第三章摄影测量基础知识演示文稿

第三章摄影测量基础知识演示文稿目前一页\总数八十页\编于二十二点优选第三章摄影测量基础知识目前二页\总数八十页\编于二十二点测大比例尺地形图时，摄影比例尺小于测图比例尺；测中比例尺地形图时，摄影比例尺接近测图比例尺；测小比例尺地形图时，摄影比例尺大于测图比例尺；比例尺类型航摄比例尺成图比例尺大比例尺1：2000～1：30001：5001：4000～1：60001：1000中比例尺1：8000～1：200001：50001：10000～1：300001：10000小比例尺1：20000～1：300001：250001：35000～1：550001：50000目前三页\总数八十页\编于二十二点

航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度。根据基准面的不同，航高可分为相对航高和绝对航高。相对航高是指摄影瞬间摄影物镜相对于被摄区域内地面平均高程基准面的高度；绝对航高是摄影瞬间摄影物镜相对于平均海平面的高度，是摄影瞬间摄影物镜的真实海拔高度。

当选定了摄影机和摄影比例尺后，就可以计算出摄影航高H＝mf，航空摄影时就要求按计算的航高飞行摄影，以获得符合生产要求的摄影像片。摄影测量规范规定同一航带内最大航高与最小航高之差不得大于30m，摄影区域内实际航高与设计航高之差不得大于50m，同一航线内，各摄影站的高差不得大于50m。目前四页\总数八十页\编于二十二点二、空中摄影过程

航空摄影前要做计划，摄影时要选择晴朗无云的天气。飞行航线一般为东西方向，要求航线相邻两张像片应有60%左右的重叠度，相邻航线的像片应有30%左右的重叠度,航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。航摄计划中技术部分主要包括：确定测区范围；根据测区地形条件、成图比例尺等因素选用摄影机；确定摄影比例尺及航高；需用像片的数量、日期及航摄成果的验收等。目前五页\总数八十页\编于二十二点航空摄影略图摄站点摄影基线B目前六页\总数八十页\编于二十二点摄影方式竖直航空摄影：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。倾斜航空摄影：其像片倾角大于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。目前七页\总数八十页\编于二十二点竖直航空摄影包括：

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。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。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。目前八页\总数八十页\编于二十二点三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求（1）影像清晰，色调一致,反差适中，无妨碍测图的阴影；（2）航向重叠一般为60%-65%，旁向重叠一般为30%-40%；（3）像片倾角不大于2°，最大不大于3°；（4）航线偏距与全航线长之比不大于3%；（5）像片旋角一般不超过6，最大不超过8°。目前九页\总数八十页\编于二十二点2、像片重叠

为满足测图需要，在同一条航线上，相邻两像片应有一定的影像重叠，称为航向重叠。航向重叠一般要求60～65％，最小不得小于53%，在大比例尺测图时要求达到85％左右。测图需要两相邻航带摄区之间也要有一定得重叠用以联系相邻航带的摄区拼接，称为旁向重叠，旁向重叠不少于20％，由于空中摄影飞行时不易保持两航线间的平行性，一般取30％～40％.最小不得小于15%。

航向、旁向重叠小于最低要求的称为航摄漏洞，需要在航测外业做补救。目前十页\总数八十页\编于二十二点航向重叠度l为像片的像幅尺寸；m为摄影比例尺分母；p%为设计的航向重叠度；B为摄影基线。目前十一页\总数八十页\编于二十二点3、像片倾角

摄影瞬间摄影机轴发生了倾斜，摄影机轴与铅垂方向的夹角为像片倾角。飞机受气流的影响，航摄仪不可能完全置平，一般要求倾角不大于20，最大不超过30。A摄影机主光轴

铅垂线A为像片倾角目前十二页\总数八十页\编于二十二点4、航线弯曲航线弯曲：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的最大偏离度⊿L航线弯曲度一般不得超过3%⊿LL⊿LL≤3%目前十三页\总数八十页\编于二十二点5、像片旋角

相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线间的夹角称为像片旋角。有像片旋角会使重叠度受到影响，一般要求不超过60，最大不超过80。目前十四页\总数八十页\编于二十二点6、对航高差的要求航高差：空中摄影时飞行航高的变化量目前十五页\总数八十页\编于二十二点四、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。目前十六页\总数八十页\编于二十二点3.2中心投影的基本知识一、投影、正射投影和中心投影1、投影[Projection]

一个空间点按一定方式在一个平面上的构像，叫做该空间点的投影。物点、像点、投射线、像面（承影面）物点投射线像面像点目前十七页\总数八十页\编于二十二点2、平行投影与正射投影[ParallelProjection&OrthographicProjection]

