摄影测量与遥感 教材.docx
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摄影测量与遥感教材
摄影测量与遥感
1摄影测量
1.1基本原理
1.1.1摄影测量的定义
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。
1988年ISPRS在日本京都第16届大会上对摄影测量与遥感的定义：
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。
摄影测量学可从不同角度进行分类。
按摄影距离的远近分，可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量。
按用途分类，有地形摄影测量和非地形摄影测量。
按处理的技术手段分，有模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量。
1.1.2摄影测量学发展的三个阶段
模拟法摄影测量（1851-1970）其基本原理是利用光学/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。
解析法摄影测量（1950-1980）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。
数字摄影测量（1970-现在）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。
1.1.3单张航摄像片解析
航摄影像是航空摄影测量的原始资料。
像片解析就是用数学分析的方法，研究被摄景物在航摄像片上的成像规律，像片上影像与所摄物体之间的数学关系，从而建立像点与物点的坐标关系式。
像片解析是摄影测量的理论基础。
为了由像点反求物点，必须知道摄影时摄影物镜或投影中心、像片与地面三者之间的相关位置。
而确定它们之间相关位置的参数称为像片的方位元素，像片的方位元素分为内方位元素和外方为元素两部分。
内元素3个：
确定摄影物镜后节点与像片之间相互位置关系的参数（x0,y0,f）,可恢复摄影光束。
外方位元素6个：
3个直线元素描述摄影中心在地面空间直角坐标系中的位置（Xs、Ys、Zs），3个角元素描述像片在摄影瞬间的空间姿态（航向倾角φ、像片旋角κ、旁向倾角ω）。
为了研究像点与地面相应点的数学关系，必须建立中心投影的构像方程。
下式为一般地区中心投影的构像方程，由于这个方程推导中像点、投影中心和地面点三点共线，故又称共线方程式，是摄影测量中重要的基本公式之一。
图1-1共线方程式
利用航摄像片上三个以上像点坐标和对应地面点坐标，计算像片外方位元素的工作，称为单张像片的空间后方交会。
根据计算的结果，就可以将按中心投影规律获取的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射投影地形图。
1.1.4双像解析摄影测量
单张像片只能研究物体的平面位置，而在两个不同摄站对同一地区摄取具有重叠的一个立体像对，则可构成立体模型来解求地面物体的空间位置。
按照立体像对与被摄物体的几何关系，以数学计算方式，通过计算机解求被摄物体的三维空间坐标，称为双像解析摄影测量。
它是研究立体像对与被摄物体之间的数学关系，以及如何计算被摄物体的三维空间位置。
根据摄得的立体像对的内在几何特性，按物点、摄站点与像点构成的几何关系，用数学计算方式求解物点的三维空间坐标的方法有三种：
1、用单张像片的空间后方交会与立体像对的前方交会方式求解物点的三维空间坐标。
这种方法是以像片对内已有足够数量的地面控制点坐标为基础的。
其计算分两步走，即先根据地面控制点坐标，按共线条件方程解求像片的外方位元素，然后再依据求得的两像片的外方位元素，按照前方交会公式计算像对内其他所有地面点的三维坐标，从而建立数字立体模型。
2、用相对定向和绝对定向方法求解地面点的三维空间坐标。
此法是用具有一定相互重叠的两张相片，先采取恢复摄影瞬间两像片的相对位置和方位，使同名光线达到对对相交，建立起与地面相似的几何模型，然后再将立体模型进行平移、旋转和缩放的绝对定向，把立体模型的模型点坐标纳入到规定的坐标系中，并规化为规定的比例尺，以确定立体像对内所有地面点的三维坐标。
3、采用光束法求解地面点三维坐标。
这种方法是把待求的地面点与已知地面点坐标，按照共线条件方程，用连结点条件和控制点条件同时列出误差方程式，统一进行平差计算，以求得地面点的三维坐标。
此法理论上较为严密，它是把前两种方法的两个计算步骤合为一体同时解算。
相对定向：
利用立体像对中摄影时存在的同名光线对应相交的几何关系，通过量测的像点坐标，以解析计算的方法（此时不需要野外控制点），解求两像片的相对方位元素值的过程，称之为解析相对定向。
