摄影测量学上

摄影测量学

主讲：

沙从术1河南工程学院土木工程系2第一章绪论

一、什么是摄影测量？(传统定义）摄影测量学是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录3像片地形图4第一章绪论

一、什么是摄影测量？（1988年ISPRS在日本京都第16届大会上定义）

摄影测量与遥感乃是对非接触式传感器系统获得的影像及其数字表达进行记录量测和解译，从而获得自然物体和环境的可靠信息的一门科学和技术。

内容包括:

影像信息获取

影像信息处理

影像信息表达

影像信息应用§1－1摄影测量的定义和任务返回目录5摄影测量学：定义各种类型传感器被摄物体影像通过量测和解译过程自然物体及其环境的可靠信息DEMDLGDRGDOM6P31摄影经纬仪7RC30框幅式航摄仪8ADS40数字航摄仪9P31摄影经纬仪近景影像10航空光学影像11ADS40数字航空影像12二、摄影测量能做什么？（主要任务）

摄影测量目前的主要任务是：1.测制各种比例尺的地形图和专题图；2.建立地形数据库；3.为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据；

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录13三、摄影测量有什么优点和特点？1.影像记录目标信息客观、逼真、丰富；2.测绘作业无需接触目标本身，不受现场条件限制；3.可测绘动态目标和复杂形态目标；4.影像信息可永久保存、重复量测使用；第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录14四、摄影测量的分类

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录航天摄影测量航空摄影测量地面摄影测量近景摄影测量显微摄影测量地形摄影测量非地形摄影测量模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量按距离远近按用途按处理手段151.按摄影距离分为:

(1)航空摄影测量为摄影测量生产、科研、教学的主流；成图比例尺可覆盖1：5百—1：5万；是测绘1：5百—1：5千地形图的重要方法，是测绘1：1万—1：5万地形图的主要方法；

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录16

（2）航天摄影测量用卫星遥感影像测绘地形图或专题图，或快速提取所需空间信息；成图比例尺已从1：5万—1：100万提高到1：5千左右（甚至1：1000左右），在一定条件下已可替代部分航空摄影测量；

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录17

（3）地面摄影测量一般用于山区的工程勘察和补测航摄漏洞；

（4）近景摄影测量* 一般用于拍摄距离<300米（或100米）的非地形目标测绘.

（5）显微摄影测量

*

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录182.按用途分为:

（1）地形摄影测量是摄影测量的主要任务，服务于国家基础地理信息需求，并广泛应用于城建、环保、 规划、农林、水利、电力、交通、地矿等众多部门或行业。

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录19与用经纬仪现场测绘方法相比，摄影测量测绘地形有以下优点：

a.作业速度快，成图周期短；

b.内业作业为主，劳动强度低；

c.较大范围成图时省经费

d.成图精度均匀

e.可生产影像测绘产品

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录20

（2）非地形摄影测量

是摄影测量的一个分支学科。其主要研究利 用影像确定非地形目标物的形状、大小及空间 位置等，广泛应用于工业制造、建筑工程、生物 医学及考古、变形观测、公安侦破、事故勘察、 弹道测量、爆破、矿山工程等领域。

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录213.按影像信息处理的技术手段分为:（1）模拟摄影测量（2）解析摄影测量（3）数字摄影测量第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录22五、摄影测量与遥感的关系

1.共同之处摄影测量学作为一个成熟的学科，已有一百五十年左右的发展史了。遥感作为现代高科技只有三四十年左右的发展史。但两者科技内容（理论基础，技术手段，生产设备，应用目的等）已趋于一致，共同发展形成影像信息科学。

第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录23

2.差异之处 以航空摄影成像为主

摄影测量以测绘大比例尺地形图为主

以影像几何信息的处理为主 以提供区域基础地理信息服务为主

以卫星传感器成像为主（具有宏观特性，光谱特征，时相特征）

遥感以编制中小比例尺专题图为主

以影像物理信息的处理为主以各行业、部门专业应用为主第一章绪论

§1－1摄影测量的定义和任务返回目录24遥感平台高度目的、用途其它航天飞机240～350km不定期地球观测、空间实验

无线电探空仪100m～100km各种调查（气象等）

超高度喷气机10000～12000m侦察、大范围调查

中低高度飞机500～8000m各种调查、航空摄影测量

飞艇500～3000m空中侦察、各种调查

直升机100～2000m各种调查、航空摄影测量

无线遥探飞机500m以下各种调查、航空摄影测量飞机、直升机牵引飞机50～500m各种调查、航空摄影测量牵引滑翔机系留气球800m以下各种调查

索道10～40m遗址调查

吊车5～50m地面实况调查

地面测量车0～30m地面实况调查车载升降台摄影测量与遥感：平台25卫星影像图26航空光学影像27ADS40数字航空影像28航测矢量图（DLG）29正射影像图三峡正射影象图：三条航带、175张航空影像30三峡景观图：三条航带、175张航空影像三维景观图31虚拟城市景观32发展阶段

