第3章摄影测量基础知识

1、第三章第三章 摄影测量基础知识摄影测量基础知识v 3.1 航空摄影v 3.2 中心投影的基本知识v 3.3 航摄像片上特殊的点、线、面v 3.4 摄影测量常用的坐标系统v 3.5 航摄像片上的内、外方位元素v 3.6 像点的空间直角坐标变换v 3.7 中心投影构像方程v 3.8 航摄像片上的像点位移3.1 航空摄影航空摄影一、航空摄影前的准备1、确定摄区范围摄区太大时，要进行分区2、航摄仪的选择（依据测区的地形条件、成图比例尺）3、确定摄影比例尺及航高。4、需用像片的数量、日期、及航摄成果的验收综合法测图长焦距窄角全能法测图中焦距常角或宽角平坦地区大比例尺测图非平坦地区v综合法测图 【plan

2、imetric photo】指的是航空摄影和普通测量相结合的测图方法，地物平面位置用航空摄影方法求得，地面高程或等高线用普通测量方法求得 。只用在平坦地区。v全能法测图【universal photo】指的是在航空摄影测量作业中，用同一种仪器对地物、地貌测绘成地形图的方法。2、摄影比例尺的确定严格定义：Llm1摄影比例尺是像片的平均比例尺Hfm1摄影比例尺定义：航摄像片上影像线段的长地面上对应线段的水平距离f : 摄影机主距 H：摄影航高，以摄区内的平均高程面作为摄影基准面，摄影机的物镜中心至该面的距离。（摄影瞬间摄影机物镜中心相对于平均海水面的航高称为绝对航高。相对于其他某一基准面或某一点的

3、高度均为相对航高。）3 3、摄影比例尺的选择、摄影比例尺的选择 摄影比例尺越大，像片地面的分辨率越摄影比例尺越大，像片地面的分辨率越高，有利于影像的解译与提高成图精度，高，有利于影像的解译与提高成图精度，但摄影比例尺过大，增加工作量及费用，但摄影比例尺过大，增加工作量及费用，所以，摄影比例尺要根据测绘地形图的精所以，摄影比例尺要根据测绘地形图的精度要求与获取地面信息的需要来确定。度要求与获取地面信息的需要来确定。考虑因素：成图比例尺、测图方法、成考虑因素：成图比例尺、测图方法、成图精度、经济性等因素，以及经济性和航图精度、经济性等因素，以及经济性和航摄像片以后的使用可能性。摄像片以后的使用可能

4、性。航摄比例尺与成图比例尺之间的关系：影像地面分辨率影像地面分辨率0.1m0.2m0.4-0.8m0.8-1.6m1.0-2.4m1.4-3.2m0.05m思考：为什么大中比例尺测图航摄比例尺要测图比例尺小？小比例尺测图中航摄比例尺要测图比例尺大？ 原因是精度决定，4倍内的摄影照片就够了，刚好不会出现马赛克，如果将摄影比例尺确定得过小，造成图像模糊不清，甚至出现“马赛克”图案，影响成图质量；反之，将摄影比例尺确定得太大，影像包含的信息反映不出来，“大材小用”，造成不必要的信息损失和资源浪费。 在小比例尺测图的地形图中，地物的表现已经出现了地图综合，某些地物的表现已经不能用符号表示，只能用点线面

5、的形式表示，如果再继续把摄影比例尺也缩小的话影像就非常难于解译和判读，所以就采用扩大比例尺的摄影模式。 除了1:2.5万、1:5万，还有一些1；10万、1；25万、1:50万、1:500万的地形图成图都是在大比例尺的基础上缩编制成的。把地物进行综合，把重要的地物表示出来，这时候就不用采用严格测绘地物的方式。 4 4、 摄影航高的确定摄影航高的确定航高：航摄飞机在摄影瞬间相对与地面的高度。航高：航摄飞机在摄影瞬间相对与地面的高度。l 相对航高：相对于某一基准面或某一点的高度。相对航高：相对于某一基准面或某一点的高度。 摄影航高：相对于摄区平均高程面的高度。摄影航高：相对于摄区平均高程面的高度。l