确定相邻两像片的相对位置和姿态的要素，称之为相对定向元素。
相对定向的目的是建立一个与被摄物体相似的几何模型，以确定模型点的三维坐标。
绝对定向：
相对定向建立起的立体模型，是相对于选取的某个坐标系，这个坐标系在地面坐标系中的方位是未知的，比例尺也是任意的，要确定立体模型在地面坐标系中的方位和大小，则需要把模型坐标变换为地面坐标，这种坐标系的变换称之为模型的绝对定向。
其目的是将建立的模型坐标纳入到地面坐标系统中，并归化为规定的比例尺。
1.1.5空中三角测量与区域平差
单张影像的空间后交，一张影像需要4个外业控制点。
通过相对定向、绝对定向，一个像对需要4个外业控制点。
为了尽量减少野外测量工作，由单张影像拼接成航带，多条航带拼接成区域，在区域周边及内部，布设少量控制点，采用空中三角测量与区域平差，确定整个区域内所有影像的方位元素。
1.2技术设计
了解用户的需求及成果的用途，根据需求选择技术方法，确定成图比例尺，选择坐标系统和高程基准。
成图目标明确后，根据有关的国家规范，确定分幅及编号，确定基本等高距，确定成图的平面和高程精度。
下面是项目实施前必须明确的基本要素：
1.2.1坐标系统
目前，我国采用的坐标系统有以下几种：
2000国家大地坐标系：
2008年第2号：
根据《中华人民共和国测绘法》，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。
2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8-10年。
现行各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系统；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。
2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。
Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0作为初始指向来推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转；X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点；Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。
2000国家大地坐标系的尺度为引力相对论意义下的局部地球框架下的尺度。
2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数数值为：
长半轴a=6378137m
扁率f=1/298.257222101
地心引力常数GM=3.986004418×1014m3s-2
自转角速度ω=7.292115×10-5rad/s
1980西安坐标系：
现行国家大地坐标系统。
1980西安坐标系是在1954年北京坐标系基础上对天文大地网进行整体平差后建立的。
大地原点在西安市泾阳县永乐镇。
其椭球参数采用的是国际大地测量与地球物理学联合会（InternationalUnionofGeophysics,IUGG）1975年推荐的椭球参数。
长半轴a=6378140m
扁率f=1/298.257
1954年北京坐标系：
现行国家大地坐标系统。
1954年北京坐标系采用三角形联测的方法将起始坐标从前苏联普尔科沃天文台的大地基点传递过来，经各局部外业逐步布测并分别平差后，得到全国三角点的平差结果。
这些坐标所依据的坐标定名年北京坐标系。
原点在前苏联普尔科沃。
其参考椭球为克拉索夫斯基椭球体，其主要参数为：
长半轴a=6378245m
扁率f=1/298.3
1.2.2高程基准
1956黄海高程系统
1956年9月4日，国务院批准试行《中华人民共和国大地测量法（草案）》，首次建立国家高程基准，称“1956年黄海高程系统”，系以青岛验潮站1950-1956年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。
原点设在青岛市观象山。
该原点以“1956年黄海高程系统”计算的高程为准（72.289m）。
1985国家高程基准
确定1985国家高程基准所依据的黄海平均海平面是利用青岛验潮站1952年-1979年的验潮数据，并用中数法的计算值推断出来的。
其中验潮站工作零点2.4289m,比1956年黄海平均海面高3.89cm。
根据这个高程基准面作为全国高程的统一起算面,称为“1985国家高程基准”。