时间（进入生产）

作业方式典型生产设备生产成果模拟摄影测量解析摄影测量数字摄影测量二十世纪初～70年代二十世纪70年～至今二十世纪90年～至今机械辅助测绘计算机辅助测绘自动化测绘模拟立体测图仪解析立体测图仪数字摄影测量系统模拟产品模拟/数字产品数字产品第一章绪论§1-2摄影测量学的发展阶段一、摄影测量学的发展阶段返回目录3334模拟摄影测量光学像片光学机械测图仪器人工建立立体模型人工量测和解译机械绘图图解线划地图像片影像地图利用光学/机械投影方法实现摄影过程的反转，用两个/多个投影器模拟摄影机摄影时的位置和姿态构成与实际地形表面成比例的几何模型，通过对该模型的量测得到地形图和各种专题图单片测图分工法测图综合法测图35光学纠正仪SEG-1HJ-2436WildA10模拟立体测图仪37解析摄影测量1954年，第一台电子计算机问世1957年，海拉瓦博士提出解析测图仪的思想，标志着解析摄影测量的开始20世纪70年代末至90年代初，解析摄影测量发展的鼎盛时期38解析摄影测量光学像片解析测图仪器计算机建立立体模型人工量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型像片影像地图以电子计算机为主要手段，通过对摄影像片的量测和解析计算方法的交会方式来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质及其相互关系，并提供各种摄影测量产品的一门科学解析空三解析测图仪数控正射仪3940德国Zeiss厂C-100型解析测图仪41瑞士Kern厂DSR-1型解析测图仪42瑞士WILD厂OR-1型数控正射投影仪43德国Zeiss厂Z-2型数控正射投影仪44数字摄影测量计算机硬、软件技术的飞速发展，使功能增强，成本降低，并为编制大型软件提供平台20世纪70年代：数字摄影测量萌芽阶段20世纪80年代：数字摄影测量原型研究阶段20世纪90年代：真正推出可用于生产的数字摄影测量系统45数字摄影测量数字影像数字测量摄影系统自动建立立体模型自动量测和解译自动记录数字线划地图数字高程模型数字影像地图数据库基于摄影测量的基本原理，通过对所获取的数字/数字化影像进行处理，自动（半自动）提取被摄对象用数字方式表达的几何与物理信息，从而获得各种形式的数字产品和目视化产品计算机技术数字图像处理影像匹配模式识别463-DmouseCrystaleyesVirtualPhotogrammetrynowisavailableSupresoftVirtuoZoNTVirtuoZo数字摄影测量系统47JX-4A数字摄影测量工作站48发展阶段原始资料投影方式仪器操作方式产品模拟摄影测量像片物理投影模拟测图仪手工操作模拟产品解析摄影测量像片数字投影解析测图仪机助作业员操作模拟产品数字产品数字摄影测量数字化影像数字影像数字投影计算机自动化操作+作业员干预数字产品模拟产品摄影测量三个发展阶段的特点49目前看来影像信息科学是由摄影测量学、遥感、地理信息系统、计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、专家系统、空间技术和传感器技术等相结合的一个边缘学科。是基于影像认识世界和改造世界的途径。

第一章绪论

§1-3影像信息科学的组成一、影像信息科学的组成返回目录50影像信息科学的组成与相互关系返回目录51二、目前一些相关新专业的出现：航测、制图与GIS相结合Geoinformatics(ITC)空间科学、电子科学、地球科学与计算机科学等相结合遥感科学与技术第一章绪论

§1-3影像信息科学的组成返回目录52摄影测量学：参考资料教材王佩军，徐亚明编著，《摄影测量学》，武汉大学出版社参考书1、李德仁等编，《基础摄影测量学》，测绘出版社2、李德仁，郑肇葆编著，《解析摄影测量学》，测绘出版社3、钱曾波编，《解析空中三角测量基础》，测绘出版社4、袁修孝著，《GPS辅助空中三角测量原理及应用》，测绘出版社5、张剑清，潘励，王树根编著，《摄影测量学》，武汉大学出版社53第二章影像获取与摄影测量的基础知识

