第三章+摄影测量学课件

第三章摄影测量学海洋科学学院海洋信息工程系沈蔚博shen@空间测量与制图4209903第三章摄影测量学海洋科学学院海洋信息工程系沈蔚博士1

目录3.2摄影测量学基本原理3.3平面与立体摄影测量3.4空中三角测量与DEM3.5数字摄影测量与计算机视觉3.1摄影测量学概述目录3.2摄影测量学基本原理3.3平23.3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3.3平面摄影测量与立体摄影测量3.3.1平面摄影测量33.3.1平面摄影测量

投影变换航片是中心投影，即摄影光线交于同一点地图是正射投影，即摄影光线平行且垂直投影面。ABCDabcd中心投影ABCDabcd正射投影3.3.1平面摄影测量

投影变换航片是中心投影，即摄影光线交4中心投影和正射投影的区别

航片为中心投影，地形图为垂直投影，二者的根本区别在于：正射投影与投影距离无关性。

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H1H2f正射投影中心投影中心投影和正射投影的区别正射投影:比例尺中心投影:焦距固定，5(1)投影面倾斜的影响两种投影方式在地面水平且像片也水平时，无差异。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倾斜水平ABCabcHf比例尺f/H(1)投影面倾斜的影响正射投影:总是水平的，中心投影，若投影6(2)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ABCBACabcabcA’C’C’A’(2)地形起伏的影响地形起伏对正射投影对中心投影引起投影差A7正射纠正：投影变换将具有倾角的像片P变为水平的像片P0,这种变换称为中心投影变换。摄影测量中将任意倾角的像片变为规定比例尺的水平像片，称为像片纠正：对于高差大的地区，需逐点进行变换；或按不同高程分带进行像片纠正。正射纠正：投影变换将具有倾角的像片P变为水平的像片P0,这种83.3.2立体摄影测量

人类两眼在观察世界的时候，其中成像到双眼的图像是不同的，也就是左右眼会有一个视差，而大脑便会根据这个视差来感觉到立体影象。

不同视差，影像将会产生不同的三维效果。(1)非交错视差，则其影像将会呈现在荧光幕后。(2)零视差，则其影像将会呈现在荧光幕上。(3)交错视差，则其影像将会呈现在荧光幕前的交叉点上。3.3.2立体摄影测量

人类两眼在观察世界的时候，其中成9立体视觉—视差

我们需要把双眼对焦到这张立体画的后面，也就是让这张画在你的左右眼呈现出不同的图像彼此叠加重合，当重合到一定位置时，你便能清楚的看到它所包含的立体文字或者图像了。立体视觉—视差

我们需要把双眼对焦到这张立体画的后面，也就是10人造立体视觉的条件与方法

立体摄影测量是对相邻的两张影像建立立体模型，进行测绘地形图或建立数字地面模型等。

像对立体观察是指用双眼对相邻两摄影站对同一地区摄取的两张像片进行观察，而生成空间光学立体模型的观察过程。假设人们安置两个焦距相等的摄影机，使两镜头中心的距离约等于眼基线，两摄影机光轴互相平行，摄取两张像片。观察时两眼分别处于两镜头的位置，并使左右两眼分别看左右两张像片，这样构成了立体模型。根据天然立体观察的性质，必须满足下列条件，才能将像对构成光学立体模型：1．像片之间的比例尺不能差别过大。2．必须至少由两张像片构成，并且由不同的摄影站摄影。3．左眼看左片，右眼看右片。4．两像片之间的连线与眼基线之间尽量平行。人造立体视觉的条件与方法

立体摄影测量是对相邻的两张影像11立体观测方法

1）光学系统2）补色法3）同步闭闪法4）偏振光法5）裸眼自由立体显示器利用了视差障碍原理，采用特定的掩模算法，通过将具有不同视差的图像各个象素与显示器物理象素点以及加装在显示器前的屏障光栅阵列完全匹配，准确控制画面每一个像素透过的光线，只让左眼或右眼看到，大脑将左、右眼不同视差的两幅图像合成具有空间深度的3D影像。立体观测方法