1.2.3分幅及编号要求
为便于国家基本比例尺地形图的管理和使用，需要对各种基本比例尺的地形图进行统一的分幅和编号。
现采用的标准是国家测绘局部1992年制定并颁布实施的《国家基本比例尺地形图分幅和编号》（GB/T13989-92）。
分幅
国家基本比例尺地形图均以1:
100万地形图为基础图,按规定的经纬差划分图幅。
各种比例尺经纬差见下表:
比例尺
1:
100万
1:
50万
1:
25万
1:
10万
1:
5万
1：
2.5万
1：
1万
1：
5千
图幅
范围
经差
6°
3°
1°30′
30′
15′
7′30″
3′45″
1′52.5″
纬差
4°
2°
1°
20′
10′
5′
2′30″
1′15″
编号
1：
1000000地形图编号：
1：
1000000地形图的编号采用国际1：
1000000地图编号标准。
1：
500000-1：
5000地形图的编号：
1：
500000-1：
5000地形图的编号均以1：
1000000地形图编号为基础,采用行列编号方法。
比例尺代码见下表:
比例尺
1:
50万
1:
25万
1:
10万
1:
5万
1：
2.5万
1：
1万
1：
5千
代码
B
C
D
E
F
G
H
大比例尺地形图大多按纵横坐标格网线进行分幅,即采用正方形或矩形分幅；编号按图廓西南角坐标公里数编号，也可按测区统一顺序编号。
1.2.4地形类别，基本等高距的确定
地形图类别按图幅范围内大部分的地面倾斜角和高差划分为平地、丘陵地、山地、高山地,各种比例尺都有划分的规定。
当高差与地面倾斜角矛盾时,以地面倾斜角为准。
图幅基本等高距依地形类别进行划分。
例如1:
500-1:
2000比例尺地形类别是这样规定的：
地类
坡度
平地
<20
丘陵地
20-60（含20）
山地
60-250（含60）
高山地
>=250
1:
500-1:
2000基本等高距，单位为米：
基本等高距
地形类别
平地
丘陵地
山地
高山地
成图比例尺
1:
500
0.5
1.0（0.5）
1.0
1.0
1:
1000
0.5（1.0）
1.0
1.0
2.0
1:
2000
1.0（0.5）
1.0
2.0（2.5）
2.0（2.5）
注：
括号内表示依用图需要选用的等高距。
1.2.5平面精度和高程精度
平面精度指点的平面坐标与该点的实地理论坐标的差,各种比例尺测绘成果都有明确的规范要求。
高程精度指点的高程与该点实地理论高程的差,各种比例尺测绘成果都有明确的规范要求。
例如1:
5000-1:
10000地形图的精度要求：
mm
平地、丘陵地
山地、高山地
加密点
0.35
0.50
地物点
0.50
0.75
内业加密点、高程注记点和等高线对附近野外控制点的高程中误差不大于下表规定：
m
成图比例尺
1:
5000
1:
10000
地形类别
平地
丘陵地
山地
高山地
平地
丘陵地
山地
高山地
高程中
误差
内业加密点
-
1.0
2.0
2.5
-
1.0
2.0
3.0
高程注记点
0.35
1.2
2.5
3.0
0.35
1.2
2.5
4.0
等高线
0.5
1.5
3.0
4.0
0.5
1.5
3.0
6.0
1.3航空摄影
1.3.1航摄摄影平台及摄影仪
目前国内常用的航摄仪有：
RC－20、RC－30；LMK-1000等。
航摄飞机：
双水獭、运5、奖状（国内）等。
数字航摄摄影机有：
LeicaADS40、ULTRACAM、DMC、SWDC-4等。
航空摄影的发展方向：
✧数字化、无胶片、定点摄影
✧真彩色、全色及高光谱
✧航摄仪带相移补偿（自动测定V／H）
✧带有惯导和高精度差分GPS的航摄系统
✧现代航空摄影－基于IMU/DGPS的航空摄影
1.3.2航摄计划与航摄设计
根据测图需要，拟定航摄任务，由航摄委托单位和航摄执行单位共同商定有关具体事项，制定航摄计划，签订航摄合同，航摄合同的主要技术内容应包括：
✧航摄地区和摄影面积
✧测图方法、测图比例尺和摄影比例尺
✧航线敷设类型、技术参数和航摄附属仪器参数
✧航摄胶片型号及对其他感光材料性能的要求
✧需提供的航摄成果的名称和数量
✧执行航摄任务的季节和期限
✧特殊的技术要求等
航摄季节和航摄时间选择应遵循以下原则：
✧航摄季节应选择摄区最有利的气象条件；应尽量避免或减少地表植被和其他覆盖物（如积雪、洪水、扬沙等）对摄影和测图的不利影响，确保航摄像片能够真实地显现地面细部
✧选择航摄时间，既要确保具有足够的光照度，又要避免过大的阴影。
一般根据摄区的太阳高度角和阴影倍数确定。
航摄分区的划分应遵循以下原则：
✧分区界线应与图廓线相一致。
✧分区内的地形高差不得大于四分之一相对航高（以分区的平均高度平面为基准面的航高）。