一、摄影原理（摄影的诞生与发展）二、摄影机§2-1摄影原理与摄影机摄影物镜ABab镜箱暗箱返回目录54

1、摄影物镜

摄影物镜：相机上由凸透镜或凹凸透镜组合成的精密光学成像系统。

组合透镜成像1、利用单个透镜逐次成像

分析方法2、利用透镜组的“等效透镜”成像

§2-1摄影原理与摄影机返回目录55

2、物镜的成像公式

高斯成像公式：牛顿成像公式：§2-1摄影原理与摄影机返回目录563、物镜的光圈和光圈号数

光圈:控制物镜进光面积的可变光阑。1、调节物镜使用面积作用（；d-有效孔径）2、控制焦面光通量3、调节成像景深§2-1摄影原理与摄影机返回目录57

光圈号数k：

K以为公比成等比级数排列并标刻在物镜外框上（1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22…）

4、摄影机快门

快门：控制曝光时间的装置。

作用1、控制曝光时间2、与光圈配合控制曝光量

快门速度t：快门从开启到关闭所经历的时间。

t以1/2为公比成等比级数排列，标刻在物镜外框（1，1/2,1/4，1/8，1/15，1/30，1/60，1/125,1/250…)

§2-1摄影原理与摄影机返回目录585、曝光量H与K,t的关系

曝光量：感光材料所受辐射光量的多少。（;E---焦面照度；）设对同一景物拍摄二次，分别使用和，为了得到相同的正确曝光量H（对某种感光材料，正确曝光量H为定值），则§2-1摄影原理与摄影机返回目录59

可见，当快门速度放慢为原来的n倍（即改变n档）只要，光圈号数增大为原来的倍（亦即n档），则，曝光量保持不变（对t加快，k减小也成立）。例：已知胶卷在晴天阳光下获得正确曝光量的参考方式是K=16,t=1/125秒,则都能获得正确的曝光量§2-1摄影原理与摄影机返回目录60

6、拍摄景深

景深：物方能够清晰成像的一段物距

景深

显然，当D,K,FDF§2-1摄影原理与摄影机返回目录61景深返回目录62

三、摄影机简介1、普通摄影机

§2-1摄影原理与摄影机返回目录63§2-1摄影原理与摄影机返回目录642、量测用摄影机航空摄影机

§2-1摄影原理与摄影机返回目录65相关概念1.主光轴:组成物镜的各个透镜的光学中心位于同一条直线上,这条直线就称为主光轴.2.主焦点:所有平行于主光轴的光线通过镜头后,都于主光轴交于一点,该点称为主焦点.3.焦平面:过焦点垂直于光轴的平面称为焦平面.4主距:摄影机物镜中心至底片面的距离称为摄影机的主距.5.视场:通过物镜所能看到的区域称为视场.6.像场:通过物镜所能看到的清晰区域称为像场.7.镜头分辨率:镜头对被摄物体微小细节的分辨能力,常用1mm宽度内能清晰识别相互平行和线条数目来表示.66摄影机分类摄影机分类焦距(mm)像场角(2β)短焦距摄影机<150>100°(特宽角)中焦距摄影机150~30070°~1000°(宽角)长焦距摄影机>300≦70°(常角)像幅尺寸:18mm×18mm，23mm×23mm,23mm×23mm67RC30航空摄影机返回目录68近景摄影机WILDP32返回目录69近景摄影机WILDP32返回目录70

航空摄影机特性：物镜成像分解力高物镜成像畸变差小（1）光学特性物镜透光率高光学影像反差大焦面照度均匀（2）焦面上设置有框标（3）有胶片压平系统（4）像距为定值（主距） （5）有减震装置

§2-1摄影原理与摄影机返回目录71（6）有影像位移补偿装置（7）抗温差、抗过载§2-1摄影原理与摄影机返回目录72

什么是框标？

框标：设置在摄影机焦平面（承影面）上位置固定的光学机械标志，用于在焦平面上（亦即像片上）建立像方坐标系。框标的形式有

§2-1摄影原理与摄影机返回目录73返回目录74返回目录75一、航空摄影

§2-2航空摄影及其基本要求返回目录76摄影比例尺与摄影航高1.摄影比例尺：航摄像片上一线段为l的影像与地面上相应线段的水平距离L之比，即：1/m=l/L=f/H2.摄影航高：摄区内的平均高程面作为摄影基准面时，摄影机的物镜中心至该面的距离称为摄影航高。相对于平均水准面的航高称为绝对航高，相对于某一水准面或某一点的航高称为相对航高。77摄影前设计书的主要内容1.确定测区的范围2.根据测区地形条件、成图比例尺等因素选择摄影机3.确定比例尺及航高4.需用像片的数量5.选择摄影日期及时间6.确定航摄成果检查与验收方法78几个概念1.摄站:摄影机在拍摄瞬间其物镜中心所在空间位置.2.摄影基线:航线上相邻两摄站点间的空间距离.3.负片:摄影时所用的胶卷,即底片.4.正片:利用负片晒印的像片.79航空摄影过程返回目录80激光扫描范围图像像幅机载数码成像系统8182返回目录83返回目录84返回目录85返回目录86返回目录87二、摄影比例尺的选择§2-2航空摄影及其基本要求比例尺类别航摄比例尺成图比例尺大比例尺1:20001:30001：5001:40001:60001：10001:80001:12001：20001:5000中比例尺1:150001:20000(像幅23*23)1:100001:250001:250001:35000(像幅23×23）1:10000小比例尺1:200001:300001:250001:350001:550001:50000返回目录88三、航空摄影的基本要求

