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数字摄影测量
数字摄影测量基本知识
目录
一．测绘基本概念
Ⅰ.一些常用术语
1.误差
2.精度（精确度）
3.测量平差
4.三角测量
5.摄影比例尺
6.像片的内方位元素和外方位元素
7.4D产品
8.3S
Ⅱ.坐标系统
1.大地坐标系
2.高斯平面直角坐标系
3.其它坐标系：
4.高程基准
Ⅲ.空中三角测量
1.立体观测
2.内定向
3.相对定向
4.绝对定向
5.区域平差
6.联合平差
7.加密成果
二．数字摄影测量基本概念
1.数字摄影测量的定义
2.数字影像获取与重采样
3.影像匹配的基本概念
4.影像相关原理
5.二维相关与一维相关
6.金字塔影像
7.特征匹配与整体匹配
8.影像匹配的精度
9.数字微分纠正原理
三．数字摄影测量系统
一．测绘基本概念
Ⅰ.常用术语
1.误差error
a.系统误差systematicerror
测量的误差在大小和符号上趋于一致,或按一定规律变化,或保持为常数.
b.偶然误差randomerror
偶然误差也叫随机误差.其误差量值和符号的变化是没有规律的.
c.粗差Grosserrororblunder
粗差也称错误,一般大于5倍的中误差.
2.精度（精确度）accuracy
评定测量成果质量的数量指标.
a.平均误差averageerror
Mav=∑Δ/n;
b.中误差RMSE（RootMeanSquareError）
M=sqrt（∑ΔΔ/n）;
c.极限误差Limiterror
2M
d.相对误差relativeerror
中误差与观测值之比叫做相对中误差.航测中常用航高的几千分之一来表示高程精度,例如H/8000.
e.标准偏差standarddeviation
与中误差类似,欧美国家常用的评定精度指标.
3.测量平差Surveyadjustment
对一组观测值的误差进行合理配赋,求出最可靠的计算值作为终值,并对结果的精度进行评定。
最小二乘法（LeastSquareMethod）是测量平差的基础。
其基本原理是：
∑PVV=minimum;
4.三角测量Triangulation
通过观测三角网内各三角点上所有三角形的内角，并测定三角网的一些边，由某一三角点的已知坐标及一边的方位角，根据三角形的几何关系，推算其他点的坐标,这些测量与计算工作叫做三角测量。
5.摄影比例尺
严格讲，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，成为摄影比例尺1/m，即
1/m=l/L=f/H
式中，f为摄影机主距，H为平均高成面的航摄高度，称为航高。
摄影比例尺愈大，地面的影像愈清晰，有利影像的判读与提高成图的精度。
6.像片的内方位元素和外方位元素
内方位元素系指摄影机主距f和摄影机物镜后节点在像平面的正投影位于框标坐标系中的坐标值（x0,у0）。
这些数值通过对航摄机鉴定得出，故内方位元素总是已知的。
确定摄影光线束在摄影时的空间位置的数据，叫做像片或摄影的外方位元素。
外方位元素有6个数值,包括摄影中心S（图2）在某一空间直角坐标系中的3个坐标值Xs、Ys、Zs和用来确定摄影光线束在空间方位的3个角定向元素,如ψ、ω、k角。
这些外方位元素都是针对着某一个模型坐标系O－XYZ而定义的。
模型坐标系的X坐标轴近似地位于摄影的基线方向，Z坐标轴近似地与地面点的高程方向相符。
在模型坐标系内所建立的立体模型必须在其后经绝对定向的过程才能取得立体模型的正确方位。
7.4D产品4Dproducts
a.DEM（DTM）―DigitalElevationModel（DigitalTerrainModel）数字高程模型（数字地面模型）
b.DOM（DigitalOrthophotoMap）数字正射影象图
c.DLG（DigitalLineGraph）orDTI（DigitalThematicInformation）数字线划图或数字专题信息
d.DRG（DigitalRasterGraphic）数字栅格图
8.3S―GPS，GIS，RS
a.GPS-GlobalPositioningSystem全球定位系统
b.GIS-GeographicInformationSystem地理信息系统
c.RS-RemoteSensing遥感
Ⅱ.坐标系统Coordinatesystems
1.大地坐标系Geodeticcoordinatesystem
大地参考referencesystem:
克拉索夫斯基参考椭球体
大地经度longitude
大地纬度latitude
大地方位角azimuth
2.高斯平面直角坐标系Gaussplanarrectangularcoordinatesystem
投影面projectplane：
高斯-克吕格正形投影面,一种横轴圆柱投影.
