数字摄影测量知识点总结

第一章绪论摄影测量与遥感的概念：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。摄影测量与遥感的主要特点：①在像片上进行量测和解译；②无需接触物体本身，较少受自然和地理条件限制；③可摄得瞬间的动态物体影像；④像片及其它各类影像提供物体的大量几何信息和物理信息摄影测量学的三个发展阶段：①模拟摄影测量(1851-1970)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。②解析摄影测量(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。③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。摄影测量三个发展阶段的特点：摄影测量分类：按距离远近：航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量、显微摄影测量按用途：地形摄影测量、非地形摄影测量按处理手段：模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量单像摄影测量的理论基础：共线方程、共面条件摄影测量的任务：•地形测量领域–各种比例尺的地形图、专题图、特种地图、正射影像地图、景观图。–建立各种数据库。–提供地理信息系统和土地信息系统所需要的基础数据。•非地形测量领域–生物医学–公安侦破–古文物、古建筑–建筑物变形监测–军事侦察–矿山工程第二章单张航摄像片解析航摄机主距：航空摄影机物镜中心至底片面的距离是固定值，常用f表示。摄影机的主距分为：长焦距(主距≥200mm)中焦距(主距100～200mm)短焦距(主距≤l00mm)对应的像场角分为：常角(75°以下)宽角(75°～100°)特宽角(100°以上)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，称为摄影比例尺1／m，即HfLlm1式中，f为航摄机主距，H为平均高程面的航摄高度，称为航高。空中摄影要按航摄计划要求进行。在整个摄区，飞机要按规定的航高和设计的方向呈直线飞行，并保持各航线的相互平行。－摄影比例尺－像片重叠度:同一条航线内相邻像片之间的影像重叠称为航向重叠，重叠部分与整个像幅长的百分比称为重叠度，一般要求在60%以上。相邻航线的重叠为旁向重叠，旁向重叠度保持在24%以上。保证像片立体量测与拼接。－空间摄影基线：控制像片重叠度时，将飞机视为匀速运动，每隔一定空间距离拍摄一张像片，摄站的间距称为空间摄影基线B。－航线弯曲度：航线弯曲度是指偏离该直线最远的像主点到该直线垂距与航带两端像主点之间的直线距离的比，一般采用百分数表示.航线的弯曲会影响到航向重叠、旁向重叠的一致性，如果弯曲太大，则可能会产生航摄漏洞，甚至影响摄影测量的作业。因此，航线弯曲度一般规定不得超过3%;－像片旋角：像片上相邻像主点连线与同方向框标连线间的夹角称为像片旋角;－像片倾角：空中摄影采用竖直摄影方式，即摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，它偏离铅垂线的夹角应小于3度，夹角称为像片倾角。航摄像片上特殊的点、线：设地面为E，像片为P（即像平面）两平面相交于直线TT，称为迹线，即透视轴，平面夹角为像片倾角。摄影中心：影像是由地面上各点发出的光线通过航空摄影机物镜投射到底片感光层上形成的，这些光线会聚于物镜中心S，称为摄影中心。中心投影像主点：通过摄影中心S,垂直于像平面P的直线SO称为主光轴，它与像平面P的交点o称为像主点。So称为航摄机的主距f。像底点：通过摄影中心S作地平面E的铅垂线SN，称为主垂线，主垂线SN与像平面P的交点n称为像底点，与地面E的交点N称为地底点。