测绘学概论-摄影测量学-张祖勋

第三章摄影测量学武汉大学遥感信息工程学院张祖勋摄影测量学3.1概述--－3.1.1什么是摄影测量学--－3.1.2摄影测量的分类--－3.1.3摄影测量的三个发展阶段――模拟、解析与数字摄影测量－－－3.1.4摄影测量与测绘学科的关系3.2摄影测量学的一些基本原理--－3.2.1摄影机的内方位元素--－3.2.2摄影机的外方位元素--－3.2.3共线方程--－3.2.4怎样恢复（获得）外方位元素3.3平面摄影测量与立体摄影测量--－3.3.1平面摄影测量--－3.3.2立体摄影测量3.4数字摄影测量--－3.5.1数字摄影测量简介--－3.5.2摄影测量作业的自动化3.5数字摄影测量的发展与展望摄影测量学－－概述1概述摄影测量学－－概述(1)什么是摄影测量学通俗说：摄影测量就是通过进行摄影测量具体的过程摄影量测影像上的二维坐标：x、y计算获得空间的三维坐标：X、Y、Z摄影测量学－－概述摄影测量是由二维的影像三维空间的科学与技术它来源于测量中的前方交会12平面三角中的两角夹一边就是前方交会摄影测量学－－概述在测量中：前方交会是在两个已知点1、2上，安置经纬仪，对未知点A测定水平角、垂直角，就能测得未知点的坐标A（X、Y、Z）。O1A（X、Y、Z）2YZ1212X几何关系摄影测量学－－概述a1b1a2b2摄影测量是首先在两个已知点上，摄取两张影像，摄影测量学－－概述通过人的眼镜观测两张影像上的同名点的坐标a1(x1,y1)、a2(x2,y2)，就能求得空间对应点的坐标A（X、Y、Z）。S1a2a1S2A摄影测量学－－概述最简单的摄影测量仪器－－立体反光镜影像（像片）这就是摄影测量的基本原理!摄影测量学－－概述(2)摄影测量学的分类根据影像获取的位置，摄影测量基本可分为：③地面摄影测量(近景)；①航天摄影测量(卫星)；②航空摄影测量(飞机)；200km10km1km摄影测量学－－概述从680公里高空观测地面－－IKONOS台北中山纪念堂摄影测量学－－概述上海东方明珠塔（快鸟影像－－450km）摄影测量学－－概述航空摄影过程航空摄影时：相邻影像(不同位置摄取的两张影像)之间有一定的重叠度――称为航向重叠：60％，互相重叠部分构成一个“立体像对”。相邻航线影像之间也有一定的重叠度――称为旁向重叠，20％。重叠部分（立体像对）从而有多条航带、多（几十/几百/上千）张影像构成一个摄影区域。摄影测量学－－概述大坝施工测量工业零件测量建筑摄影测量地面（近景）摄影测量摄影测量的主要任务是测绘各种比例尺的地形图；航空摄影测量，可测绘各种比例尺地形图，如－－－1:5万、1:1万、1:5千、1:2千、1:1千、1:500；航天摄影测量主要测绘1:5万、1:1万地形图；地面（近景）摄影测量主要测绘大比例尺地形－－图、用于各种工程、工业、医学、建筑、－－考古等领域。摄影测量学－－概述摄影测量学－－概述(3)摄影测量发展的三个阶段模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量摄影测量学－－概述模拟摄影测量的基本原理摄影－－测图航空摄影投影器替代摄影机两个投影器地面模型地形图摄影测量学－－概述模拟摄影测量仪器，通常两根交于一空间点（A）的金属导杆，代替两条摄影光线；人眼通过光学系统观测像片盘上的两张像片，观测同名点；作业员通过手轮X、Y、脚盘Z驱动金属导杆的交点A进行测图XYZ像片盘观测系统绘图桌金属导杆A摄影测量学－－概述XYZ像片盘观测系统绘图桌解析摄影测量仪器作业员通过手轮、脚盘将X、Y、Z输入计算机；实时计算机共线方程，求得x1、y1、x2、y2驱动像片盘的运动；人眼通过光学系统观测像片盘上的两张像片，观测同名点，实现测图；金属导杆？？计算机摄影测量学－－概述数字摄影测量工作站（DPW）作业员通过手轮、脚盘将X、Y、Z输入计算机；实时计算机共线方程：求得x1、y1、x2、y2驱动数字影像（或测标）的运动；人眼通过立体眼镜（或由计算机）观测像片盘上的两张数字影像，观测同名点，实现测图；摄影测量学－－概述1.最少在两个位置，摄取两张影像（一般多于2张）；2.观测同名（影像）点a1、a2；3.恢复这两条对应直线的空间方位，最后获得空间点A的坐标；4.………..根据上述摄影测量的基本要点模拟、解析摄影测量－－恢复摄影光线的方位；而同名点是通过目视实现的数字摄影测量则实现了自动(半)识别同名点摄影测量学－－概述(4)摄影测量与测绘学科的关系摄影测量与遥感控制大地测量地图、数据地图制图、GIS工程测量摄影测量学－－概述是摄影测量的关键之一问题怎样恢复摄影光线在空间的方位－空间的位置与角度怎样实现空间的前方交会摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理2.