1954北京坐标系
3.其它坐标系：
UTM墨卡托投影坐标系：
UniversalTransverseMercatorProjection
WGS84坐标系
4.高程基准Verticaldatum
1956,1985黄海高程系
Ⅲ.空中三角测量Analyticalaerialtriangulation
航空摄影测量的主题，是将地面的中心投影（航摄像片）变换为正射投影（地形图）。
1.立体观测Stereoobservation
在摄影测量工作站上,立体量测加密点及框标在左右像片上的坐标.
当作业人员通过观测系统使左右眼分别观察左片和右片，则可看到重建的立体光学模型。
建立立体视觉的方法，包括:
互补色法（Complementcolor）;
偏振光立体眼镜（Polarizedstereoeyeglassesandemitter）法;
液晶立体眼镜（liquidcrystaleyeglassesandemitter）法等。
2.内定向Internalorientation
内定向是指根据量测的像片四角框标坐标和相应的摄影机检定植,恢复像片与摄影机的相关位置,即确定像点在像框标坐标系中的坐标.
3.相对定向Relativeorientation
相对定向的含义是,恢复摄影瞬间立体像对内左右像片之间的相对空间方位.确定两个像片的相对空间方位需要5个参数.相对定向的数学关系通常用同名光线共面条件表示,即左右摄影中心至地面点的两条光线共面.相对定向一般假定左像片保持水平不变,右片相对左片的五个参数通常以基线分量Bx,By和右片的旋转角Ф,W,K表示.相对
定向方程式为非线性函数,需要将其线性化.相对定向至少需量测6个定向点,利用最小二乘法平差解算.
ZZ′
YY′
S基线S′X′
左核线aa′右核线
A
图1.立体像片对示意图
4.绝对定向Absoluteorientation
绝对定向也称大地定向,是指确定立体模型或由多个立体模型构成的区域的绝对方位,也就是确定立体模型或区域相对地面的关系.
在摄影测量中，相对定向所建立的立体模型常处在暂时的或过渡性的模型坐标系中，而且比例尺也是任意的，因此必须把它变换至地面测量坐标系中，并使符合规定的比例尺，方可测图，这个变换过程称为绝对定向。
绝对定向的数学基础是三维线性相似变换，它的元素有7个：
3个坐标原点的平移值,3个立体模型的转角值和1个比例尺缩放率。
5.区域平差BlockadjustmentorBlockaero-
triangulation
区域平差也称区域空中三角测量,俗称电算加密，是对整个区域网进行绝对定向和误差配赋.区域平差目前一般采用独立模型法或光线束法.独立模型法是以单个立体模型为单元;而光线束法则以单张像片为单元。
6.联合平差Simultaneousadjustment
联合平差是指，摄影测量数据与非摄影测量数据的整体联立解算。
联合平差也称，带辅助数据的解析空中三角测量。
辅助数据系指大地测量观测数据，例如地面距离、水平角、方位角，像片外方位元素，湖面点等高等条件。
目前，联合平差主要是指，摄影测量数据与机载GPS精确定位数据的同时整体解算。
这是空中三角测量的一项重要进展，可以实现少地控或无地控空中三角测量。
7.加密成果Triangulationresults
空中三角测量的成果，包括所有加密点的三维坐标和像片的外方位元素。
每张像片外方位元素有6个，包括像片对应的摄影中心坐标和三个绝对角元素。
二.数字摄影测量基本概念Basicconceptofdigitalphotogrammetry
1．数字摄影测量的定义Definitionofdigitalphotogrammetry
目前，世界上对于数字摄影测量的定义，主要有两种观点。
a.数字摄影测量是基于数字影象和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影象处理、影象匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。
