摄影测量原理

定义分类平台特点任务§1.1摄影测量学的定义与任务遥感影像地形图传统摄影测量学定义摄影测量学是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科摄影测量与遥感定义1988年ISPRS在日本京都第16届大会上定义：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ISPRS(InternationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing)：PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandrepresentation.摄影测量学：定义各种类型传感器被摄物体影像通过量测和解译过程自然物体及其环境的可靠信息DEMDLGDRGDOMRC30框幅式航摄仪ADS40数字航摄仪P31摄影经纬仪近景影像航空光学影像ADS40数字航空影像正射影像图三峡正射影象图：七条航带、175张航空影像三峡景观图：七条航带、175张航空影像三维景观图摄影测量：分类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地形摄影测量非地形摄影测量模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量按距离远近按用途按处理手段遥感平台高度目的、用途其它航天飞机240～350km不定期地球观测、空间实验无线电探空仪100m～100km各种调查（气象等）超高度喷气机10000～12000m侦察、大范围调查中低高度飞机500～8000m各种调查、航空摄影测量飞艇500～3000m空中侦察、各种调查直升机100～2000m各种调查、航空摄影测量无线遥探飞机500m以下各种调查、航空摄影测量飞机、直升机牵引飞机50～500m各种调查、航空摄影测量牵引滑翔机气球800m以下各种调查索道10～40m遗址调查吊车5～50m地面实况调查地面测量车0～30m地面实况调查车载升降台摄影测量与遥感：平台摄影测量：特点无需接触物体本身获得被摄物体信息由二维影象重建三维目标面采集数据方式同时提取物体的几何与物理特性摄影测量：任务之一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摄影测量：任务之二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§1.2摄影测量学的发展历程模拟摄影测量阶段(1851-1970)解析摄影测量阶段(1950-1980)数字摄影测量阶段(1970-现在）摄影测量学的三个发展阶段模拟摄影测量光学像片光学机械测图仪器人工建立立体模型人工量测和解译机械绘图图解线划地图像片影像地图利用光学/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光学纠正仪SEG-1HJ-24WildA10模拟立体测图仪解析摄影测量1954年，第一台电子计算机问世1957年，海拉瓦博士提出解析测图仪的思想，标志着解析摄影测量的开始20世纪70年代末至90年代初，解析摄影测量发展的鼎盛时期解析摄影测量光学像片解析测图仪器计算机建立立体模型人工量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型像片影像地图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•解析空三•解析测图仪•数控正射仪德国Zeiss厂C-100型解析测图仪瑞士Kern厂DSR-1型解析测图仪瑞士WILD厂OR-1型数控正射投影仪德国Zeiss厂Z-2型数控正射投影仪数字摄影测量计算机硬、软件技术的飞速发展，使功能增强，成本降低，并为编制大型软件提供平台20世纪70年代：数字摄影测量萌芽阶段20世纪80年代：数字摄影测量原型研究阶段20世纪90年代：真正推出可用于生产的数字摄影测量系统数字摄影测量数字影像数字测量摄影系统自动建立立体模型自动量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型数字影像地图数据库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•计算机技术•数字图像处理•影像匹配•模式识别•DPW3-DmouseCrystaleyesVirtuoZo数字摄影测量系统JX-4A数字摄影测量工作站发展阶段原始资料投影方式仪器操作方式产品模拟摄影测量像片物理投影模拟测图仪手工操作模拟产品解析摄影测量像片数字投影解析测图仪机助作业员操作模拟产品数字产品数字摄影测量数字化影像数字影像数字投影计算机自动化操作+作业员干预数字产品模拟产品摄影测量三个发展阶段的特点摄影测量：基本关系式表达像点与地面点之间关系影像中的几何信息地物几何位置模型重建几何量测xyXYZXYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)共线条件SSSZZYYXXzyxR单像摄影测量：理论基础xyXYZ已知量未知