2009摄影测量讲稿

第一章绪论§1－1摄影测量的定义和任务一、什么是摄影测量？摄影测量与遥感乃是对非接触式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科学和技术(INTERNATIONALSOCIETYFORPHOTOGRAMMETRYANDREMOTESENSING；ISPRS,1988)教材摄影测量学定义：是利用光学摄影机拍摄像片，通过像片来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置和相互关系的一门科学和技术。科技内容包括:影像信息获取；影像信息处理；像信息表达；影像信息应用。二、摄影测量能做什么？（主要任务）摄影测量目前的主要任务是：1.测制各种比例尺的地形图和专题图；2.建立地形数据库；3.为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据三、摄影测量有什么优点和特点？1.影像记录目标信息客观、逼真、丰富；2.测绘作业无需接触目标本身，不受现场条件限制；3.可测绘动态目标和复杂形态目标；4.影像信息可永久保存、重复量测使用；四、摄影测量的分类1.按摄影距离分为:(1)航空摄影测量为摄影测量生产、科研、教学的主流；成图比例尺可覆盖1：5百—1：5万；是测绘1：5百—1：5千地形图的重要方法，是测绘1：1万—1：5万地形图的主要方法。（2）航天摄影测量用卫星遥感影像测绘地形图或专题图，或快速提取所需空间信息；成图比例尺已从1：5万—1：100万提高到1：5千左右（甚至1：1000左右）在一定条件下已可替代部分航空摄影测量。（3）地面摄影测量一般用于山区的工程勘察和补测航摄漏洞；（4）近景摄影测量*一般用于拍摄距离300米（或100米）的非地形目标测绘.2.按用途分为（1）地形摄影测量是摄影测量的主要任务，服务于国家基础地理信息需求，并广泛应用于城建、环保、规划、农林、水利、电力、交通、地矿等众多部门或行业。与用经纬仪现场测绘方法相比，摄影测量测绘地形有以下优点：a.作业速度快，成图周期短；b.内业作业为主，劳动强度低；c．较大范围作业时省经费d．成图精度均匀f.可生产影像测绘产品（2）非地形摄影测量是摄影测量的一个分支学科。其主要研究利用影像确定非地形目标物的形状、大小及空间位置等，广泛应用于工业制造、建筑工程、生物医学及考古、变形观测、公安侦破、事故勘察、弹道测量、爆破、矿山工程等领域。3.按影像信息处理的技术手段分为:（1）模拟摄影测量（2）解析摄影测量（3）数字摄影测量五、摄影测量与遥感的关系1.共同之处摄影测量学作为一个成熟的学科，已有一百五十年左右的发展史了。遥感作为现代高科技只有三、四十年左右的发展史。但两者科技内容（理论基础，技术手段，生产设备，应用目的等）已趋于一致，共同发展形成影像信息科学。2.差异之处以航空摄影成像为主摄影测量以测绘大比例尺地形图为主以影像几何信息的处理为主以提供区域基础地理信息服务为主以卫星传感器成像为主（具有宏观特性，光谱特征，时相特征）遥感以编制中小比例尺专题图为主以影像物理信息的处理为主以各行业、部门专业应用为主。§1-2摄影测量学的发展阶段一、摄影测量学的发展阶段二、摄影测量的发展§1-3影像信息学的形成和发展一、影像信息科学的组成目前看来影像信息科学是由摄影测量学、遥感、地理信息系统、计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、专家系统、空间技术和传感器技术等相结合的一个边缘学科。是基于影像认识世界和改造世界的途径。二、影像信息学的定义是一门记录、存储、传输、量测、处理、解译、分析和显示由非接触传感器获得的目标及其环境信息的科学、技术和经济实体。三、影像信息科学的组成与相互关系见教材图§1-4摄影测量学与测绘学科的关系一、与大地测量学的关系二、与地图制图学的关系三、与工程测量学的关系四、与地籍测量学的关系五、与海洋、军事测绘的关系第二章影像获取§2-1航空影像获取Fd11D12FxX一、摄影原理二、摄影机1、摄影物镜1）摄影物镜：相机上由凸透镜或凹凸透镜组合成的精密光学成像系统。