6、 绝对航高：摄影瞬间摄影机物镜中心相绝对航高：摄影瞬间摄影机物镜中心相 对于平均海平面的航高对于平均海平面的航高fmH当然，飞机在飞行的过程中很难精确确定航高，但差异一般不得大于5%。同一航线内，各摄影站得得高差不得大于50m二、空中摄影过程航空摄影测量的要求？（要满足的条件？）1、飞机飞行方向每隔一定的时间间隔进行曝光，当一条航线不能覆盖该地域的话，我们要飞机转向沿下一航线进行飞行。飞行航线一般为东西方向。2、航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。3、要确定地面点，用单张像片是不能确定位置的，只能确定方向，所以要采用从不同摄站对同一区域进行立体摄影，所以要求两相邻的照片要有重叠，重叠

7、的范围称为航向重叠度（60%-65%，最小不得小于53%）。同理旁向重叠（30%-40%，最小不得小于15%） 航空摄影的过程中，我们所关心的区域往往是要大于一幅影像所覆盖的区域，这时候想想：摄影基线和像片的重叠度有什么关系？想想：摄影基线和像片的重叠度有什么关系？ 如果同样的像幅大小，采用大比例尺和采用小比例尺摄影基线长度一样吗？航空摄影略图摄站点摄影基线B摄影方式v竖直航空摄影：航摄仪在曝光瞬间物镜主光轴与地面垂直，通常规定像片倾角小于2-3度，常用的航空摄影方式，其影像质量无论从判读或量测方面来看都比倾斜摄影要好，但直观性稍差。我国目前进行的航空摄影绝大多数都是竖直航空摄影。v倾斜航空摄

8、影： 其像片倾角a大于3度的航空摄影称为倾斜航空摄影。这种摄影像片具有较强的透视感，对地物和目标判读特别有利。 竖竖直直航航空空摄摄影影竖直航空摄影包括：l 面积航空摄影：主要用于测绘地形图，或进行大面积资源调查。在指定摄区内布设一系列互相平行的直线摄影航线并覆盖整个区域的航空摄影。 l 条状地块航空摄影：主要用于公路、铁路、输电线路定线和江、河流域的规划与治理工程，通常只拍摄一条或几条航线，即沿狭长地带或规定线路进行的航空摄影。 l独立地块航空摄影：主要用于大型工程建设矿山勘探部门，只拍摄少数几张具有一定重叠度的像片。1 1、影像的色调、影像的色调影像清晰、色调一致、反差适中，无防碍测图影像

9、清晰、色调一致、反差适中，无防碍测图的阴影。的阴影。2 2、像片倾角、像片倾角像片倾斜角的要求，一般为像片倾斜角的要求，一般为2-32-3度之间。度之间。三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求像片倾斜角：航空摄影时，航空摄影机主光轴与铅垂线的夹角， 0 时为最理想的情形。v航向重叠度与旁向重叠度航向重叠：同一航线内相邻像片应有一定的影像重叠。一般情况下，要求航向重叠度最好为60%-65%，最小不能少于53%；旁向重叠要求30%-40%，最小不少于15%。旁向重叠：相邻航线也应有一定的重叠。3、像片重叠思考：如果像幅是23cm*23cm，摄影比例尺是1:1000

10、0，那么这个像幅所覆盖的实地面积是多大？如果是1:50000的比例尺，面积又是多少？23cm*10000* 23cm*10000=2.3km*2.3km11.5km*11.5km的面积4、航线弯曲v航线弯曲：把一条航线内的像片根据地物的影像叠拼起来，各张像片的像主点连线不在一条直线上，而呈现为弯弯曲曲的折线 v航线弯曲度：一条航线内各张像片主点至首尾两张像主点连线的最大偏离度L5、对像片旋角的要求像片旋角：相邻两像片的主点的连线与像片沿航线方向的两框标连线之间的夹角像片旋角过大会像片旋角过大会减小立体相对的减小立体相对的有效观察范围有效观察范围6、对航高差的要求航高差：空中摄影时飞行航高的变化

