换需要建立起描述像点在像空间位置的坐标系，即像空间坐标系。
以摄影中心S为坐标原点，x，y轴与像平面坐标系的x，y轴平行，z轴与主光轴重合，形成像空间右手直角坐标系S-xyz。
像点坐标表示为（x,y,-f）。
像空间坐标系随着像片的空间位置而定，每张像片的像空间坐标系不统一。
此坐标系的原点为摄影中心S，坐标轴系的选择视需要而定，通常有三种选取方法。
其一是取铅垂方向为Z轴，航向为X轴，构成右手直角坐标系，见图（a）。
其二是以每条航线内第一张像片的像空间坐标系作为像空间辅助坐标系，见图（b）。
其三是以每个像片对的左片摄影中心为坐标原点，摄影基线方向为X轴，以摄影基线及左片主光轴构成的面作为XZ平面，构成右手直角坐标系，如图（c）。
用S-XYZ表示。
将像空间辅助坐标系S-XYZ沿着Z轴反方向平移至地面点P，得到的坐标系P-XpYpZp称为摄影测量坐标系。
由于它与像空间辅助坐标系平行，因此很容易由像点的像空间辅助坐标求得相应的地面点的摄影测量坐标。
地面测量坐标系通常指地图投影坐标系，也就是国家测图所采用的高斯—克吕格3°
带或6°
带投影的平面直角坐标系和高程系，两者组成的空间直角坐标系是左手系用T-XtYtZt表示。
摄影测量方法求得的地面点坐标最后要以此坐标形式提供给用户使用。
由于摄影测量坐标系采用的是右手系，而地面测量坐标系采用的是左手系，这给由摄影测量坐标到地面测量坐标的转换带来了困难，为此，在摄影测量坐标系与地面测量坐标系之间建立一种过渡性的坐标系，称为地面摄影测量坐标系，用D-XtpYtpZtp表示，其坐标原点在测区内的某一地面点上，Xtp轴与Xp轴方向大致一致，但为水平，Ztp轴铅垂。
构成右手直角坐标系。
摄影测量中，首先将摄影测量坐标转换成地面摄影测量坐标，最后再转换成地面测量坐标。
内外方位元素
确定航空摄影瞬间摄影中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态，描述这些位置和姿态的参数称为像片的方位元素。
内方位元素
表示摄影中心与像片之间相关位置的参数
外方位元素
表示摄影中心和像片在地面坐标系中的位置和姿态参数
三个直线元素
三个角元素
内方位元素是描述摄影中心与像片之间相关位置的参数，包括三个参数，即摄影中心S到像片的垂距（主距）f及像主点O在像框标坐标系中的坐标x0，y0。
内方位元素一般视为已知。
确定摄影光束在摄影瞬间的空间位置和姿态的参数，称为外方位元素。
一张像片的外方位元素包括六个参数，其中有三个是直线元素，用于描述摄影中心的空间坐标值，另外三个是角元素，用于表达像片面的空间姿态。
三个直线元素Xs，Ys，Zs表示
摄影中心S在地面空间坐标系中的坐标；
通常选用地面摄影测量坐标系
三个角元素
以y轴为主轴的j-w-k系统
以x轴为主轴的w‘-j’-k‘系统
以Z轴为主轴的A-a-ku系统
方向余弦
空间直角坐标变换
像点空间直角坐标的旋转变换是指像空间辅助坐标与像空间坐标之间的变换，是正交变换
中心投影构像方程式
共线方程（中心投影构像的基本公式）
共线条件方程的应用主要有：
①单像空间后方交会和多像空间前方交会；
②解析空中三角测量光束法平差中的基本数学模型；
③构成数字投影的基础；
④计算模拟影像数据（已知影像内外方位元素和物点坐标求像点坐标）；
⑤利用数字高程模型（DEM）与共线方程制作正射影像；
⑥利用DEM与共线方程进行单幅影像测图等等。
地图是正射投影，所有投影光线相互平行并与投影面正交
将倾斜摄影的像片变为水平摄影的像片的过程，就称为中心投影变换。
Z为常数H，c3＝cosα（α为像片倾角），则c3f也为常数
摄影测量中将任意倾角的像片变为规定比例尺的水平像片（即规定比例尺的影像地图）称为像片纠正。
地面点在地面水平的水平像片上的构像与地面有起伏时或倾斜像片上的构像的点位不同，这种点位差异称为像点位移。
－因像片倾斜引起的像点位移
－因地形起伏引起的像点位移