美国等国称之为软拷贝摄影测量（SoftcopyPhotogrammetry），我国王之卓教授称为全数字摄影测量（FullDigitalPhotogrammetry）.这种定义认为，在数字摄影测量过程中，不仅产品是数字的，而且中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的。
b.另一种定义，则只强调其中间数据记录及最终产品是数字形式的，即数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术，从影象（包括硬拷贝，数字影象或数字化影象）提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量分支学科。
这种定义的数字摄影测量，包括计算机辅助测图（常称为数字测图）与影像数字化图。
影象数字化测图，是利用计算机对数字影象或数字化影象进行处理，用计算机视觉（其核心是影象匹配与影象识别）代替人眼的立体量测与识别，完成影象几何与物理信息的自动提取。
还有一种类型称之为混合数字摄影测量，通常是在解析测图仪上安装一对ＣＣＤ数字相机，对要量测的局部影象进行数字化，有数字相关（匹配）获得点的坐标。
2.数字影象获取与重采样 Acquiringandresamplingofdigitalimage
１）。
数字影象
数字影象是数字摄影测量的基础原始数据。
数字影象是以象元（象素pixel＝pictureelement）为单位，以灰度值表示的灰度矩阵。
也就是说，在扫描过程中将光学影象抽象为像元的点阵，每个像元范围（一个微小的区域）取灰度的平均值作为灰度值。
在解析摄影测量中，一个目标点向量Xap是三维的
Xap=（X,Y,Z）t
数字摄影测量与解析摄影测量及模拟摄影测量的根本区别,在于对影象辐射信息的计算机数字化处理.在全数字化摄影测量中,目标点向量Xdp为4维
Xdp=（X,Y,Z,D）t
其中D=D（X,Y）是该点的辐射量--影象的密度或灰度值,集合{D}就构成了数字影象.
2）.数字影象获取Digitalimagecollection
数字影象可直接从装在飞行器上的传感器产生,记录在磁介质上;也可以利用影象数字化器对摄取的光学影象扫描来获取,即把原来模拟方式的信息转换成数字形式的信息.
通常的航空像片,均须利用高精度的专用扫描仪将其数字化.这种扫描仪一般是由CCD（ChaugeCoupledDevice-电偶合器件）阵列传感器组成,分为线阵列和面阵列两种排列方式.
目前,用于数字摄影测量的高精度扫描仪,主要有如下几种:
a.Leica-Helava公司的DSW系扫描仪
b.Zess-Intergraph公司的PhotoScan扫描仪
c.VexcelVH4000扫描仪
3）.影象重采样ImageResampling
影象重采样,是指在原采样的基础上再一次采样,即当欲求不位于采样矩阵点的灰度值时,就需要进行内插,乃称之为影象重采样.每当对数字影象进行几何处理时,就需要作影象重采,影象的旋转、核线影象排队以及数字影象纠正,均属于影象重采样.
4）.影象数据量
数字影象的每一个数据代表了被摄物体上一个点的灰度或辐射强度,此点称为像元素、或像素、或像元.
像素的灰度值常以8位二进制数表示,即一个字节（byte）.
像素的间隔即采样间隔,根据采样定理由影象的分辨率确定.当采样间隔为0.05mm（响应于50μ）时,一张23cm×23cm的影象约包含21M（兆）字节（1M=1000000）.若采样间隔为15μ时,一幅影象的数据量为70M左右.一幅SPOT卫星影象约为36M字节.这表明数字影象的数据量是非常庞大的.
3.影象匹配的基本概念BasicConceptofImageMatching
1）.影象匹配的定义DefinitionofImageMatching
影象匹配,实质上是在两幅（或多幅）影象之间识别同名点.它是计算机视觉研究的核心问题,也是数字摄影测量的核心问题.
数字影象匹配,是利用计算机以数值计算方式,按特定的算法,根据一定的准则,比较左右影象的相似性,来确定其是否为同名影象块,从而确定相应同名像点.
2）.影象匹配研究的内容:
ConcerningContentsofImageMatching
影象匹配研究的内容,涉及影象匹配的精确性,可靠性,算法的适应性,以及匹配速度等.