1）光学系统5）裸眼自由立体显示器12立体像对的相对定向立体模型的绝对定向利用立体像对的几何关系，进行相对定向，建立与地面相似的按比例缩小的、能够反映双像之间相对位置的模型。再通过绝对定向（平移、缩放和旋转），变换到地面坐标系中，从而求出地面点的空间三维坐标。空间三维坐标立体像对的相对定向立体模型的绝对定向利用立体像对的几何关系，13

目录3.2摄影测量学基本原理3.3平面与立体摄影测量3.4空中三角测量与DEM3.1摄影测量学概述3.5数字摄影测量与计算机视觉目录3.2摄影测量学基本原理3.3平14数字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）

DTM是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。在一般情况下，它的空间分布由X、Y平面坐标系统来描述，其地面特性可以是高程Z、海拔高程、被描述的连续表面属性等；也可以是地理空间上的地价、污染负荷量、绿化率、降雨量、气温、建筑物密度、土地权属、土壤类型、地貌特征、岩层深度、资源环境、人口分布及土地利用等与地形有关的信息。当这种地面特性（Z）为高程或海拔高程时，称之为数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）。数字高程模型DEM是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。。数字地面模型（DigitalTerrainModel,15数字地面模型的形式

数字等高线规则格网模型(GRID)不规则三角网(TIN)混合模型数字地面模型的形式

数字等高线16数字等高线（DigitalContour）一般是由传统纸制地形图数字化而来，将地形上相同高度的点位依等高线间距以线段连接起來，与传统纸制地图不同的是，在计算机中储存的等高线是由一连串点位所组成，而非连续曲线，因此此种资料模式是以一连串的X、Y坐标值加上对应的高程值来表现地形。等高线只能近似地表示真实的地球表面，而且无法直接反映地貌形态，一般通过其密度反应坡度的陡缓等特性，其格式不利于计算机分析应用，通常仅用于资料暂存或转换的格式。数字等高线（DigitalContour）一般是由传统纸制17规则网格（RegularGrid）在计算机实现中则为一个二维数组，每个数组元素对应一个高程值，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。目前，很多国家的DTM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的，此种表示方法简单，非常适合平坦地区的DTM表达，其不足是：地形简单的区域存在大量冗余数据；如不改变格网大小，则无法适用于地形复杂程度不同的地区；对于某些特殊计算如通视计算时，格网的轴向方向被夸大；由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征，如山峰、山脊、山谷等。规则网格（RegularGrid）在计算机实现中则为一个二18不规则三角网（TIN）是以邻近点所围成的三角形来表示地形起伏，所以是利用面的形式来表现地形。一个TIN包含了节点（node）、线段（segment）和面（facet），节点是TIN的基本元素，线段则由相邻两节点连接而成，三条相邻线段组成一个面，每个节点都需要实际量测，如图所示。此法可避免产生如同规则网格般产生多余的资料储存以及数字等高线法的低效率，对于地形剧烈变化处有容易表现的优点，在取样时相对于其它方法具有弹性，地形变化缓和的地区可以减少观测三角形，变化复杂的地区则需要密集取样。494255.015420193.26266.19494255.025420196.35265.91494255.045420199.47265.55494255.055420202.59265.24494255.075420205.68265.07494255.095420208.79264.88494255.115420211.89264.74494255.185420214.21267.60494255.175420217.58265.93494255.265420219.77269.22494255.305420222.52270.38494255.355420225.26271.57不规则三角网（TIN）是以邻近点所围成的三角形来表示地形起伏19Grid—Tin混合模型

为了充分利用上面两种DEM表述形式各自的优点，有人提出了Grid—Tin混合模型形式的DEM。即在一般的矩形格网中，沿着地形特征在细节处补充三角网。

Grid—Tin混合模型 为了充分利用上面两种DEM表20数字地面模型的可视化数字地面模型的可视化21

目录3.2摄影测量学基本原理3.3平面与立体摄影测量3.4空中三角测量与DEM3.1摄影测量学概述3.5数字摄影测量与计算机视觉目录3.2摄影测量学基本原理3.3平223.5数字摄影测量与计算机视觉3.5.1数字影像3.5.2数字影像匹配3.5.3内定向与相对定向自动化3.5.4核线与核线影像3.5.5