投射线互相平行的投影，叫做平行投影。投射线垂直于投影平面的平行投影称为正射投影。目前十八页\总数八十页\编于二十二点ABCD地形图a0b0c0d0

地形图是地面的正射投影！目前十九页\总数八十页\编于二十二点S投影中心－摄站

所有投射线或其延长线都通过一个固定点的投影，叫做中心投影。投影光线会聚的点S称为投影中心。由中心投影得到的图称为透视图。负片位置：正片位置：SS3、中心投影[CentralProjection]投影中心位于物体和投影平面之间。投影中心位于物体和投影平面同侧。目前二十页\总数八十页\编于二十二点SABCabc航摄像片是所摄地面的中心投影目前二十一页\总数八十页\编于二十二点QS航空摄影机向地面摄影时，地面点光线通过物镜后，在底片上成像，即可获得航摄像片。此时，负片为投影面P，物镜中心为投影中心S，地面点A、B、C至S的光线为投影光线。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。ABCabcP目前二十二页\总数八十页\编于二十二点中心投影的正片位置与负片位置负片位置指投影平面与物点在投影中心的两侧正片位置指投影平面与物点在投影中心的同一侧QSABCDbacdc’b’a’d’无论正片位置还是负片位置，像点与物点的几何关系不变，数学表达式不变目前二十三页\总数八十页\编于二十二点

点的中心投影一般是点。线段的中心投影一般是线段。相交线段的中心投影一般是相交线段。空间一组不与像片面平行的平行直线，其中心投影为一平面线束。平面曲线的中心投影一般是平面曲线。空间曲线的中心投影也是平面曲线。4、中心投影主要特性[MainFeaturesofCentralProjection]目前二十四页\总数八十页\编于二十二点1、投影中心S2、像主点oSo之间的距离称为主距f3、摄影机轴SoO4、像底点n5、地底点N6、主垂面W航摄像片往往存在一定的倾斜角，使得像片上的一些点、线、面具有特殊的性质，这些点、线、面对于研究航摄像片的几何特性、确定像片与地面的相对关系具有重要意义。3.3航摄像片上特殊的点、线、面目前二十五页\总数八十页\编于二十二点1、像片倾角α(<20～30)2、等角点c3、主纵线vv4、基本方向线VV6、主横线hoho7、等比线hchc5、合线hihi8、主合点i中心投影的特别点、线、面目前二十六页\总数八十页\编于二十二点当航片倾角为零时，on和oc都等于零，像主点、像底点和等角点重合若只画主垂面上的点、线，可得到简化的透视变换图目前二十七页\总数八十页\编于二十二点3.4摄影测量常用的坐标系统航摄像片是地面的中心投影。如何建立像点与地面点之间的关系？AaoSf数学分析方法第一步：建立坐标系第二步：建立关系方程目前二十八页\总数八十页\编于二十二点摄影测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。

像方坐标系像空间坐标系像平面坐标系像空间辅助坐标系像点位置相应地面点的空间位置目前二十九页\总数八十页\编于二十二点（1）框标坐标系框标坐标系是依像片上相应框标连线作为基准建立直角坐标。对于框标设在像幅四边中央的像片，通常依航线方向两边对应框标连线作为x轴；旁向两边对应框标连线作为y轴；两连线的交点P作为坐标原点．如图所示。1.像平面坐标系

目前三十页\总数八十页\编于二十二点对于框标设在像幅四角处的像片，以相对框标连线的交点P作为坐标原点．取两对相对框标连线在航线方向夹角的平分线作为x轴，垂直于x轴的方向作为y轴，如图所示。目前三十一页\总数八十页\编于二十二点（2）像平面坐标系o-xy像平面坐标系是以像主点o为坐标原点，x、y轴分别平行于框标坐标系的x、y轴。像平面直角坐标系与框标坐标系的转化：px’y’oxy目前三十二页\总数八十页\编于二十二点2.像空间坐标系S-xyz是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位置。它以摄影中心S为坐标原点，摄影机的主光轴为z轴，像空间坐标系的x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行，构成右手坐标系。Syxyxa-fyxz(x,y,-f)OSoAaxyxyxyz(x,y,-f)目前三十三页\总数八十页\编于二十二点3.像空间辅助坐标系S-uvw

以摄站点(或摄影中心)S为坐标原点，坐标轴可根据具体需要选定: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。目前三十四页\总数八十页\编于二十二点第二种：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。oSu(x)w(z)v(y)xy目前三十五页\总数八十页\编于二十二点第三种：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u轴，以摄影基线及左片主光轴构成的面作为uw平面,构成右手直角坐标系。o1S1uwvS2BP1目前三十六页\总数八十页\编于二十二点物方坐标系:描述地面点在物方空间的位置1、摄影测量坐标系（P—XPYPZP