SN称为摄影航高H。等角点：主光轴SoO与主垂线SnN所夹的角a，称为像片倾斜角。a角的二等分线与像片交点c称为等角点。与E面的交点C称为等角点的共轭点。主纵线：通过主垂线SnN与主光轴SoO作一平面W，此平面称为主垂面,既垂直于像平面P,又垂直于地面E。主垂面W与像平面P的交线VV，称为主纵线。主垂面W与地面E的交线V0V0，称为摄影方向线。摄影测量常用的坐标系：像方空间坐标系(描述像点的位置)——像平面坐标系像平面坐标系用以表示像点在像平面上的位置，通常采用右手坐标系,x,y轴的选择按需要而定，在解析和数字摄影测量中，常根据框标来确定像平面坐标系，称为像框标坐标系。在摄影测量解析计算中，像点的坐标应采用以像主点为原点的像平面坐标系中的坐标。为此，当像主点与框标连线交点不重合时，须将像框标坐标系平移至像主点。当像主点在像框标坐标系中的坐标为(x0，y0)时，则量测出的像点坐标x，y化算到以像主点为原点的像平面坐标系中的坐标为(x—x0，y—y0)。——像空间坐标系为了便于进行空间坐标的变换需要建立起描述像点在像空间位置的坐标系，即像空间坐标系。以摄影中心S为坐标原点，x，y轴与像平面坐标系的x，y轴平行，z轴与主光轴重合，形成像空间右手直角坐标系S-xyz。像点坐标表示为（x,y,-f）。像空间坐标系随着像片的空间位置而定，每张像片的像空间坐标系不统一。——像空间辅助坐标系此坐标系的原点为摄影中心S，坐标轴系的选择视需要而定，通常有三种选取方法。其一是取铅垂方向为Z轴，航向为X轴，构成右手直角坐标系，见图(a)。其二是以每条航线内第一张像片的像空间坐标系作为像空间辅助坐标系，见图(b)。其三是以每个像片对的左片摄影中心为坐标原点，摄影基线方向为X轴，以摄影基线及左片主光轴构成的面作为XZ平面，构成右手直角坐标系，如图(c)。用S-XYZ表示。物方空间坐标系(描述地面点的位置)——摄影测量坐标系将像空间辅助坐标系S-XYZ沿着Z轴反方向平移至地面点P，得到的坐标系P-XpYpZp称为摄影测量坐标系。由于它与像空间辅助坐标系平行，因此很容易由像点的像空间辅助坐标求得相应的地面点的摄影测量坐标。——地面测量坐标系地面测量坐标系通常指地图投影坐标系，也就是国家测图所采用的高斯—克吕格3°带或6°带投影的平面直角坐标系和高程系，两者组成的空间直角坐标系是左手系用T-XtYtZt表示。摄影测量方法求得的地面点坐标最后要以此坐标形式提供给用户使用。——地面摄影测量坐标系由于摄影测量坐标系采用的是右手系，而地面测量坐标系采用的是左手系，这给由摄影测量坐标到地面测量坐标的转换带来了困难，为此，在摄影测量坐标系与地面测量坐标系之间建立一种过渡性的坐标系，称为地面摄影测量坐标系，用D-XtpYtpZtp表示，其坐标原点在测区内的某一地面点上，Xtp轴与Xp轴方向大致一致，但为水平，Ztp轴铅垂。构成右手直角坐标系。摄影测量中，首先将摄影测量坐标转换成地面摄影测量坐标，最后再转换成地面测量坐标。航摄像片的内、外方位元素：确定航空摄影瞬间摄影中心与像片在地面设定的空间坐标系中的位置与姿态，描述这些位置和姿态的参数称为像片的方位元素。——内方位元素：表示摄影中心与像片之间相关位置的参数包括三个参数，即摄影中心S到像片的垂距(主距)f及像主点O在像框标坐标系中的坐标x0，y0。内方位元素一般视为已知。——外方位元素：表示摄影中心和像片在地面坐标系中的位置和姿态参数。一张像片的外方位元素包括六个参数，其中有三个是直线元素，用于描述摄影中心的空间坐标值，另外三个是角元素，用于表达像片面的空间姿态。——三个直线元素Xs，Ys，Zs摄影中心S在地面空间坐标系中的坐标，通常选用地面摄影测量坐标系——三个角元素以y轴为主轴的j-w-k系统以x轴为主轴的w‘-j’-k‘系统以Z轴为主轴的A-a-ku系统空间直角坐标变换：像点空间直角坐标的旋转变换是指像空间辅助坐标与像空间坐标之间的变换。