遥感地质学-图像视差和立体观测

§5.3图像视差和立体观测一、图像视差的产生原因和像点位移

空中照片是地面的中心投影。根据中心投影的原理，无论是带有起伏状态的地形，或是高出地面的任何物体，反映到空中照片上的像点与其平面位置相比，一般都会产生位置的移动，这种像点位置的移动，叫做像点位移。主要由像片倾斜、地面点相对于基准面的高差和物理因素（如摄影材料变形、压平误差、摄影物镜畸变、大气折光和地球曲率等等）产生。1、地形起伏引起的像点位移

由于地面总是有起伏的，地面点高于或低于基准面，投影在像片上的像点产生的直线移位，称为投影差，用δh表示，投影差δh与地形起伏和像片倾斜都有关系。为测图或资源调查的航空摄影像片的倾角总是很小的，一般都控制在3°以内，因此，在竖直摄影的像片上投影差主要是高差的影响。

图5-10中，地面点A距基准面有高差h,它在相片上的构像为a；地面点A在基准面上的投影为A0，A0在相片上的构像为aa0，aa0即为因地形起伏引起的像点位移，用δh表示，将具有位移的像点a投影在基准面上为Aˊ，A0Aˊ则称为地面上投影差，用δh表示。根据相似三角形原理，可得:

上式就是像片上因地形起伏引起的像点位移的计算公式，式中，r为a点以像底点n为中心的像距，H为摄影航高根据上式可以看出因地形起伏引起像点位移的规律(1)当r=0时，δh=0，即水平像片的像主点处没有投影误差。(2)像点的位移量δh与r成正比，即水平像片上距离像主点越远，投影误差越大。

(3)像点的位移量δh与h成正比，相对高差越大，投影误差越大，在地形平坦区的像片没有投影误差，地形起伏越大地区的像片投影误差越大，即影像畸变越大。像点位移方向在像点与像主点连线上，高于基准面的点，像点背离像主点方向位移，低于基准面的点，向像主点方向位移。

(4)像点位移量与航高成反比，也就是说像片比例尺越大，像点位移量大，即畸变就越大。在航空像片上由地形起伏引起的投影误差是不可忽略的，在解译过程中，尤其定量解译时应考虑到这种畸变规律。

2.根据像点位移值测量目标的高度

由于高出地面的物体，反映到空中照片上的影像，不仅能反映出它的侧面形状，而且还能根据目标顶部和底部的影像，直接测量出它的位移大小。因此，把测得的位移值带入公式:可得目标高度。

例如，一张航空照片，已知照相高度为400米，在空中照片上量出目标顶点至像主点的距离为2.8厘米，目标的像点位移值为0.15厘米，则目标高度为

h=400米*0.15米/2.8米=21.43米注意：这种测量方法只适用垂直空中照片，而且被测量目标的影像的顶部和底部都应该是清晰的，才容易测量出目标位移的全长。