－物理因素引起的像点位移，摄影物镜的畸变差，大气折光，地球曲率以及底片变形等。
系统误差，用数学模型来描述。
在航摄像片上某一线段影像的长度与地面上相应线段距离之比，就是像片上该线段的构像比例尺。
（像片水平且地面也水平时，像片上任意线段的比例尺都相等）一个近似值，称为主比例尺。
单张像片空间后方交会
利用一定数量的地面控制点，根据共线方程，反求像片的外方位元素，这种方法称为单张像片的空间后方交会。
在空间后方交会中，通常是在像片的四个角上选取四个或更多的地面控制点，因而要用最小二乘法平差计算。
计算中，通常将控制点的地面坐标视为真值，而把相应的像点坐标视为观测值
若有n个控制点，则可按上式列出n组误差方程式，构成总误差方程式；
根据最小二乘法间接平差原理，可列出法方程式
空间后方交会的求解过程
①获取已知数据：
从摄影资料中查取像片比例尺1／m、平均航高、内方位元素x0,y0，f，从外业测量成果中，获取控制点的地面测量坐标Xt，Yt，Zt，并转化成地面摄影坐标Xtp，Ytp，Ztp
②量测控制点的像点坐标：
将控制点标刺在像片上，利用立体坐标量测仪量测控制点的像框标坐标，并经像主点坐标改正，得到像点坐标x，y。
③确定未知数的初始值；
在竖直摄影情况下，角元素的初始值为0，即j0＝w0＝k0＝0；
线元素中,ZS0＝H=mf，XS0，YS0的取值可用四个角上控制点坐标的平均值
④计算旋转矩阵R：
利用角元素的近似值计算方向余弦值，组成R阵。
⑤逐点计算像点坐标的近似值：
利用未知数的近似值按共线方程计算控制点像点坐标的近似值（x）；
（y）。
⑥组成误差方程式：
逐点计算误差方程式的系数和常数项。
⑦组成法方程式：
计算法方程的系数矩阵ATA与常数项ATL。
⑧解求外方位元素：
根据法方程，解求外方位元素改正数，并与相应的近似值求和，得到外方位元素新的近似值。
⑨检查计算是否收敛:
将求得的外方位元素的改正数与规定的限差比较，小于限差则计算终止；
否则用新的近似值重复4-8的计算，直到满足要求为止。
单眼观察景物时，人们感觉到的仅是景物的透视像，好像一张像片一样，不能正确判断景物的远近。
只有用双眼观察景物，才能判断景物的远近，得到景物的立体效应，这种现象称为人体的立体视觉。
由于交会角的差异，使得两弧长ab和a’b’不相等，其差s=ab-a’b’称为生理视差。
生理视差通过视神经传到大脑，通过大脑的综合，作出景物远近的判断。
因此，生理视差是判断景物远近的根源。
人造立体视觉条件：
两张像片必须是在两个不同位置对同一景物摄取的立体像对；
每只眼睛必须只能观察像对的一张像片；
两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼基线应大致平行；
两像片的比例尺相近（差别<
15％），否则需用ZOOM系统等进行调节。
解析法处理
利用像片的空间后方交会与前方交会来解求地面目标的空间坐标。
利用立体像对的内在几何关系，进行相对定向，建立与地面相似的立体模型，计算出模型点的空间坐标。
再通过绝对定向，将模型进行平移、旋转、缩放，把模型纳入到规定的地面坐标系之中，解求出地面目标的绝对空间坐标。
利用光束法双像解析摄影测量来解求地面目标的空间坐标。
这种方法将待求点与已知外业控制点同时列出误差方程式，统一进行平差解求。
这种方法理论较为严密，它把前面两种方法的两种步骤合在一个整体内。
前方交会
现已知两张像片的内、外方位元素，设想将像片按内外方位元素值置于摄影时的位置，显然同名射线S1a1与S2a2必然交于地面点A。
这种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地面坐标的方法，称为空间前方交会。
计算步骤
由已知的外方位角元素及像点的坐标，计算像空间辅助坐标；
由外方位线元素，计算摄影基线分量Bx，By，Bz；
计算投影系数N1，N2；
最后由前方交会公式计算地面点的地面摄影测量坐标。