）将像空间辅助坐标系S—uvw沿着w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。pXpYpZpuvwS目前三十七页\总数八十页\编于二十二点2、地面测量坐标系（T-XTYTZT）地面测量坐标系通常指测图所采用的高斯—克吕格3度带或6度带投影的平面直角坐标系（如1980年西安坐标系），及高程坐标系（如1985年黄海高程系），左手系。TYtXtZt目前三十八页\总数八十页\编于二十二点设立原因：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D-XYZ。

其坐标原点在测区内的其一地面点上，X轴与航线方向大致一致，但为水平．Z铀铅垂，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。3、地面摄影测量坐标系（D-XYZ）目前三十九页\总数八十页\编于二十二点目前四十页\总数八十页\编于二十二点3.5航摄像片的内、外方位元素像片的方位元素：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的参数称为像片的方位元素。内方位元素外方位元素

目前四十一页\总数八十页\编于二十二点一、像片（摄影机）的内方位元素表示摄影中心与像片之间相关位置的参数称为内方位元素，包含3个元素，即：摄影中心到像片面的垂距(航摄机主距)f及像主点o在框标坐标系中的坐标x0，y0像片的内方位元素通常是已知的，在航空摄影机的鉴定表中均有记载。xypSfox0y0目前四十二页\总数八十页\编于二十二点二、外方位元素在恢复了内方位元素的基础上，确定像片摄影瞬间的空间位置和姿态的参数称为外方位元素。共包括6个参数，3个直线元素，3个角元素。1、三个直线元素三个直线元素是反映摄影瞬间，摄影中心S在选定的地面空间坐标系（通常选用地面摄影测量坐标系）中的坐标值，用XS，YS，ZS表示。

XYZASXsYsZs目前四十三页\总数八十页\编于二十二点2、外方位角元素表达摄影光束的空间姿态，或说像片面的空间姿态。其中二个用于确定摄影机主光轴的空间方位，一个用于确定像片的空间方位。目前四十四页\总数八十页\编于二十二点1）以v轴为主轴的、、XYZDXsYsZsOOxuvwNS旁向倾角航向倾角像片旋角xy目前四十五页\总数八十页\编于二十二点oxyyxzSvuwoOMNh逆时针方向为正

航向倾角（偏角）。So在uw坐标面(像空辅)上的投影与w轴的夹角。

旁向倾角（倾角）。So与uw坐标面（像空辅）之间的夹角。

旋角。v轴在xy坐标面(像平面)上的投影与y轴的夹角。

确定So轴的方向确定像片在像平面内的方位。以v轴为主轴的转角系统。目前四十六页\总数八十页\编于二十二点2）以u轴为主轴的，，，航向倾角,旁向倾角，

像片旋角，XYZDuvwNXsYsZsOOY，，，xyS目前四十七页\总数八十页\编于二十二点3）以w轴为主轴的A、、α方位角A像片倾角像片旋角αXYZDuvwNAαxyS目前四十八页\总数八十页\编于二十二点外方位三个角元素可看作是理想像片的摄影机光轴从起始的铅垂方向绕空间坐标轴按某种次序连续三次旋转形成的。先绕第一轴旋转一个角度．其余两轴的空间方位随同变化；再绕变动后的第二轴旋转一个角度、两次旋转的结果达到恢复摄影机主光轴的空间方位；最后绕经过两次变动后的第三铀(即主光轴)旋转—个角度．亦即像片在其自身平面内绕像主点旋转一个角度。像片由理想姿态到实际摄影时的姿态依次旋转的三个角值，就是像片的三个外方位角元素。目前四十九页\总数八十页\编于二十二点3.6像点在不同坐标系中的变换

由数学知识可知，一个坐标系按某种顺序依次地旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系。这样就可以通过旋转把像空间辅助坐标系变换到像空间坐标系中来。

当利用像点坐标计算相应的地面点坐标时，常常需要建立像点在不同平面直角坐标系和空间直角坐标系之间的坐标变换关系。

像点的空间坐标变换通常是指像空间坐标系（S-xyz）与像空间辅助坐标系(S-uvw)之间的变换。yxzSvuw目前五十页\总数八十页\编于二十二点xyozxysuvw1、像点的空间坐标变换设某像点a点在：像空间坐标系中的坐标为（x,y,z)(z=-f）在像空间辅助坐标系中的坐标为（u，v，w）目前五十一页\总数八十页\编于二十二点