11、量HH%5四、空中摄影质量的评定（1）负片上影像是否清晰、框标影像是否齐全、像幅四周指示器件的影像（如水准气泡等）是否清晰可辨；（2）由于太阳高度角的影响，地物阴影长度是否超过摄影规范的规定，地物阴暗和明亮部分的细部能否辨认清楚；（3）航摄负片上是否存在云影、划痕、乳剂层脱落等现象；（4）负片上的黑度是否符合要求，影像反差等不得大于规范要求；（5）航带的直线性、航带间的平行性、像片影像的重叠度、航高差和摄影比例尺等等都要检查评定，并不得超出规定的技术指标。 3.2 3.2 中心投影的基本知识中心投影的基本知识 既然航空摄影得到的是影像，我们摄影测量最终的目的就是把影像变成地形图，所以我们首先要

12、搞清楚影像与地形图到底有什么区别。回顾：什么是航摄像片？想想航摄影像得到的基本过程？实际是地面物体太阳光照射的反射光线，这个反射光线被我们航摄系统的镜头所截获，然后到我们的胶片上去成像，得到航摄影像。航摄像片的投影方式是中心投影方式投影直线（投影射线）：物点与投影点之间的连线。投影平面：投影的几何面。考虑：光学影像和数码影像的投影面分别是什么？斜投影正摄投影航摄像片与地形图的区别：投影方式：航摄像片是中心投影，地形图是正射投影二、航片是地面的中心投影三、中心投影的正片位置与负片位置3.3 航摄像片上特殊的点、线、航摄像片上特殊的点、线、面面 航摄像片成像的过程是小孔成像，在解析几何里已经学过，

13、小孔成像其实就相当于解析几何中的透视变换。透视变换的特性v同素性：几何元素的种类不发生变化。v互换性：像与物互为投影。v综合性：地物上的任何一个点都可以表示为两条直线的交点。重要的点线面2、重要点、线满足的数学关系：sin2sin2HiVSJHtgCNHtgONfciSifctgoiftgocftgon 等角点的作用：在倾斜像片上以等角点c为交点量测的某一角度可用于代替在地面用C为测站实测的水平角，实现了把内业测量转化为内业量测。（注意：在倾斜像片上只有这一个点具有这个特性，其他的点不具备）考虑：想找像片的摄影比例尺，该怎么做？3.4 3.4 摄影测量中常用的坐标系摄影测量中常用的坐标系摄影测

14、量中常用的坐标系有两大类： 一类是描述像点的位置，称为像方坐标系；一类用于描述地面点的坐标，称为物方坐标系。 00yyyxxxpxyoxy像平面坐标系：框标坐标系像主点坐标系辅助点坐标系:就是在框标连线交点飞行方向的附近找一明显的地物点，连接框标连线交点和地物点作为x轴，按照右手系确定y，这个坐标系不是我们摄影测量要用到的坐标系，我们一般要通过内定向的方法将它转化到像主点坐标系。应用于比较低精度的像点坐标的量测。主纵线坐标系：根据摄影测量中使用仪器不同，以主纵线作为y轴，以与其垂直的直线（合线、等比线、主横线）作为x轴的坐标系，所不同的是坐标原点不一样。（注意：以主纵线作为y轴，以主横线为x轴

15、的坐标系，虽然原点也是像主点，但是它还是不同于前面讲的像主点坐标系）xyoPsyzx-f为了进行像点的空间坐标变换，需要建立起描述像点在像空间位置的坐标系，既像空间坐标系像空间辅助坐标系S-uvw 像点的像空间坐标系可以直接从像平面坐标系得到，但由于各片的像空间坐标系不统一，计算起来不方便，需要建立一种相对统一的坐标系，称为像空间辅助坐标系，用S-uvw第一种：取u、v、w轴分别平行于地面摄影测量坐标系D-XYZ，右手直角坐标系。oSu (x)w (z)v (y)o1S1u wv S2BTYtXtZt设立原因：设立原因：摄影测量坐标系采用的是右手系，而地面测量摄影测量坐标系采用的是右手系，而地

16、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之间建立一种过渡性的坐标系，称为地面摄影测量坐标系。测量坐标系。地面摄影测量坐标系地面摄影测量坐标系：其坐标原点在测区内的某一地面其坐标原点在测区内的某一地面点上，点上，X X轴与航线方向大致一致，但为水平轴与航线方向大致一致，但为水平Z Z铀铅垂，构铀铅垂，构成右手直角坐标系。成右手直角坐标系。3.5 航摄像片的内、外方位元素航摄

