摄影测量矩阵公式推导与分析

摄影测量矩阵公式推导与分析1.空间直角坐标系变换公式1.1空间直角坐标变换常用的坐标系统1、像平面坐标系o-xy表示像点在像平面内位置的平面直角坐标系。从量测的角度提出框标坐标系的建立。2、像空间坐标系（s-xyz）表示像点在像方空间位置的空间直角坐标系。可以表示物方点的位置，但主要用于表示像点的空间位置。3、摄影测量坐标系（S-XYZ）表示地面点的空间位置，也可表示像点的空间位置的空间直角坐标系。4、地面辅助坐标系（TTTTZYXO），简称地辅系过渡性的地面坐标系统。摄影测量成果都在地面辅助坐标系中表示。5、大地坐标系（GGGZYXO）描述地面点的空间位置，大地坐标系是指高斯平面坐标和高程所组成的左手空间系。摄影测量的成果最终转化到该坐标系中。1.2空间直角坐标变换推导用像片上的点坐标解求相应地面点坐标时，在建立起各种空间直角坐标系的基础上，需要在两两不同的坐标系中进行坐标变换，由高等数学可知，空间直角坐标的变换是正交变换，一个坐标系按三个角元素顺次旋转即可变换为另一个同原点的坐标系。设像点a在像空间坐标系中的坐标为(x，y，-f)，而在像空间辅助坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，两者之间的正交变换关系可以用下式表示：fyxcccbbbaaafyxRZYX321321321R是一个33的正交矩阵，由九个方向余弦组成。2)像点与相应地面点之间的坐标关系如图（8-7）O-XYZ为选定的地面右手坐标系，地面点A与投影中心S在此坐标系中的坐标分别为X,Y,Z和XS,YS,ZS；A在像片的构像a，在像空间坐标系与像空间辅助坐标系中的坐标分别为(x,y,-f)和(X’,Y’,Z’)，其中像空间辅助坐标系s-xyz与地面坐标系O-XYZ的相应坐标轴分别平行，由于s,a,A三点位于一直线上，由图中各相似三角形关系可得1'''sssZZZYYYXXX以矩阵表示为'''ZYXZZYYXXsss有由～式可得像点的像空间坐标系与像空间辅助坐标系的关系为fyxcccbbbaaaZZYYXXsss321321321上式的逆变换为ssssssZZYYXXcccbbbaaaZZYYXXRfyx321321321111整理可得)()()()()()()()()()()()(333222333111SASASASASASASASASASASASAZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx上式即为像点与物点中心投影构像方程。由于像点、投影中心和地面点三点共线，故又称共线条件方程式，此式是摄影测量中重要基本公式之一，应用十分广泛。2．空间后方交会公式推导2.1像片的方位元素1、航摄像片的内方位元素投影中心对航摄像片的相对位置叫做像片的内方位，确定内方位的独立参数叫做内方位元素。fyx、、002、航摄像片的外方位元素像片的外方位元素有6个：其中3个是线元素，即摄影中心S在地辅系中的坐标；),,(SSSZYX另外3个是角元素，用以确定像空系三轴在地辅系中的方向。2.2空间后方交会推导利用地面控制点来解算像片的外方位元素的工作称为空间后方交会。可以利用共线条件方程进行空间后方交会。)()()()()()()()()()()()(333222333111SASASASASASASASASASASASAZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx其中，X,Y,Z为地面控制点的地面测量坐标或地面摄影测量坐标，可用普通测量的方法得到，或通过坐标变换取得，x,y为地面控制点的相应像点坐标，可量测得到。f为摄影主距，已知。未知数为六个外方位元素。由于共线条件方程的严密关系式是非线性函数不便于计算机迭代计算，因此要将共线条件方程线性化，一般用台劳级数展开取至小一次项，κκyωyΔyZZyYYyXXy(y)yκκxωωxΔxZZxYYxXXx(x)xSSSSSSSSSSSS其中(x),(y)为函数的近似值，可用未知数的初始值000000,,,,,SSSZYX代入共线条件方程得到。XS,,YS,,ZS,,,,为外方位元素初始值的改正数，解算过程需反复迭代运算。竖直摄影下的空间后交会公式：xfyffxyZHyYHfyyyfxyfxfZHxXHfxxSSSS)1()()1()(2222这就是后方交会的实用公式，计算时至少需三个地面控制点，每个控制列两个方程，从而解算出6个外方位元素，若有多余控制点时，把像点坐标作为观测值，可把控制点坐标作为真值，列误差方程，按最小二乘法平差计算。误差方程式为：ySSyxSSxlxfyffxyZHyYHfVlyfxyfxfZHxXHfV)1()1(2222式中，)()()()(11sysxXXafyyylXXafxxxl写成矩阵形式：V=AX-L相应法方程式：ATAX=ATL解：X=(ATA)-1ATL3.空间前方交会公式推导：如图，过左右摄站点分别做像空间辅助坐标系S1-X1Y1Z1和S2-X2Y2Z2，使它们的坐标轴与地面上选定的一空间坐标系D-XYZ的相应坐标轴平行。地面任意点A和左右投影中心S1与S2在地面上的空间直角坐标系中的坐标分别为XA，YA，ZA、XS1，YS1，ZS1和XS2，YS2，ZS2。像点a1和a2为A点在左右像片上的构像，在各自像空间辅助坐标系中的坐标为X1，Y1，Z1和X2，Y2，Z2，A在左片像空间辅助坐标系S1-X1Y1Z1中的坐标为XA-XS，YA-YS，ZA-ZS，从而有22222222221111111111NZZZYYYXXXaSASNZZZYYYXXXaSASSASASASASASA其中：fyxRZYXfyxRZYX222222111111得222211122222221111111ZYXNBBBZYXZYXNZYXZYXNZYXZYXzyxSSSSSSSSSAAA由上式得Bx=N1X1-N2X2(1)By=N1Y1-N2Y2(2)Bz=N1Z1-N2Z2(3)取(1)、(3)式或(1)、(2)式，解得上两式就是用立体像对确定地面点坐标得计算公式，也叫空间前方交会公式。