量共线方程立体摄影测量：目的x1y1XYZ已知量未知量x2y2共线条件方程主要内容一、共线条件方程的一般形式二、共线条件方程的应用三、共线条件方程的线性化像片的基本知识回顾什么是共线条件方程共线条件方程的简单推导一、共线条件方程的一般形式中心投影内外方位元素常用坐标系空间坐标变换基本知识回顾航摄仪sxyxyzMZYXAao共线条件xyzXYZsXsYsZsNXZXA-XsMZtpYtpXtp1sAsAsAZZZYYYXXX共线条件方程sAsAsAZZYYXXZYX1fyxcccbbbaaafyxZYX321321321R)()()()()()()()()()()()(333222333111ssssssssssssZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx求像底点坐标单像空间后方交会和多像空间前方交会摄影测量中的数字投影基础航空影像模拟光束法平差的基本数学模型利用DEM制作数字正射影像图利用DEM进行单张像片测图二、共线条件方程的应用求像底点坐标NsssNNNHZYXZYX)()()()()()()()()()()()(333222333111sNsNsNsNsNsNnsNsNsNsNsNsNnZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx32323131)()()()(ccfZZcZZcfyccfZZcZZcfxsNsNnsNsNn像片仿真)()()()()()()()()()()()(333222333111ssssssssssssZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafx已知•内、外方位元素•地面点空间坐标•DEM•DOMXYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)单像测图fcycxcfbybxbZZYYfcycxcfayaxaZZXXssss321321321321)()()()(已知•内、外方位元素•像点坐标•DEMXYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2目的观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,,,,X,Y,Z,x0,y0,f泰勒级数展开三、共线条件方程的线性化yyffyyyyxxyZZyYYyXXyZZyYYyXXyyyyvxxffxyyxxxxZZxYYxXXxZZxYYxXXxxxxvssssssyssssssx0000000000单片空间后方交会主要内容一、定义二、误差方程和法方程三、计算过程一、定义根据影像覆盖范围内一定数量的分布合理的地面控制点（已知其像点和地面点的坐标），利用共线条件方程求解像片外方位元素XYZaxyzs(Xs,Ys,Zs)ACBbc已知值x0,y0,f,m,X,Y,Z观测值x,y未知数Xs,Ys,Zs,,,,泰勒级数展开二、误差方程yyZZyYYyXXyyyyvxxZZxYYxXXxxxxvssssssyssssssx00共线条件方程ZYfZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZXfZZcYYbXXaZZcYYbXXafxxssssssssssss)()()()()()()()()()()()(33322203331110ssssssZZYYXXZZYYXXcbacbacbaZYX1333222111R外方位元素的计算lAxV当一张像片上至少有三个控制点时，误差方程矩阵形式26252423222116151413121100,,aaaaaaaaaaaayyxxZYXvvsssyxAlxV)()(T1TlAAAx62T0nVViixximQ01T)(AAQxx获取已知数据m,x0,y0,f,Xtp,Ytp,Ztp量测控制点像点坐标x,y确定未知数初值Xs0,Ys0,Zs0,0,0,0组成误差方程式并法化解求外方位元素改正数检查迭代是否收敛三、计算过程立体像对前方交会主要内容一、定义二、基本公式三、利用立体像对确定地面点一、定义由立体像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标来确定相应地面点在物方空间坐标系中坐标的方法XYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2已知值x0,y0,f,m,Xs,Ys,Zs,,,观测值x,y未知数X,Y,Z泰勒级数展开二、基本公式yyZZyYYyXXyvxxZZxYYxXXxvyx00共线条件方程ZYfZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZXfZZcYYbXXaZZcYYbXXafxxssssssssssss)()()()()()()()()()()()(33322203331110ssssssZZYYXXZZYYXXcbacbacbaZYX1333222111R获取已知数据x0,y0,f,XS1,YS1,ZS1,1,1,1,XS2,YS2,ZS2