17、像片的内、外方位元素xypSfox0y0像片内方位元素的作用：建立起来的摄影光束与摄影时的光束相似XYZASXsYsZs2、外方位角元素、外方位角元素 转角的正负号，国际规定绕轴逆时针旋转为正（从旋转轴的正向的一端面对着坐标原点看），反之为负。我国习惯规定航向倾角顺时针方向旋转为正， 、 角逆时针方向旋转为正。1）以v轴为主轴的、 、 XYZAXsYsZsOOxuvwNS旁向倾角航向倾角像片旋角xy2）以u轴为主轴的 ， ， ，航向倾角,旁向倾角， 像片旋角，XYZAuvwNXsYsZsOOY， ，xyS3）以w轴为主轴的A、v方位角A像片倾角像片旋角vXYZAuvwNAvxyS 在解析摄影测

18、量中，为了利用像点坐标计算相应的地面点坐标，首先要建立像点在不同的空间坐标系之间的坐标变换关系，我们主要介绍像点在像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的坐标变换，也称为像点空间直角坐标的像点空间直角坐标的旋转变换。旋转变换。 由高等数学知道，空间直角坐标变换是正交变换，一个坐标系按照某种顺序依次的旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系。3.6 像点坐标变换像点坐标变换fyxcccbbbaaafyxRRRZYX321321321a1 = coscos - sinsinsina2 = -cossin sinsincosa3 = -sincosb1= cossinb2 = coscos b3 =

19、-sinc1 = sincos+ cossinsinc2 = -sinsin + cossincosc3 = coscos 3）以w轴为主轴的Av系统的坐标变换3213213211000cossin0sincoscossin0sincos00011000cossin0sincoscccbbbaaavvvvAAAARRRRvAfyxRfyxRRRZYXvAxyozxysuvw1、像点的空间坐标变换fyxcccbbbaaafyxRwvu321321321wvucbacbacbawvuRwvuRfyxT33322211111）以、系统表示方向余弦S-uvw绕v轴旋转角到S-XYZZYXZYXRwvu

20、cos0sin010sin0cosXZauv (Y)wS2 、方向余弦的确定S-XYZ绕X轴旋转角到S-XYZ1000cossin0sincosXXXYRYYZZZY ZaXYZSS-XYZ绕Z轴旋转角到S-XYZ(s-xyz)cossin0sincos0001XxxYRyyZffZYX SXYuxxvR R RyRywff 3213213211000cossin0sincoscossin0sincos0001cos0sin010sin0coscccbbbaaaRRRR2）以u轴为主轴的，、，、，系统的坐标变换fyxRfyxRRRwvuZYXRwvucossin0sincos0001RvwSu

21、YZaZYXRZYXcos0sin010sin0cosRaXZXZSY ZYXRZYX1000cossin0sincosRXYXz SYa3213213211000cossin0sincoscos0sin010sin0coscossin0sincos0001cccbbbaaaRRRRa1 = coscosa2 = -cossin a3 = -sinb1= cossin sin sincos b2 = coscos+ sin sinsin b3 = -sin cosc1 = sinsin+ cossincosc2 = sincos- cossinsinc3 = coscos 3）以w轴为主轴的A

22、v系统的坐标变换3213213211000cossin0sincoscossin0sincos00011000cossin0sincoscccbbbaaavvvvAAAARRRRvAfyxRfyxRRRwvuvAa1 = cosAcosv+sinAcossinv a2 = -cosAsinv+sinAcoscosv a3 = -sinAsinb1=-sinAcos v +cosAcossinv b2= sinAsinv+ cosAcoscosv b3 = -cosAsinc1 = sin sinv c2 = sincosv c3 = cosxyzuvwAasXSYSZSNvuwX- XSY- YS(x,y,-f)(X,Y,Z)DZYX3.6 中心投影的构像方程一、公式推导(Xs, Ys, Zs)1SASASAZZwYYvXXufyxcccbbbaaafyxRwvu321321321fyxcccbbbaaaZZYYXXSSS3213213211SSSZZYYXXwvu1SSSSSSSSS