3）.影象匹配策略:
StrategyofImageMatching
_多级影象匹配;
_从粗到细的影象匹配;
_从单点匹配到整体匹配;
4.影象相关原理PrincipleofImageMatching
影象相关是利用两个相关函数,评价它们的相似性,以便确定同名点.即首先取出以待定点为中心的小区域中的影象信号,然后取出其在另一影象中相应区域的影象信号,计算两者的相关函数,以相应函数最大值对应的相应区域中心点为同名点,即以影象信号分布最相似的区域为同名区域.同名区域的中心点为同名点.这就是自动化立体量测的基本原理.
最初的影象匹配,是利用相关技术来实现的,随后发展了多种影象匹配方法,所以影象匹配常常被称为影象相关.
5.二维相关与一维相关2DimensionalCorrelationandLinearCorrelation
二维相关一般先在左影象上确定一个待定点,称之为目标点,以此待定点为中心选取M×N个像素的灰度阵列,作为目标区或称目标窗口.在右影象上确定可能的搜索范围,相关过程就是依次在搜索区中取出M×N个像素灰度阵列,此搜索窗口通常取M=N,计算搜索窗口与目标区的相似性测度,当相似性测度取得最大值时,该搜索窗口的中心像素,则认为是待求的同名点.
一维相关,是利用摄影测量中”核线”的特性,将二维相关简化为一维相关.这里首先介绍核线的含义和特性.核面是通过摄影基线（插图中SS’）和任一地面点的平面.核面与左右影象相交的线,称为同名像点的左、右同名核线.由上述定义可知核线的特性为:
同名像点必然位于同名核线上.根据核线的这一特性,同名像点在右影象的搜索区,就可由面状区域缩小成一个线段—同名右核线.从而可大大提高影象相关的速度.
ZZ′
YY′
S基线S′X′
左核线aa′右核线
A
图1.立体像片对示意图
6.金字塔影象PyramidImage
综合考虑相关结果的正确性（或称可靠性）与精度（准确性）,得出目前广泛应用的从粗到精的相关策略.即先通过低通滤波,进行初相关,找到同名点的粗略位置,将其结果作为预测值,逐渐加入较高的频率成分,然后在逐渐变小的搜索区精确相关,最后用原始信号,以得到最好的精度.这就是分频道相关的方法.
对于二维影象逐次进行低通滤波,并增大采样间隔,得到一个像元总数逐渐变小的影象系列,依次在这些影象中相关,即对影象的分频相关.具体做法是,通过每2×2=4个像元平均作为一个像元,构成第二级影象,如此下去,将这些影象叠置起来,很象一座金字塔,因此通常称之为金字塔影象（Pyramid）,或分层结构影象（HierachicalStructure）,其每级（层）影象的像元个数,均是其下一层的四分之一.
7.特征匹配与整体匹配FeatureBasedImageMatching
andIntegrated（Global）ImageMatching
1）.基于特征的影象匹配FeatureBasedImageMatching
前述的影象匹配算法,均是在以待定点为中心的窗口（或称区域）内,以影象的灰度分布为影象匹配的基础,故称之为灰度匹配（AreaBasedImageMatching）.
特征匹配或基于特征的匹配（FeatureBasedMatching,在计算机界也称为PrimitiveBasedMatching）,根据所选取的特征,可以分为点特征匹配、线特征匹配及面特征匹配.
一般说来,特征匹配可分为三步:
a.特征提取;
b.利用一组参数对参数进行描述;
c.利用参数进行特征匹配.
多数基于特征的匹配方法,也使用金字塔影象结构,即将上一层影象的特征匹配结果,传到下一层作为初始值,并考虑对粗差的剔除或改正.由于基于特征的匹配,是以”整像素”精度定位,因而对于需要高精度的情况,将其结果作为近似值,再利用最小二乘影象匹配进行精确匹配,取得”子像素”级的精度.
2）.关系匹配与单像计算机视觉RelationalImageMatchingandMonocularImageComputerVision
影象匹配—基于灰度或基于特征的匹配,均是解决影象与影象的匹配问题;
相关匹配—可以解决图形的匹配问题.关系匹配（RelationalMatching）的核心之一,是结构的描述—关系.这是关系匹配的基础.影象通过特征提取,可以用它的结构来表示,从而可以直接解决影象和相应物体的配准.这就是所谓单像计算机视觉（MonocularImageComputerVision）.
