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1、 数字摄影测量数字摄影测量 实习指导书实习指导书 刘刘 国国 祥祥 编编 写写 西南交通大学土木工程学院测量工程系西南交通大学土木工程学院测量工程系 2007 年年 2 月月 1 目目 录录 数字摄影测量基本概念2 扫描影像空间分辨率介绍5 实验一：航测数字影像内定向7 实验目的.7 实验要求.7 数据说明.7 实验步骤.7 实验二：光束法区域网空中三角测量10 实验目的10 实验要求10 数据说明10 实验步骤10 实验三：数字地面模型建立23 实验目的23 实验要求23 数据说明23 实验步骤23 实验四：正射影像图制作.35 实验目的35 实验要求35 数据说明35 实验步骤35 实验五

2、：数字测图三维量测.40 实验目的40 实验要求40 数据说明40 实验步骤40 实验六：数字测图GIS 数据采集.46 实验目的46 实验要求46 数据说明46 实验步骤46 2 数字摄影测量基本概念数字摄影测量基本概念 数字摄影测量是传统的模拟摄影测量和解析摄影测量的延伸和发展。从广义上讲，数字摄影测量就是把航片或卫星影像数字化，或直接使用数字影像，在计算机中进行各种处理的一门科学技术。它主要研究地形与地物的几何物理特性，从而获得各种形式的数字产品即4D产品，即数字线化图（DLG），数字栅格图（DRG），数字高程模型（DEM），数字正射影像图（DOM）等。为了达到上述目的，数字摄影测量主要

3、有以下几个步骤：数据准备 采用数字摄影测量技术完成生产任务，其首要条件是待处理区域有数字影像，它可以是扫描模拟像片得到的数字化影像，或直接采用成像传感器如CCD获取的数字影像。影响空中三角测量、制作正射影像图以及测图精度的主要因素是数字影像的空间分辨率，而影像分辨率是由扫描分辨率或传感器的象素分辨率所决定的。如何选取扫描分辨率，主要从待处理区域的大小、测图精度要求与数据处理时间等方面来考虑。摄影测量所采用的扫描仪与一般的桌面扫描仪不同，前者扫描分辨率更高，扫描影像的地物位置精度更高。在测图精度要求比较低的情况下，也可以采用一般的桌面扫描仪。数据处理 与传统摄影测量一样，数字摄影测量也是要重新建

4、立摄影瞬间投影中心、影像和地面之间的数学与几何关系。它是通过不同坐标系统之间相互转换完成的。1.坐标系统坐标系统 摄影测量中，主要采用的坐标系统有：（1）象素坐标系统：该坐标系统是扫描坐标系统。坐标原点位于扫描影像左上角，x坐标指向右，y坐标指向下。象素坐标采用行列号（c,r）表示。（2）框标坐标系：沿航线方向两边对应框标连线作为x轴；旁向两边对应框标连线作为y轴；两连线的交点作为坐标原点。（3）像平面坐标系：以象主点o为坐标原点；X，Y轴分别平行于框标坐标系的x，y轴。坐标单位：毫米或微米。（4）像空间坐标系：坐标原点位于摄影中心S，x，y坐标轴与像平面坐标系的轴平行；Z坐标轴与主光轴（即像

5、主点与S的连线方向）一致。坐标单位：毫米或微米。（5）地面坐标系统：可以是地心空间坐标系统，也可以是地表坐标系。用（X，Y，Z）表示。单位：米。2.定向参数的计算定向参数的计算（1）内定向 内定向的目的是利用框标点的像片坐标与扫描坐标（象素坐标），计算像片坐标与扫描坐标之间的转换参数，从而把象素坐标转换成像平面坐标。两种坐标系统之间的转换是通过下面的二维仿射变换实现的：YaXaax321+=YbXbby321+=其中，x,y 是框标点在框标坐标系下的坐标，X，Y 是扫描影像的象素坐标，也就是行列号。要确定上两式中的 6 个未知数，至少需要 3 个框标，为了提高精度和可靠性，通常用 4 个以上的