2）组合透镜成像分析方法：1、利用单个透镜逐次成像；2、利用透镜组的“等效透镜”成像。3）等效透镜的基本点、线、面主光轴：透镜组诸透镜球面曲率的中心连线。主焦点（F,F):平行于主光轴的光线通过透镜组后与主光轴的交点。主平面（Q,Q):过等效折射点（h,h)且垂直于主光轴的平面。主点（s,s)：主平面与主光轴的交点。主焦距：主焦点到主点间距离。节点（k,k）：主光轴上角的放大率为1的一对光学共轭点。（光线通过共轭节点时，角放大率为1；物方与像方同介质时，k,k分别与s,s重合）。2、物镜的成像公式高斯成像公式：牛顿成像公式：3、量测用摄影机1）航空摄影机航空摄影机特性：物镜成像分解力高物镜成像畸变差小（1）光学特性物镜透光率高光学影像反差大焦面照度均匀（2）焦面上设置有框标（3）有胶片压平系统（4）像距为定值（主距）（5）有减震装置三、什么是框标？框标：设置在摄影机焦平面（承影面）上位置固定的光学机械标志，用于在焦平面上（亦即像片上）建立像方坐标系。四、像片主距、视场、视场角、像场和像场角1.像片主距：航空摄影机物镜中心至底片面的距离是固定值，称为摄影机主距。2.视场：光线通过物镜后，焦面上不均匀的光亮圆称为镜头的视场。3.像场：影像相当清晰的一部分视场内的光亮圆称为像场。4.视场角：由物镜后节点向视场边缘射出的光线所张开的角为视场角。5.像场角：由物镜后节点向像场边缘射出的光线所张开的角为视场角。五、航空摄影机分类见教材表2-1六、非量测相机课后自阅第三章摄影测量的基础知识§3-1航空摄影一、航空摄影按像片倾斜分角为：垂直摄影和倾斜摄影（通常小于45度）。按摄影的实施方式分：单片摄影、航线摄影和面积摄影按感光材料分类：HHmmHHmmHfm%5%51即要求（理想情况）分为全色黑白摄影、黑白红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影、多光谱摄影。二、摄影比例尺的选择见教材表3-1三、航空摄影的基本要求1、航摄倾角航摄倾角（像片倾角）:摄影主光轴与铅垂方向的夹角。32、摄影比例尺即航片上某线段的长度与地面相应线段长度之比。平坦地区、摄影时像片处于水平状态（垂直摄影），则像片比例尺等于像机主距（f）与航高（H）之比。航高：摄影机相对某一水准面的高度。相对航高：摄影机相对某一基准面的高度。（通常基准面取测区地表平均高程平面）绝对航高：摄影机相对平均海水面的高度。3、像片的重叠度像片的重叠度：当相邻的两张像片拍摄景区有重叠时，重叠部分占整张像片的比例。)30~15(15)65~60(53000..000000..000yxpp00003%100%RLR要求要求航向重叠度旁向重叠度4、航线弯曲度航线弯曲度：航线两端像片的像主点间的直线距离L与偏离该直线最远的像主点到直线的距离之比。5、像片旋转角像片旋转角：相邻两张像片的像主点连线与像幅沿航线方向的两框标连线间的夹角。§3-2中心投影的基本知识一、中心投影与正射投影投影：用一组假想的直线将物体形状向几何面投影成像。中心投影：投影射线汇聚同一点的投影。投影中心S：中心投影射线的汇聚点。正射投影：投影射线相互平行且与投影平面正交的投影。二、航片是地面景物的中心投影航片是地面景物的中心投影；地形图（包括影像地图）是地面景物的正射投影；摄影测量的主要任务之一，即是把记录在中心投影像片上的地面景物转换成按图比例尺的正射投影地图。三、中心投影和正射投影的区别（1）摄影距离的影响正射投影比例尺和投影距离无关中心投影焦距固定，航高改变，其比例尺也随之改变（2）投影面倾斜的影响正射投影总是水平的，不存在倾斜问题中心投影，若投影面倾斜，航片各部分的比例尺不同（3）地形起伏的影响地形起伏对正射投影无影响对中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同地面起伏不平时，同一张像片对应地段高度不同，其比例尺有变化。