摄影测量学的一些基本原理欲恢复影像在空间的方位－－－必须首先了解摄影机摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理(1)摄影机与内方位元素摄影机有两大类：①量测相机②非量测相机光学航空相机航空数码相机地面摄影相机摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理量测相机与非量测相机的主要差别：相机的内方位元素，它与相机在空间的位置与方位无关，如右图所示。oy0x0fS相机的内方位元素：x0、y0、f－－摄影中心S到像面的垂线谓主光轴－－摄影中心S到像面的垂足谓主点－－f－焦距，主光轴的长度－－x0、y0－主点在像面上的位置。Sx0fy0o是否已知相机的内方位元素？摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理相机内方位元素是通过相机检校畸变差也属于相机的内方位元素：一个矩形的影像不是矩形，直线的影像不是直线量测相机是在出厂之前由工厂作检校；非量测相机是由用户自己进行检校。摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理畸变差改正由于像机的畸变差的影响－－－直线发生弯曲摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理(2)摄影机的外方位元素它由摄影中心S在空间坐标系中的位置（三个坐标）ZYA(X,Y,Z)yxzSoa(x,y)X与主光轴So的三个姿态角、、组成XSZSYSXS、YS、ZS摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理摄影测量有6个外方位元素摄影中心S的位置XS、YS、ZS摄影机姿态角、、每张影像各不相同，如何测定？？这是下面要讲的重点！摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理(3)共线方程ZYXyxzo它是通过摄影机的内、外方位元素，描述三点共线的数学方程式：A(X,Y,Z)地面点Aa(x,y,-f)像点aS摄影中心S三点？摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理共线方程的解析表达式)()()()()()()()()()()()(SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx33322203331110a1、a2、a3、b1…..是由三个角元素、、，构成的旋转（正交）矩阵的9个系数：333222111cbacbacbaRx0、y0、f－内方位元素XS、YS、ZS－外方位元素一条空间直线，是由两个“分式线性方程”表示！摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理解析测图仪或数字摄影测量工作站就是由共线方程实现的)()()()()()()()()()()()(SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx33322203331110共线方程x、y输出X、Y、Z输入XZY摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理(4)怎样获得外方位元素空间后交会外方位元素则不同，对每张影像都不一样。－关键获得（恢复）影像的外方位元素的方法很多：①一张影像;－－－－空间后交会②两张影像(一个立体像对);③多(甚至上千)张影像;－－空中三角测量；④在摄影过程中直接获取。由于：内方位元素通过检校－已知，每张影像都相同在测量中，在两个已知点上观测一个未知点，称为前方交会（如前所述）；若在一个未知的O上，观测三个已知点A、B、C观测它们之间的夹角、，就能求得未知的O的位置（坐标）。这就是测量中的“后方交会”测量中的后方交会相似后方交会及它的几何原理图摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理OABC摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理摄影测量的空间后交会aCBcbS(XS、YS、ZS)AXZY当已知（至少）三个空间已知点A、B、C，与它们在影像上的三个对应点a、b、c，就能求得影像的6个外方位元素。