DEM的自动生成3.5.6数字纠正3.5.7三维景观影像与数码城市3.5.8计算机视觉3.5数字摄影测量与计算机视觉3.5.1数字影像23数字影像数字影像又称数字图像。即数字化的影像。基本上是一个二维矩阵，每个点称为像元。像元空间坐标和灰度值均已离散化，且灰度值随其点位坐标而异。数字影像可直接在航天或航空遥感的扫描式传感器成像时产生，并记录在磁带上；也可利用影像数字化装置对模拟像片进行数字化，也记录在数字磁带上。图3、实验用清华大学航空立体像对

Fig.3AerialstereoimageofTsinghuaUniv.forexperiment数字影像数字影像又称数字图像。即数字化的影24目前代表性的数字航空摄影测量相机

(a)RC30航摄仪(b)ADS40航摄仪

(c)DMC航摄仪(d)UCD航摄仪目前代表性的数字航空摄影测量相机25数字影像匹配立体像对像对匹配:同名点的识别数字影像匹配立体像对26内定向与相对定向自动化内定向相对定向自动化金字塔影像内定向与相对定向自动化内定向27核线与核线影像核线核线影像核线与核线影像核线28DEM的自动生成模型与模型重建

模型是对现实世界中的实体或现象的抽象或简化，是对实体或现象的重要构成及相互关系的表达。模型是为了理解和预测现实世界而构建的一种有效的替代物，它不是现实世界的复制，能够再现物体的关键特征。根据不同的表示方式，可以将模型分成概念模型、物理模型和数学模型三大类。概念模型：利用科学的归纳方法，以对研究对象的观察、抽象形成的概念为基础，建立起来的关于概念之间的关系和影响方式的模型。物理模型：又称实体模型，是现实世界在尺寸上缩小或放大后的构成的相似体。物理模型的理论基础是相似理论，模型的特点是相似性。数学模型：是用数学方程来描述现实世界机构和特性的模型。DEM的自动生成模型与模型重建29DEM的自动生成模型与模型重建

模型重建，又叫建模，是构造现实世界中与研究对象相关的模型的过程。在建模中，首先观测研究对象，然后在忽略次要因素和不可观测因素的基础上，使用物理或数学的方法进行抽象，建立与实际对象近似的模型。建模的重点是探讨研究对象与模型之间的关系，所建立的模型要尽可能逼进真实物体。地形、建筑和植物的三维模型的重建，都属于物理模型的范畴，如DTM目的是对真实地形的模拟，建筑模型是要逼真的接近真实建筑的形状，通常物理模型可以通过三维可视化技术虚拟再现。DEM的自动生成模型与模型重建30DEM的自动生成DEM的获取方法1．数字化地形图等高线或高程点，进一步构建TIN（TriangulatedIrregularNetwork）或GRID得到DTM，该方式成本低、效率低，精度受原有地形图影像大。2．通过传统测量手段（地形测量、水准测量）获取地形点高程值，构建TIN或GRID得到DTM，该方式精度很高，但是成本高、效率低、更新速度太慢，不宜用于构建大型的城市的DTM。3．通过数字摄影测量系统，对航空摄影图像（包括高分辨率卫星图像）进行立体匹配获取地形的三维信息。该方法需要地面控制点，获取速度较快，受扫描分辨率和测量手段的限制，成图精度稍微受到一些影响。4．由机载激光扫描系统直接扫描并后续处理得到，即本文所研究并实施的方法，获取速度最快，精度高（可达垂直0.15m水平0.2m），且不收天气情况影像，但技术要求较高。5．使用合成孔径雷达（SAR）获取DTM，该方法可全天候作业，分辨率适中（可达垂直2m水平1.5m），但数据获取成本高，目前不易推广。DEM的自动生成DEM的获取方法31DEM的自动生成空间插值方法为了获得平滑的GRID格式的地形，必须对离散的地形点或TIN进行空间数据插值，也称空间数据内插。一定意义上，空间数据内插可以被定义为根据已知的空间数据估计（预测）未知空间数据的值。目标可以归纳为：1）缺值估计。估计某一点缺失的观测数据，以提高数据密度。2）内插等值线。以等值线形式直观的显示数据的空间分布。3）数据格网化。把无规律分布的空间数据内插为规则分布的空间数据集，如GRID。反距离加权插值法（InverseDistanceWeighted,IDW）克里金插值法（Kriging）最小曲率法（M