旋转矩阵R的九个系数为像空辅坐标系与相应的像空间坐标系的方向余弦：

当取v轴为主轴时，像空辅经过φ、ω、κ三个角度旋转，得到像空间坐标系：目前五十二页\总数八十页\编于二十二点xyozxysuvw目前五十三页\总数八十页\编于二十二点1）以、、系统表示方向余弦（1）S-uvw绕v轴旋转角到S-XYZXZauv(Y)wS2、方向余弦的确定夹角xφyφzφuφ90°90°+φv90°0°90°w90°-φ90°φ目前五十四页\总数八十页\编于二十二点（2）S-XYZ绕X轴旋转角到S-XYZYZaXYZS夹角xφωyφωzφωxφ0°90°90°yφ90°ω90°+ωzφ90°90°-ωω目前五十五页\总数八十页\编于二十二点（3）S-XYZ绕Z轴旋转角到S-XYZ(s-xyz)ZYXSXY夹角xYzxφωκ90°+κ90°yφω90°-κΚ90°zφω90°90°0°目前五十六页\总数八十页\编于二十二点目前五十七页\总数八十页\编于二十二点因此，像点在两个坐标系中的变换公式为a1=cosφcosκ-sinφsinωsinκa2=-cosφsinκ

–sinφsinωcosκa3=-sinφcosωb1=cosωsinκb2=cosωcosκb3=-sinωc1=sinφcosκ+cosφsinωsinκc2=-sinφsinκ

+cosφsinωcosκc3=cosφcosω

目前五十八页\总数八十页\编于二十二点规律：只要知道转角绕轴旋转的先后顺序，就能很快写出总的旋转矩阵，即为每个旋转矩阵的连乘。每个旋转矩阵中，绕某轴旋转时，与该轴相对应的三维矩阵中对应位置的元素为1，与其它轴的方向余弦为0，其余的则为平面旋转变化。目前五十九页\总数八十页\编于二十二点2）以u轴为主轴的，、，、，系统的坐标变换目前六十页\总数八十页\编于二十二点vwSuY’Z’’’a目前六十一页\总数八十页\编于二十二点aX’Z’’XZ’SY’’’目前六十二页\总数八十页\编于二十二点X’’Y’’’’X’z’’SY’a目前六十三页\总数八十页\编于二十二点a1=cosφ’cosκ’a2=-cosφ’sinκ’

a3=-sinφ’b1=cosω’sinκ’

–sinω’

sinφ’cosκ’

b2=cosω’cosκ’+sinω’

sinφ’sinκ’

b3=-sinω’

cosφ’c1=sinω’sinκ’+cosω’sinφ’cosκ’c2=sinω’cosκ’-cosω’sinφ’sinκ’c3=cosφ’cosω’

目前六十四页\总数八十页\编于二十二点3）以w轴为主轴的A、、α、系统的坐标变换úúúûùêêêëé-=úúúûùêêêëé-=úúúûùêêêëéfyxRfyxRRRwvuαAka目前六十五页\总数八十页\编于二十二点a1=cosAcosκv+sinAcossinv

a2=-cosAsinκv+sinAcoscosv

a3=-sinAsinb1=-sinAcosκv+cosAcossinv

b2=sinAsinv+cosAcoscosv

b3=-cosAsinc1=sin

sinv

c2=sincosv

c3=cos目前六十六页\总数八十页\编于二十二点3.7中心投影的构像方程

航摄像片与地图是两种不同性质的投影。航摄像片是中心投影，地图是正射投影。摄影影像信息的处理，就是要把中心投影的影像变为正射投影的地图信息。如何变目前六十七页\总数八十页\编于二十二点xyzuvwAasXSYSZSNvuwX-XSY-YS(x,y,-f)(X,Y,Z)DZYX一、公式推导(Xs,Ys,Zs)目前六十八页\总数八十页\编于二十二点

选取像空间辅助坐标系S-uvw与地面摄影测量坐标系D-XYZ，像空间辅助坐标系S-uvw的w轴是铅垂的，且像空间辅助坐标系S-uvw与地面摄影测量坐标系D-XYZ相互平行，投影中心S和地面点A在地面摄影测量坐标系中的坐标分别为Xs、Ys、Zs和X、Y、Z，地面点A在像空间辅助坐标系中的坐标为X-Xs、Y-Ys、Z-Zs，设相应像点a在像空间辅助坐标系中的坐标为u、v、w。S、a和A三点共线，由相似三角形而得：λ为比例因子。目前六十九页\总数八十页\编于二十二点目前七十页\总数八十页\编于二十二点中心投影构像方程——共线条件方程逆算式：目前七十一页\总数八十页\编于二十二点二、水平像片与倾斜像片相应像点之间的坐标关系SP0SSfffhchca0aAa0cP

若把地面看成水平地面，共线方程逆算式中的（Z-Zs）就为一常数，实际就是航高，这里用-H表示。（X-Xs）和（Y-Ys）为水平地面点在像空间辅助坐标系中的坐标，这里用X、Y表示，则共线方程逆算式可表示为：目前七十二页\总