6、框标。3 转换关系的精度可以用中误差来表示。它反映了框标坐标与框标象素坐标之间的符合程度。（2）外定向（相对定向和绝对定向）外定向就是要确定相机在摄影瞬间的位置和姿态即外方位元素（Xo，Yo，Zo，）。其中，Xo，Yo，Zo 代表摄影中心在地面坐标系中的坐标，描述摄影光束空间姿态的三个角元素。如果已知这些外方位元素，我们就可以确定地面坐标系与像空间坐标系之间的转换关系：坐标旋转和坐标平移。旋转矩阵：其中，根据投影中心、像点和地面点三点共线的原理，共线条件方程式给出了物方与象方间的转换关系。空间后方交会：利用三个以上像点坐标和对应地面点坐标，根据共线条件方程式求解像片外方位元素的过程。在相机检校

7、信息已知的条件下，给出 3 个地面控制点，则可以计算一张影像的 6 个外方位元素。（在解算过程中，已知像点坐标，内方位元素xo、yo、f，地面控制点坐标，求外方位元素。）3地面点坐标求解地面点坐标求解（1）空间后方交会空间前方交会 先采用空间后方交会，求出外方位元素，再用空间前方交会，求地面点坐标。空间前方交会是利用内、外方位元素，求重叠区域的地面点坐标。4 （2）空中三角测量 在数字摄影测量中，空中三角测量经常采用的方法有：航带法区域网空中三角测量，独立模型法空中三角测量和光束法区域网空中三角测量。光束法区域网空中三角测量是利用少量地面控制点，同时解求每一像片的外方位元素和加密点（或称模型连

8、接点）地面坐标的过程。其数学模型依然是共线条件方程式。在 3 种空三方法中，光束法区域网空中三角测量理论最严密，精度也最高。在具体说明光束法区域网空三的解算方法之前，先理解两个重要的概念：地面控制点（Ground control point,GCP）是根据地形地物特征选择的一批要素点，其地面坐标已知。如道路交叉点、消火栓、田埂交叉点、地面测量标志等。地面控制点坐标可以通过现场测量得到，也可以从已有地图中采集。实际作业过程中，应尽量多采集一些地面控制点，以提高量测精度。连接点（Tie Point,TP）是指位于多张影像重叠区域的特征点，但是其地面坐标未知，需要在空中三角测量过程中求解出来。一般说

9、来，空中三角测量要求每张影像上要有 9 个连接点。连接点的获取可以通过软件按照一定的影像匹配算法自动获取。光束法区域网空中三角测量：典型布设方式：数学模型的建立：单张影像内的 1 个地面控制点可以写出 2 个方程，对于一个立体像对，1 个地面控制点可以写出5 下面 4 个方程：其中，11,aaxy，22,aaxy分别是地面控制点 A 在左片和右片上的像点坐标；111,oooXYZ，222,oooXYZ分别是两张影像的外方位元素，即摄站坐标。若有 3 个 GCP，则可写出3 412=个方程；若还有 6 个连接点，则可写出6 424=个方程，故方程总数为122436+=个。该模型中的未知数有：每张

10、像片 6 个外方位元素（2 612=个），连接点的地面坐标（6 318=个），则未知数共个数为12 1830+=个。36 个方程解 30 个未知数，可以通过最小二乘解法求解。扫描影像空间分辨率介绍扫描影像空间分辨率介绍 数字影像的空间分辨率指影像上单位像素代表的地面长度。影像分辨率直接关系到区域网空中三角测量和正射影像图制作的精度，通常由扫描影像的空间分辨率或者传感器的像素分辨率给出。在航空摄影测量中，传感器的像素分辨率与摄影比例尺紧密相连。摄影比例尺越大，像片的地面空间分辨率越高，有利于影像的解译和提高成图精度。但摄影比例尺越大，会增加费用及工作量，因此摄影比例尺要根据测绘地形图的精度要求与

11、获取地面信息的需要来确定。严格意义上来说，摄影比例尺是指像片上一段长为l的直线与相应地面水平距离L之比。由于摄影像片存在倾角，地形有起伏，所以像片上的比例尺处处不等。通常，我们说的比例尺，是把影像当作水平像片看待，取地面平均高程，这时像片上一段直线为l的长度与相应地面水平距离L之比，就是摄影比例尺m1，即 HfLlm=1 式中，f 为摄影机主距，H 为摄影中心到测区平均高程面的垂直高度，即平均航高。采用数字摄影测量完成生产过程，首先就必须获取目标区域的数字影像。这些数字影像可以是直接由 CCD 传感器获取，也可将传统的模拟像片用专用扫描仪扫描得到。如下表所示，第一列是像片比例尺的分母值，后面几

