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8.3SⅡ.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errora.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averageerrorMav=∑Δ/n;b.中误差RMSE(RootMeanSquareError)M=sqrt(∑ΔΔ/n);c.极限误差Limiterror2Md.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4Dproductsa.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，RSa.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Coordinatesystems1.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azimuth2.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：UniversalTransverseMercatorProjectionWGS84坐标系4.高程基准Verticaldatum1956,1985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Basicconceptofdigitalphotogrammetry1．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Acquiringandresamplingofdigitalimage１）。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SP