四、像片与地形图的区别比例尺：地图有统一比例尺，航片无统一比例尺表示方法：地图为线划图，航片为影像图表示内容：地图需要综合取舍几何差异：航摄像片可组成像对立体观察五、中心投影的正负、片位置投影平面与物点在投影中心的同一侧，此时像片为正片。投影平面与物点在投影中心的异侧，此时像片为负片。sinsinHiVSJfciSi2HtgCNHtgON2HtgCNHtgON§3-3航摄像片上的特殊点、线、面一、航摄像片上的特殊点、线、面点：摄影中心S；像主点o；地主点O；像底点n；地底点N；等角点c；地面等角点C；主合点i；遁点J。线：迹线TT；主光线SoO；主垂线SnN；摄影方向线VV；主纵线vv；等角线ScC；主合线hihi；主横线hoho；等比线hchc。面：地面E；像片面P；主垂面W；真水平面Es。二、基本概念摄影方向线VV：主垂面w与地平面的交线。主纵线vv：主垂面w与像面的交线。等角点c：∠osn的角平分线与像平面的交点。合点i：地平面上（平行线组）无穷远点的中心投影。迹点t：物像二重点。合线hihi：过投影中心s且平行与地面的水平面与像平面的交线（合点的集）。等比线hchc：过等角点c且平行于合线的直线主垂面：过主垂线和摄影机轴的垂面称为主垂面。三、特殊点线的几何关系四、特殊点线的特征1、像底点特性铅垂线在像平面上的构像位于以像底点n为辐射中心的相应辐射线上2、等角点特性在倾斜像片和水平地面上，由等角点c和C所引出的一对透视对应线无方向偏差，保持着方向角相等。3、等比线特性等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，不受像片倾斜影响。§3-4摄影测量常用的坐标系统一、像平面上的坐标系1、框标坐标系(p-ppyx)原点：框标连线交点P。x轴：航向框标连线方向。y轴：旁向框标连线方向。2、像平面坐标系（O-xy）原点：像主点ox、y轴：分别平行于p-xy的坐标轴二、像空间坐标系（S-xyz）原点：投影中心Sx、y轴：分别平行于o-xy的坐标轴z轴：主光轴方向（os方向为正）三、辅助坐标系（S-XYZ）原点：投影中心SX、Y、Z轴：分别平行于地面摄影坐标系的坐标轴a（Xa,Ya,Za）S-XYZ也可根据需要设置（过渡性坐标系统）四、地面摄影测量坐标系（D-X,Y,Z）原点：测区地面某点DX轴：大致平行航线方向Z轴：铅垂向上A(X,Y,Z)五、地面测量坐标系（T－XtYtZt）（大地坐标系，国家高程基准）左手系A（Xt，Yt，Zt）§3-5航摄像片的内外方位元素方位元素：确定摄影时摄影中心、像片与地面三者之间相关位置关系的参数。一、内方位元素确定摄影物镜后节点（摄影中心）与像片之间相互位置关系的参数。内方位元素（x0,y0,f）可恢复摄影光束。二、外方位元素确定摄影瞬间摄影中心和像片在地面直角坐标系中空间位置和姿态的参数。共有6个元素，三个线元素（XS,YS,ZS），描述摄影中心的空间坐标；另外有三个角元素，描述摄影瞬间像片的姿态。角元素有以下选择方式：1、以Y轴为主轴的--转角系统—航向倾角—旁向倾角—像片旋角2、以X轴为主轴的’-’-’转角系统’—旁向倾角’—航向倾角’—像片旋角3、以Z轴为主轴的A--v转角系统A—主垂面的方位角—像片倾角v—像片旋角上面三种角元素，模拟摄影测量仪器单张测图时，用A--v系统；其它情况下则采用另两种角元素系统。§3.6像点的空间直角坐标变换与中心投影构像方程用像点坐标解求相应地面点坐标时，需将各种情况下量测的像点坐标转换到像平面直角坐标系中，在此基础上，再将像点的像平面坐标转换为统一的像空间辅助坐标，这就涉及到各种坐标系之间的坐标转换。一、像点的平面坐标变换原点相同而轴向不一致的像平面坐标系之间的变换。（在黑板画图）1cossinsincos''''AxxxxAAyyyy二、像点的空间坐标变换在取得像点的像平面坐标后，加上z＝-f即可得到像点的像空间直角坐标。像点的空间坐标变换，通常是将像点的像空间直角坐标（x，y，-f）变换为像空间辅助坐标（X，Y，Z）