其理论基础为：共线方程，一个点有两个方程，已知三个点可列6个方程，因此可以解得6个外方位元素。但是在实际工作中，最少用四个以上的已知点，因为测量总是有误差的，甚至错误（粗差），为了提高精度，发现粗差，已知点必须多余点，数据处理方法采用最小二乘法！摄影测量学－－摄影测量学的一些基本原理这是所有测量的一个统一的基本原则！摄影测量也不例外。摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量3.平面摄影测量与立体摄影测量一、二节介绍了摄影测量的一些基本内容，但是摄影测量究竟怎样测绘地形图？这一节主要分两部分进行介绍：①平面摄影测量－通过一张影像制作影像图②立体摄影测量－通过多张影像进行立体测图摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量(1)平面摄影测量①影像与地图的关系、影像地图fHSpPAa(a)地面水平、像片水平此时，像片就是地面按比例尺缩小的地图，但是它不是一般按地图符号表示的线划图，而是照片，称为影像图。摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量(b)地面水平、像片p倾斜PfHSpAap0a0纠正显然，倾斜像片p与地面不同（有变形），不能视为地图。此时需要将影像p变换成为水平像片p0，生成影像图。这个过程称为：摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量fHSpAaA0p0PM(c)地面P不水平（起伏）、像片p倾斜一般情况，地面P有起伏、像片p倾斜，显然像片p与地图M不同。此时不能简单地将倾斜影像p纠正为水平像片p0，而必须将像点a0，投影到地面A，再将它垂直（正射）投影到A0，才能获得影像图。这个过程称为：正射纠正摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量②纠正仪与正射投影仪纠正仪纠正仪用于将平坦地区的影像纠正为影像图正射投影仪正射投影仪将起伏地区的影像纠正为影像图摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量(2)立体摄影测量立体摄影测量是摄影测量的主要方法建立立体模型然后在立体模型上进行测量它是利用相邻的两张影像摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量①天然立体视觉、左右视差较、人造立体视觉a2ABa1b1b2o2o1眼基线眼睛当用双眼观测自然界(如点A、B)，在左、右眼睛的视网膜上分别产生两个影像，在左眼的影像为a1b1，右眼的影像为a2b2，由于景物的深度不同，使得a1b1a2b2它们之差就称为左右视差较(x－parallax):2211babapΔ2211babapΔ左右视差较是产生立体的关键！摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量a2ABa1b1b2o2o1真实部分虚拟(视觉的感觉)部分假如在人的眼睛处用两个摄影机，对景物分别拍摄两张影像p1、p2，然后放置在双眼前，人们的双眼分别观察左、右影像，此时人们就无需直接观测景物，但是能获得天然立体视觉完全一样的感觉。人造立体视觉摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量②人造立体观测的条件与立体观测方法人造立体视觉产生的方法，主要是“分像”－－左眼看左像、右眼看右像满足这一条件的方法很多（a）通过光学系统－－－如立体反光镜左影像右影像左眼右眼反光镜摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量(b)互补色———如红绿眼镜摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量(c)偏振光(d)闪闭法……….最新的发展：不带眼镜看立体（为今后立体电视、立体电影……….）摄影测量学－－平面摄影测量与立体摄影测量必须说明摄影测量利用这种“人造视觉立体”进行量测，但是它不是摄影测量，不是摄影测量要建立的三维空间的几何立体如右：利用左、右摄得得两张影像，原则上就能