由于N1和N2已经求出，计算地面坐标时YA应取平均值，是为了消除相对定向中存在的残差的影响。
双像解析计算的空间后交—前交方法
野外像片控制测量
用立体坐标量测仪量测像点的坐标
空间后方交会计算像片外方位元素
空间前方交会计算未知点地面坐标
相对定向--绝对定向
利用空间后方交会过程解求的像片外方位元素，是描述像片在摄影瞬间的绝对位置和姿态的参数，是一种绝对方位元素。
首先暂不考虑像片的绝对位置和姿态，而只恢复两张像片之间的相对位置和姿态，这样建立的立体模型称为相对立体模型，其比例尺和方位均是任意的；
然后在此基础上，将两张像片作为一个整体进行缩放、平移和旋转，达到绝对位置。
这种方法称为相对定向--绝对定向
解析法相对定向
用于描述两张像片相对位置和姿态关系的参数，称为相对定向元素。
用解析计算的方法解求相对定向元素的过程，称为解析法相对定向。
由于不涉及像片的绝对位置，因此不需控制点。
相对定向的共面条件
S1a1和S2a2为一对同名射线，其矢量用S1a1和S2a2表示，摄影基线矢量用B表示。
同名射线对对相交，表明射线S1a1,S2a2，及摄影基线B位于同一平面内，亦即三矢量S1a1,S2a2，B共面。
根据矢量代数，三矢量共面，它们的混合积等于零，即：
连续像对相对定向
1连续像对相对定向是以左像片为基准，求出右像片相对于左像片的5个定向元素by，bz，j，w，k。
2由共面方程可获连续像对相对定向的条件方程。
3为了统一，常将by，bz也化为用角度表示。
4按泰勒级数展开，取小值一次项，使之线性化。
5可得到连续像对相对定向的作业公式
6在立体像对中每量测一对同名像点的像点坐标（x1,y1）和（x2,y2）就可以列出一个Q方程式。
由于有5个未知数，因此至少需要5对同名像点。
当有多余观测值时，将Q视为观测值，可得误差方程式
7按最小二乘原理组成法方程，解求出未知数，即5个相对定向元素的改正数。
跌代运算，逐次修改各系数值及常数项，求出新的改正数，直到达到所需要的精度要求为止。
连续像对相对定向元素解算过程
①在立体坐标量测仪上，量测选定的6个定向点的像点坐标（x1，y1）及（x2，y2）。
②确定初始值：
假定左像片水平，则左片旋转矩阵R1为单位阵；
右片的角元素j,w,k及m,g的初始值取为零；
bx取定向点中1号点的左右视差（x1–x2）。
③根据初始值，计算右片旋转矩阵R2。
④根据输入的像点平面坐标，计算像空间辅助坐标
⑤根据给定的初始值，计算by，bz，并根据像空间辅助坐标，计算各点的投影系数N1，N2。
⑥根据连续像对相对定向的作业公式计算每个定向点的误差方程常数项及系数项，组成误差方程式。
⑦计算法方程系数矩阵及常数项，并解求法方程，求得未知数的改正数。
⑧求未知数的新值，即初始值加改正数。
⑨检查未知数的改正数是否大于限差，若大于限差，则重复③～⑧步的计算，直到所有改正数都小于限差为止。
解析法绝对定向
绝对定向为三维空间相似变换;
解决相对定向后所建立的立体模型与地面测量坐标系的关系;
绝对定向包括模型的旋转、平移和缩放；
要确定立体模型在地面测量坐标系中的正确位置，则需要把模型点的摄影测量坐标转化为地面测量坐标，这一工作需要借助于地面测量坐标为已知值的地面控制点来进行，称为立体模型的绝对定向。
解析法绝对定向的目的就是将相对定向后求出的摄影测量坐标变换为地面测量坐标。
模型的绝对定向，要求变换前后两坐标系的轴系大致相同。
首先将地面测量坐标系变换为地面摄影测量坐标系。
一个像对的两张像片有十二个外方位元素，相对定向求得五个元素后，要恢复像对的绝对位置，还要解求七个绝对定向元素。
上式中有7个未知数，至少需列7个方程，若将已知平面坐标（Xtp，Ytp）和高程Ztp的地面控制点称为平高控制点，仅已知高程的控制点称为高程控制点，则至少需要两个平高控制点和一个高程控制点，而且三个控制点不能在一条直线上。
生产中，一般是在模型四角布设四个控制点，因此有多余观测值，按最小二乘法平差解求。