✧在地形高差符合以上规定，且能够确保航线的直线性的前提下，分区应尽量划大。
✧当地面高差突变，地形特征差别显著或有特殊要求时，可以破图廓划分航摄分区。
航线敷设应遵循以下原则：
✧航线按东西向直线飞行。
特定条件下可按照地形走向作南北向飞行或沿线路、河流、海岸、境界等任意方向飞行。
✧常规摄影航线应与图廓线平行敷设。
✧水域、海区航摄时，航线敷设要尽可能避免像主点落水；要确保所有岛屿达到完整覆盖，并能构成立体像对。
✧荒漠、高山区荫蔽地区等和测图控制作业特别困难的地区，可以敷设构架航线。
构架航线根据测图控制布点设计的要求设置。
1.3.3航摄仪的选择和检定
航摄仪的选择主要根据测图精度要求、测图的仪器设备、测图比例尺、测图方法以及现有航摄设备等综合考虑确定。
同一摄区内各航摄分区应尽量选择同一主距的航摄仪。
对于面积较大的摄区，最多可采用三个不同主距的航摄仪，但在同条航线上只能采用同一主距的航摄仪。
在下列之一情况下须对航摄仪进行检定：
✧距前次检定的时间超过2年
✧快门曝光次数超过2万次时
✧航摄仪经过大修或主要部件更换以后
✧航摄仪产生剧烈震动以后。
检定时，航摄仪物镜应戴上黑白摄影时常用的滤光镜。
各项检定数据应准确地记入航摄仪履历簿和航摄鉴定表中。
航摄比例尺应根据不同摄区的地形特点，在确保测图精度的前提下，本着有利于缩短成图周期、降低成本、提高测绘综合效益的原则在下表范围内选择。
成图比例尺
航摄比例尺
1:
500
1:
2000-1:
3500
1:
1000
1:
3500-1:
7000
1:
2000
1:
7000-1:
14000
1:
5000
1:
10000-1:
20000
1:
10000
1:
20000、1:
25000、1:
32000
1:
25000
1:
25000-1:
60000
1:
50000
1:
50000
1:
100000
1:
60000-1:
100000
如果测图单位需要，可使用必要的航摄附属仪器。
其性能应满足测图单位提出的技术要求。
所用附属仪器的检定项目和检定方法，除另有专项规定外，可按生产厂方提供的使用规定执行。
1.3.4试飞、试摄
在正式作业前，以下情况应进行试飞或试摄：
✧新改装的航摄飞机，应进行试飞；
✧新购进、检修后和油封喉重新启用的航摄仪，应进行试摄
✧新编成的航摄机组，应组织试飞和试摄
✧地形或气象条件复杂的摄区，应组织视察飞行
1.3.5航摄质量验收
飞行质量要求：
像片重叠：
航向重叠度一般应为60%-65%，个别最大不得大于75%，最小不得小于56%。
旁向重叠度一般应为30%-35%，个别最小不得小于13%。
像片倾斜角一般不大于2度，最大不超过3度
像片旋偏角一般不大于6度，最大不超过8度（且不得连续3片）。
航线弯曲度不大于3%
此外，对航高差，测区、分区、图廓覆盖保证、按图符中心线敷设航线的飞行质量、构架航线、漏洞补摄、记录资料填写都有相关要求。
摄影质量要求：
航摄底片的构像质量应满足下列要求：
✧灰雾密度（D0）不大于0.2
✧最小密度（Dmin）不小于D0+0.2；
✧最大密度（Dmax）为1.2-1.6
✧反差（△D）为0.6-1.4（对于沙漠、森林等地密度反差最小为0.5），最佳值为1.0
此外对曝光瞬间造成的像点最大位移和因胶片未压平引起的像点位移误差都有明确要求，
目视影像应清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和；能辨认出与摄影比例尺相适应的细小地物影像；应能建立清晰的立体模型。
底片上不应有云、云影、划痕、静电斑、折伤、脱胶等缺陷。
底片定影和水洗必须充分，框标影像和其他记录影像必须清晰、齐全、各类附属仪器仪表记录资料应满足测图单位提出的具体要求，彩色、彩色红外摄影应正确选择滤光镜，确保曝光量正常，底片密度和反差适中、影像清晰、色彩丰富、颜色饱和、色彩平衡良好，彩色红外摄影红外特征明显，相邻底片上相同地物的彩色基调基本一致。
检查时，一般在每条航线上抽取3-4张底片，用密度计直接量测底片的密度值，获取一系列灰雾、最小和最大密度值，然后取平均值得到D0、Dmin、Dmax、△D。
密度计的量测孔径为1.0mm，且注意不要选择个别的或特殊的反光点进行量测。
验收程序：
航摄执行单位首先要按航摄规范和航摄合同规定对全部航摄成果资料逐项进行认真检查，并详细填写检查记录手簿，之后根据航摄资料移交书和摄区合同规定，将全部成果资料整理齐全后，移交给航摄委托单位代表验收，航摄委托单位代表依据规范和摄区合同规定对全部成果资料验收合格后，双方在移交书上签字并办理移交手续。
1.4外业控制测量及调绘
1.4.1像片控制点的布设
像片控制点选点应满足下列条件：
a.像片控制点的目标影像应清晰，易于判别；