二、航空像片的立体观察（一）航空像片立体观察的原理人眼是一个天然的光学系统，结构复杂。人眼能自动调焦，在观察不同远近的物体时，网膜上都能得到清晰的构像。瞳孔如同光圈，网膜如同底片，接受物体的影像信息。用单眼观察物体时，人们感觉到的仅是景物的透视像，好像一张像片一样，只能分辨出物体的平面形状，不易分辨出物体的远近和立体形态。只有用双眼观察景物，才能判断景物的远近，得到景物的立体效应。因此，航空摄影中需要拍摄同一地面不同摄站的两张像片（一个立体像对）才能构成立体模型。人眼能观察景物的远近是由眼睛的生理视差所决定的。眼睛是观察物体的器官，形状近似圆球（如图眼睛构造）前面是水晶体，其作用与照相机镜头相似；后面是网膜，其作用与感光片相似。射到眼睛的光线经水晶体的折射，便在网膜上构成影像。水晶体距网膜的距离是不变的，只是水晶体受四周韧带的伸缩作用，而改变它的曲率，从而改变它的焦距，因此在观察远近不同的物体时，水晶体的焦距能自动调节，使影像落在网膜上得到清晰的影像。用双眼观察物体时，观察者能自动调节和转动双眼，使两眼的视轴交会于某一观察点上，也就是使该点的影像落于网膜窝中心内。此时两眼视轴所形成的交角叫做交会角。交会角的大小决定于两眼的距离（称为眼基线）和物体的远近。一般成年人的眼基线平均为64毫米。所以，物体离眼睛的远近不同，就具有不同的交会角。距离愈远，交会角愈小；距离愈近，交会角愈大。同时人们是从眼基线的两个端点来观察物体的（右眼从右边观察物体，左眼从左边观察物体），因此两眼的观察角度就不同，在两眼网膜上所产生的物体影像也就有差别，即形成了生理视差。图5-12说明了人们在用双眼观察物体时，两眼所产生的生理视差。图5-12生理视差图中o1、o2为两眼的水晶体，A、B、F为三个被观察点，若将视线调节在F点时远点B和近点A在两眼网膜上的影像分别为b1、b2和a1、a2,它们对于网膜窝中心f1和f2的弧长f1b1和f2b2或f1a1和f2a2的差（f1b1-f2b2或f1a1-f2a2），叫做生理视差。像点位于网膜窝中心左方时弧长为正，在右方时为负，在网膜窝中心时为零。这样远近不同的点，就具有不同的生理视差。从图中可以看出，B点比F点远，生理视差小于零，A点比F点近，生理视差大于零，如果B、A点与F点之间没有远近差别，则生理视差等于零。由此可知，物体的远近不同,会引起生理视差的改变。生理视差不同的影像，通过视神经汇集于大脑中，就产生了物体的形态、大小和空间位置的总印象，这就是物体的立体感觉。因此，生理视差是产生立体视觉和判断景物远近的原因。但是人们的立体感觉是有一定限度的，根据实验证明，当交会角小于30〞，物体在两眼中就会产生完全相同的感觉，此时就无法感觉出物体的远近和立体形态。图5-13不同角度对同一地区照相示意图

立体观察就是根据眼睛的立体视觉原理进行的。实施立体观察，必须是在连续拍摄的两张空中照片的重叠部分上进行。因为这种照片，是在同一照相高度，从两个不同角度对同一地区拍摄的（见图5-13），所以同一物体在两张空中照片上，就是现出互有差别的影像，并具有不同的左右视差。这样它就符合了立体视觉所必须具备的条件，因而也就能用来进行立体观察。假若用两眼代替镜头，分别各看一张照片，则各像点在眼睛网膜上所形成的影像，同样会形成不同的生理视差而获得物体的立体效应。如果我们在双眼前各放置一块玻璃片，若玻璃上有感光材料，则影像分别记录在感光片上，当移开实物后，各眼观看各自玻璃上的构像，仍能看到与事物一样的空间景物，这就是空间景物在人眼网膜窝上产生生理视差的人眼立体视觉效应。其过程为：空间景物在感光材料上构像，再用人眼观察构像的像片产生生理视差，重建空间景物的立体视觉，所看的空间景物称为立体影像，产生的立体视觉称为人造立体视觉。

根据人造立体视觉原理，在摄影测量中，规定摄影时保持像片的重叠度在60%以上，是为了获得同一地面景物在相邻两张像片上都有影像，它完全类同于上述玻璃片上记录的景物影像。利用相邻像片组成的像对，进行双眼观察（左眼看左片，右眼看右片），同样可获得所摄地面的立体模型，并进行量测，这样就奠定了立体摄影测量的基础。人造立体视觉必须符合自然界立体观察的四个条件（1）两张像片必须是在两个不同位置对同一景物摄取立体像对::

（2）

两只眼睛必须只能观察像对的一张像片；（3）

两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼基线应大致平行；（4）两像片的比例尺相近（差别≤15%）。用上述方法观察到的立体与实物相似，称为正立体效应。如果把像对的左右像片对调，左眼看右像片，右眼看左像片，或者把像对在原位各自旋转180º，这样产生的生理视差就改变了符号，导致观察到的立体远近正好与实际景物相反，这称为反立体效应。（二）航空像片的立体观察在一般情况下，使用立体镜进行观察。目前常用的立体镜，有透镜式立体镜、反光式立体镜、扫描式立体观测仪和主体显微镜等。透镜式立体镜也称桥式立体镜（图5-14a）是由两片透镜组成的，两透镜中心的距离可以调节。这种立体镜的优点是：体积小、结构紧凑、携带方便、价钱便宜。其缺点是观察的视野范围有一定的限度，适应于对像幅不大的空中照片进行观察。反光式立体