关系匹配可以用于图象与图象之间的匹配,也可以用于图象与物体之间的匹配.前者属于双像（或多像）匹配,后者即为单像计算机视觉.
3）.整体影象匹配Integrated（Global）ImageMatching
基于特征的影象匹配,考虑了目标窗口的信息量,遵循了先宏观、后微观,先轮廓、后细节,先易辨认的部分、后较为模糊的部分这一人类视觉匹配的规律,因而能够提高影象匹配的可靠性.
无论是基于灰度的影象匹配,还是基于特征的影象匹配,都是基于单点的影象匹配,即以待匹配点为中心（或边沿）确定一个窗口,根据一个或多个相似性测度,判别其与另一影象上搜索窗口中灰度分布的相似性,以确定待定匹配点的共轭点（同名点）.
整体影象匹配,由于考虑了与周围影象的相容性、一至性、整体协调性,可以纠正或避免错误的结果,从而可提高影象匹配的可靠性.
整体影象匹配算法主要包括:
多点最小二乘影象匹配,动态规划影象匹配,松弛法影象匹配,人工神经元网络影象匹配等方法.
8.影象匹配的精度AccuracyofImageMatching
以影象匹配为基础的数字摄影测量,无论在量测的速度还是达到的精度,都创造了惊人的奇迹,具有速度快、精度高、稳定性好、自动化程度高等特点.例如,利用采样间隔50μm的数字影象进行相对定向,其残差的中误差（均方根误差）可达3―5μm,这相当于在分辨率为2μm的解析测图仪上人工量测的结果.对于解析测图仪,其点位观测精度通常为分辨率的2—3倍.
影象匹配即使在定位到整像素的情况下,其理论精度也可达到0.29像素的精度,约为三分之一像素.
在提高量测精度方面,用于单像量测的”高精度定位算子”和用于立体量测的”高精度影象匹配”,其理论精度均可达1/10像素,即达到子像素级精度.
Ackermann教授提出的最小二乘影象匹配（LeastSquareImageMatching）,影象匹配可达到1/10—1/100的高精度.
9.数字微分纠正原理PrincipleofDigitalDifferentialRectification
航摄影像为中心投影，要将它变成正直投影，需要进行正射纠正。
在模拟摄影测量中，使用纠正仪将航摄像片纠正为像片平面图；在解析摄影测量中，利用正射投影仪，例如Leica公司的OR1，Zeiss公司的Ｚ２，通过机控缝隙光学纠正，制作正射影象地图。
这些作正射纠正的仪器，均为光机纠正仪器。
在数字摄影测量中，采用微分纠正方法获取正射影象，即按像点和物点的构像方程式，或按一定的数学模型，根据数字地面模型（ＤＴＭ）及有关参数，对原始的非正射影像进行映射变换，获取正射影象。
数字微分纠正，依划分的最小纠正单元，可分为点元素纠正和线元素纠正两类。
数字微分纠正与光学微分纠正一样，其基本任务是实现两个二维图象之间的几何变换。
在数控正射投影仪中，是利用反算公式（共线方程式），解求缝隙两端点的对应像点坐标，然后由计算机解求微分线段的纠正参数，通过控制系统驱动正射投影仪的光学、机械系统，实现线元素的纠正。
在纠正运算中，任一点的高程Ｚ，由ＤＥＭ内插求得。
在数字纠正中，则解求对应像元素的位置，然后进行灰度的内插与赋值运算。
数字纠正的实际解法，从原理上来说，是属于点元素纠正，但在实际的软件系统中，均是以“面元素”作为纠正单元的，一般以正方形作为纠正单元。
利用反算公式计算该单元４个“角点”的像点坐标，再沿X和Ｙ方向，在“面元素”内线性内插求得纠正单元的坐标，其实质仍为线元素纠正。
三.数字摄影测量系统DigitalPhotogrammetricSystem---Helava数字摄影测量系统
a.硬件配置：
扫描仪:
DSW系列
计算机平台:
SUNUltra30Workstation
操作系统：
Unix
立体观测和采集装置：
SUN工作站专用的图形加速卡
偏振光屏幕Z-Screen或液晶眼镜CrystalEyes
3D鼠标
b.软件配置：
SOCETSET─数字摄影测量核
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