共线方程：它是摄影测量中最基本、最重要的公式。)()()()()()()()()()()()(333222333111sAsAsAsAsAsAsAsAsAsAsAsAZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx式中：x，y为以像主点为原点的像点坐标；XA，YA，ZA为相应地面点坐标；f为像片主距，影像的内方位元素(x0，y0)，f；XS，YS，ZS为摄影中心S的物方空间坐标；ai，bi，ci（i=1，2，3）为影像的三个外方位角元素组成的九个方向余弦共线方程的逆算式：fcycxcfbybxbZZYYfcycxcfayaxaZZXXsAsAsAsA321321321321)()(已知像点坐标及像片的内外方位元素，还不能计算地面点的三维坐标，只有同时知道地面点的高程时，才能确定地面点的平面位置，因此在摄影测量处理中，需要使用立体影像确定地面点三维坐标。共线条件方程的应用：①单像空间后方交会和多像空间前方交会；②解析空中三角测量光束法平差中的基本数学模型；③构成数字投影的基础；④计算模拟影像数据（已知影像内外方位元素和物点坐标求像点坐标）；⑤利用数字高程模型（DEM）与共线方程制作正射影像；⑥利用DEM与共线方程进行单幅影像测图等等。航摄像片是中心投影，它的特点是摄影光线均交于同一点S;地图是正射投影，所有投影光线相互平行并与投影面正交由于投影的差异，只有在地面水平(无高差)且像片也水平(即平行地面)时，这两种投影方无差异中心投影变换：将倾斜摄影的像片变为水平摄影的像片，是一种平面对平面的投影变换。这种将倾斜摄影的像片变为水平摄影的像片的过程，就称为中心投影变换。像片纠正：摄影测量中将任意倾角的像片变为规定比例尺的水平像片(即规定比例尺的影像地图)。像点位移：地面点在地面水平的水平像片上的构像与地面有起伏时或倾斜像片上的构像的点位不同，这种点位差异称为像点位移。－因像片倾斜引起的像点位移－因地形起伏引起的像点位移－因物理因素引起的像点位移摄影物镜的畸变差，大气折光，地球曲率以及底片变形等。属于一种系统误差，很难用光学机械的方法模拟改正，但可以用数学模型来描述。像片比例尺：在航摄像片上某一线段影像的长度与地面上相应线段距离之比，就是像片上该线段的构像比例尺对于中心投影的航摄像片，只有当像片水平且地面也水平时，像片上任意线段的比例尺都相等。实际上由于存在像点位移，像片比例尺处处不等，是一个近似值，称为主比例尺。HfLlm1空间后方交会：利用一定数量的地面控制点，根据共线方程，反求像片的外方位元素，这种方法称为单张像片的空间后方交会。已知像片的内方位元素和至少三个地面点坐标及像点坐标，则可列出至少六个方程式，解求出像片六个外方位元素。在空间后方交会中，通常是在像片的四个角上选取四个或更多的地面控制点，因而要用最小二乘法平差计算。空间后方交会的求解过程：①获取已知数据：从摄影资料中查取像片比例尺1／m、平均航高、内方位元素x0,y0，f，从外业测量成果中，获取控制点的地面测量坐标Xt，Yt，Zt，并转化成地面摄影测量坐标Xtp，Ytp，Ztp②量测控制点的像点坐标：将控制点标刺在像片上，利用立体坐标量测仪量测控制点的像框标坐标，并经像主点坐标改正，得到像点坐标x，y。③确定未知数的初始值：在竖直摄影情况下，角元素的初始值为0，即j0＝w0＝k0＝0；线元素中,ZS0＝H=mf，XS0，YS0的取值可用四个角上控制点坐标的平均值，即：414141,4100itpiSitpiSYYXX④计算旋转矩阵R：利用角元素的近似值计算方向余弦值，组成R阵。⑤逐点计算像点坐标的近似值：利用未知数的近似值按共线方程计算控制点像点坐标的近似值(x