12、列是不同扫描分辨率影像单位象素对应的实地几何距离。影像上每个像素点6 代表的实地距离越小，影像空间分辨率越高。例如，第 2 列中每个像素点的大小为 12 微米（um），即每英寸 2117 个点（1 inch=25.4mm=2.5410-6 m，2.5410-6/2117=1.199810-9m=12 um），当像片比例尺为 1:1800，每个点代表的实地距离为612 1800 100.0216m=。7 实验一：航测数字影像内定向实验一：航测数字影像内定向 一、实验目的 1掌握 Leica Photogrammetry Suite(LPS)模块的基本功能和使用方法；2加深对摄影测量中内定向原理的

13、理解；3熟练掌握 LPS 模块中实现内定向的具体方法。二、实验要求 1实验前要掌握摄影测量中内定向的基本原理；2了解 ERDAS IMAGINE 的各功能模块和 LPS 模块的基本工作原理；3独立完成实验任务；4每人提交一份完整的实验报告。三、数据说明 本实验采用 ERDAS IMAGINE 软件自带的示例数据，即 C:Program FilesIMAGINE 8.7examples orthobaseframe 中的 col90p1.img、col91p1.img 和 col92p1.img 三张框幅摄影机像片和一幅参考 DEM 数据（colspr_dem.img），这三张像片也都配有相关的

14、摄影机文件。四、实验步骤 1 内定向基本原理内定向基本原理 摄影测量中的内定向就是把象素坐标转换成像框标坐标系坐标，再通过平移等操作转换成像空间坐标系坐标。象素坐标系是指以扫描影像的左上角为原点，行列方向为 X，Y 轴的坐标系统，通常用行列号（r,c）表示。像框标坐标系是指以影像对边框标连线的交点为原点，分别以对边框标为 X，Y轴的坐标系。用（x,y）表示。下图中，表示出了影像上 a 点和 O 在象素坐标中的坐标（Xa-file,Ya-file）,(Xo-file,Yo-file)和在框标坐标系统中的坐标（xa,ya）之间的关系。这两种坐标系统之间的转换是通过二维仿射变换实现的，如下式：aaY

15、aXaax321+=aaYbXbby321+=式中 x,y 是检校的框标坐标系中的坐标，Xa，Ya是扫描影像的象素坐标。要确定以上两式中的 68 个未知数 a 和 b，需要 3 个框标，为了提高精度和可靠性，通常用 4 个以上的框标。转换关系的精度可以用中误差来表示。它反映了检校过的框标坐标与量测的框标坐标之间的符合程度。2.内定向操作内定向操作 设置完摄影机信息之后，进行像片的内定向处理，即根据所给的框标点的像点坐标在像片上定出框标点位置。在 Frame Camera Frame Editor 对话框中点击 Interior Orientation 标签，进入 Interior Orient

16、ation 模式。选中按钮，点击将弹出三个影像视窗，分别为主视窗、总览视窗和细节视窗。如下图所示：在主视窗中将矩形框（如下左图）置于适当位置并调整大小，使得细节视窗中能清晰显示十字丝（如下右图）。调整好细部区域大小，点击 Interior Orientation 模式显示区中间部分的定位影像框标按钮，在细部显示视窗中的十字中心量测框标点，获取框标点位置。9 框标点 1 量测完成之后光标自动跳到框标点 2，用同样的方法依次量测 8 个框标完成内定向。这里注意像片边上的四个点（即点 5 到 8）与像片角上的四个点标记不同，如下图所示：当最后一个框标点量测完成后，在Solve按钮的上方将显示测量中误差，该中误差应该小于0.33 pixels，如果大于0.33 pixels则需要重新测量所有框标点位置。10 实验二：光束法区域网空中三角测量实验二：光束法区域网空中三角测量 一、实验目的 1掌握 Leica Photogrammetry Suite(LPS)模块的基本功能和使用方法；2加深对光束法区域网空中三角测量基本原理的理解；3熟练掌握 LPS 模块中实现光束法区域网空中三角测量的具体方法。