坐标的重心化
为了简便计算，常选模型的重心为坐标系的原点，用g表示，以重心为原点的坐标称为重心化坐标。
坐标的重心化是区域网平差中经常采用的一种数据预处理方法。
它的目的有两个：
一是减少模型点坐标在计算过程中的有效位数，以保证计算的精度；
二是采用了重心化坐标以后，可使法方程式的系数简化，个别项的数值变成零，部分未知数可以分开求解，从而提高了计算速度。
绝对定向的解算过程
（1）确定待定参数的初始值：
Φ0=Ω0=К0=0，λ0=1，ΔX=ΔY=ΔZ=0。
（2）计算地面摄影测量坐标系重心的坐标和重心化的坐标。
（3）计算摄影测量坐标系重心的坐标和重心化的坐标。
（4）计算常数项
（5）组成总误差方程式。
（6）逐点法化及法方程式求解，得到待定参数的改正数。
（7）计算待定参数的新值（8）判断dΦ，dΩ，dК是否均小于给定的限值ε。
若大于限值ε，则重复计算，否则，计算过程结束。
光束法双像解析摄影测量
该解法含有左、右像片共十二个外方位元素为未知数。
对于每个待求点还引入三个坐标改正数为未知数。
若一个立体像对中有四个平高控制点和n个待求点，则共需要解求（12+3n）个未知数，而误差方程式个数为（16+4n）。
外方位元素和待定点坐标按照最小二乘法原理解求。
解析空中三角测量的目的和意义
在双像解析摄影测量中，每个像对都要在野外测求四个地面控制点。
这样外业工作量太大，效率不高。
能否只在一条航带十几个像对中，或几条航带构成的一个区域网中，测少量外业控制点，在内业用解析摄影测量的方法加密出每个像对所要求的控制点，然后用于测图？
解析法空中三角测量就是为解决这个问题而提出的方法。
解析空中三角测量指的是用摄影测量解析法确定区域内所有影像的外方位元素。
摄影测量方法测定（或加密）点位坐标的意义在于：
不需直接触及被量测的目标或物体，凡是在影像上可以看到的目标，不受地面通视条件限制，均可以测定其位置和几何形状；
可以快速地在大范围内同时进行点位测定，从而可节省大量的野外测量工作量；
摄影测量平差计算时，加密区域内部精度均匀，且很少受区域大小的影响；
所以，摄影测量加密方法已成为一种十分重要的点位测定方法。
解析空中三角测量的分类
从传统方法上讲，根据平差中采用的数学模型可分为航带法、独立模型法和光束法。
根据平差范围的大小，解析空中三角测量可分为单模型法、单航带法和区域网法。
航带法是通过相对定向和模型连接先建立自由航带，以点在该航带中的摄影测量坐标为观测值，通过非线性多项式中变换参数的确定，使自由网纳入所要求的地面坐标系，并使公共点上不符值的平方和为最小。
利用数字灰度信号，采用数字相关技术量测同名像点，在此基础上通过解析计算，进行相对定向和绝对定向，建立数字立体模型，从而建立数字高程模型、绘制等高线、制作正射影像图以及为地理信息系统提供基础信息等。
这就是数字摄影测量。
由于整个过程都是以数字形式在计算机中完成，因而又称为全数字化摄影测量。
数字影像内定向
在摄影测量中常取用以像主点为原点的像平面坐标来建立像点与地面点的坐标关系。
由于在像片扫描的数字化过程中，像片的扫描坐标系与像平面坐标系一般不平行，且坐标原点不同，所以同一像点的像平面坐标x，y与其扫描坐标x’，y’不相等，需要加以换算，这种换算称为数字影像内定向。
内定向坐标转换
X=a0+a1x’+a2y’
Y=b0+b1x’+b2y’
其中a0,a1,a2,b0,b1,b2称为内定向参数，其数值由像片上四个框标的扫描坐标及其相应的像平面坐标组成误差方程式，用平差运算求得。
内定向问题需要借助影像的框标来解决。
基于灰度的影像相关
对于全数字化摄影测量，在没有人眼的立体观测的情况下，如何从左、右数字影像中寻找同名像点，亦即数字影像相关，是全数字化摄影测量的核心问题。
影像相关是利用互相关函数，评价两块影像的相似性以确定同名点。
相关系数法
二维相关
一般在左影像上先确定一个待
升级会员 