b.布设的控制点宜能公用，一般布设在航向及旁向六片或五片重叠范围内；
c.控制点距像片边缘不应小于1cm或1.5cm，综合法成图的控制点距航向边缘不应小于上述规定的1/2；
d.控制点距像片的各类标志大于1mm；
e.控制点应选在旁向重叠中线附近，离开方位线的距离应大于3cm或4.5cm；当旁向重叠过大，不能满足要求时，应分别布点；旁向重叠较小使相邻航线的点不能公用时，可分别布点，此时控制范围所裂开的垂直距离一般应小于1cm，困难时不应大于2cm；
f.位于自由图边、待成图边以及其他方法成图的图边控制点，应布设在图廓线外。
像片控制点的布设方法包括以下几种：
✧全野外布点，又分为综合法成图的全野外布点和全能法成图的全野外布点
✧航线网布点
✧区域网布点
✧特殊情况的布点，包括航摄区域结合处的布点、航向重叠不够的布点、旁向重叠不够的布点、像主点和标准点位落水的布点、水滨和岛屿的布点。
1.4.2基础控制点测量
除使用国家等级点外，可根据测区的实际情况和具体要求，合理布设测角中误差小于或等于5"的小三角点和导线点，以及施测等外水准作为像片控制测量的基础。
对于采用独立坐标系的小测区，也可布设5"级小三角网和导线网作为像片平面控制测量的基础。
1.4.3像片控制点测量
1、精度要求
平面控制点和平高控制点，相对临近基础控制点的平面位置中误差，不应超过地物点平面位置中误差的1/5。
高程控制点和平高控制点，相对临近基础控制点的高程中误差不应超过基本等高距的1/10。
2、像片控制点的判刺和整饰
野外控制点应以判点为主、刺点为辅。
平面控制点宜选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角顶点、影像小于0.2mm的点状地物中心。
弧形地物及阴影等不应选作点位目标。
高程控制点的点位目标应选在高程变化较小的地方。
像片控制点的整饰按规范要求整饰、注记和绘制局部放大的详细点位略图。
基础控制点使用原有编号。
像片控制点的编号由技术设计书作出具体规定。
3、像片控制点的平面测量
导线不应超过三次附合。
线形锁的传距角一般不应小于30度。
线形锁不应超过二次附合。
交会法：
交会角应在30度-150度之间。
交会点从一级导线或一级锁点发展时，可再发展一次交会点；交会点的起算点全为基础控制点时，交会边长可放至图上1000mm，山地、高山地可以再发展一次交会点。
引点：
本点至引点的距离应用钢尺丈量，不能用视距法测定，距离应往返丈量，两次丈量较差不应超过距离的1/1000。
当距离用光点测距仪测定时，应进行二次独立观测。
引点应在本点观测两个连接角，水平较应观测一测回。
4、像片控制点的高程测量
高程路线不宜用闭合环。
用闭合环时，起算点高程应确保无误，不能环套环。
高程控制点和平高控制点的高程测量可采用测图水准、光电测距高程导线、三角高程导线、独立交会高程点进行施测。
测图水准用于高差不大的地区，应起闭于水准点、经水准联测的三角点或等外水准点。
光点测距高程导线垂直角应对向观测，直返觇高差较差不应大于0.04Sm（S以百米为单位，300m以内按300米计算）。
三角高程导线：
用于山地和高山地，垂直角应对向观测，直返觇高差较差应不大于0.04Sm。
独立交会高程点：
用于1m或2m等高距的地区，采用三个单觇高程平均值。
5、像片控制点的观测、记簿与计算
水平角观测：
导线、线形锁、各种交会法的水平角应按方向观测法观测。
三个方向观测时可不归零。
应注意仪器对中和觇标竖直。
垂直角观测：
光电测距高程导线、三角高程导线、独立交会高程点和引点的垂直角观测可采用中丝法二测回，或三丝法一测回，一次读数。
水平角和垂直角观测限差按照规范要求
记簿：
原始观测值和记事项目应在现场用钢笔或铅笔记录在规定格式的外业手簿中，字迹应清晰、整齐、美观，不能擦改或涂改，不应转抄复制。
平面坐标和高程的计算：
平面坐标计算应取至0.01m，高程计算应取至0.01m，距离应取至0.01m，角度应取至1"，采用近似平差时，闭合差应以边长、转折角或测站数按比例进行配赋。
1.4.4采用GPS方法测量像控点
目前，广东的像控测量主要采用GDCORS的参考站为起算点，同时采用“双基准站（可以直接设在像控点上）一次上点”和流动站同步采集数据，然后由GDCORS的基准站来解算双基准站的坐标，再由双基准站来推算流动站的坐标。
双基准站和流动站的高程由采集到的大地高数据，结合广东省似大地水准面精化成果来求得。
野外观测的基本技术规定如下：
测量模式
卫星截止高度
同时观测有效卫星
数据采样间隔
GDOP值
数据存储模式
静态或快速静态
≥15
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