1、航摄倾角

航摄倾角（像片倾角）:摄影主光轴与铅垂方向的夹角。

§2-2航空摄影及其基本要求返回目录892、摄影比例尺

§2-2航空摄影及其基本要求返回目录即：航高的相对误差不得大于5%，绝对误差不得大于是50米。90

3、像片的重叠度

像片的重叠度：为满足测图需要，在拍摄景区相邻两张像片时要有一定的重叠度，重叠部分占整张像片的比例。

要求航向重叠度旁向重叠度

§2-2航空摄影及其基本要求返回目录91像片重叠度返回目录92可得

式中l像幅边长

b像片基线长度

B摄影基线长度§2-2航空摄影及其基本要求返回目录934、航线弯曲度

航线弯曲度：航线两端像片的像主点间的直线距离l与偏离该直线最远的像主点到直线的距离之比

§2-2航空摄影及其基本要求返回目录945、像片旋转角

像片旋转角：相邻两张像片的像主点连线与像幅沿航线方向的两框标连线间的夹角。§2-2航空摄影及其基本要求返回目录95返回目录96返回目录97返回目录98返回目录99§2－3中心透视投影及变换成图1.中心投影：投射线会聚于一点的投影称为中心投影。

投影平面投影射线投影点投影中心1002.平行投影：投射线相互平行的投影为平行投影。正摄投影斜投影1013

.双心投影：两个投影中心和两个投影平面当作一个整体，对同一个物体进行投影。1024.透视变换：将平面上的点、线作中心投影，在投影平面P上，得到一一对应的点、线，这种经中心投影取得的一一投影关系，成为透视变换。EPNnTTvv(V)(V)CcOoShihiWhohohchcEsJi1035.透视变换中的重要点、线、面面：地面E、像片面P、主垂面W、真水平面Es线：基本方向线VV、主纵线vv、主光轴SoO、主垂线SnN、等角线ScC、合线hihi、主横线hoho、等比线hchc、迹线TT点：摄影中心S、像主点o、地主点O、像底点n、地底点N、等角点c、地面等角点C、主合点i、主遁点J

1046.透视变换中重要的点、线特性底点的特性：铅垂线在像面上的构像位于以点n为辐射中心的相应辐射线上105

7.等角点的特性：在倾斜像片和水平地面上，由等角点c和C所引出的一对透视对应线无方向偏差，保持着方向角相等1068.等比线的特性：等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，不受像片倾斜影像。107§2－3像片影像误差及其处理 摄影机物镜构像畸变引起光学影像系统性误差的因素感光材料变形大气折光地球曲率

一、物镜构像畸变差及其改正

畸变差以对称性的径向畸变差为主，可表示为：

式中

为径向畸变差系数（通常由厂家提供)

返回目录108

由△r引起的像点坐标改正式为:

ora(x,y)yx§2－3像片影像误差及其处理返回目录109

二、感光材料变形误差及其改正

§2－3像片影像误差及其处理返回目录110

感光材料变形引起的像点坐标变换关系可表示为：

式中——像点坐标量测值（有变形误差）——像点坐标正确值（无变形误差）——变换系数§2－3像片影像误差及其处理返回目录111

变形误差改正过程：

获取相应框标点在像平面坐标系o－xy中的鉴定坐标量测四个以上框标点的像点坐标

由坐标变换式列误差方程，平差解得变换系数将任一像点的坐标量测值代入坐标变换式算得正确值§2－3像片影像误差及其处理返回目录112

三、大气折光误差及其改正

§2－3像片影像误差及其处理返回目录113

式中 ——折光引起的像点径向改正值

（折光差角）——大气折射率——光线入射角

由引起的像点坐标改正式为：§2－3像片影像误差及其处理返回目录114四、地球曲率误差及其改正§2－3像片影像误差及其处理返回目录115式中——地球表面弯曲引起的像点径向改正值；f——主距R——地球曲率半径；H——航高由△r引起的像点坐标改正值为：

最后得各项系统误差改正后的像点坐标：§2－3像片影像误差及其处理返回目录116

一、像平面上的坐标系

原点：框标连线交点P

1、框标坐标系(p-)

轴：航向框标连线方向

轴：旁像框标连线方向

§2-4摄影测量常用坐标系统返回目录1172、像平面坐标系（O-xy）

原点：像主点ox、y轴：分别平行于p-xy的坐标轴

a(x,y)