摄影测量与遥感

摄影测量与遥感摄影测量：从非接触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体可靠几何信息的工艺、科学与技术。三个发展阶段：模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量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作业员手工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加作业员的干预数字产品模拟产品摄影机主光轴与像平面的交点称为像片主点。摄影机物镜后节点到像片主点的垂距称为摄影机主距，也叫像片主距，用f表示。把像片主距f和像片主点在框标坐标系中的坐标（xO,yO）称为摄像机（像片）的内方位元素。摄影比例尺：是指航摄影像上一线段1与相应地面线段L的水平距之比。公式-—mLHm为像片比例尺分母，f摄影机主距，H平均高程面的摄影高度或称航高。同一条航线内相邻像片之间的影像重叠称为航向重叠。重叠部分与整个像幅长的百分比称为重叠度一般要求在60%以上。两相邻航带像片之间也需要有一定的影像重叠，这种影像重叠部分称为旁向重Px叠度，旁向重叠度要求在30%左右。艮［1：航向重叠度Px%= —— 1：像幅边长lx*100%旁向重叠度Py%=—打一P:重叠影像边长"100%当投影射线会聚于一点时，称为中心投影，当诸投影射线都平行于某一固定方向时，称为平行投影（平行投影分为斜投影和正射投影）。23页作图题摄影测量五个常用坐标系：1像平面坐标系o-xy像平面坐标系是影像平面内的直角坐标系，用以表示像点在像平面上的位置。若摄影中心为，（如图1）,摄影方向与影像平面的交点。称为影像的像主点。像平面坐标系的原点就位于像主点。对于航空影像，两边对机械框标的连线为x和y轴的坐标系称为框标坐标系，其与航线方向一致的连线为x轴,航线方向为正向，像平面坐标系的方向与框标坐标系的方向相同。yY■图iyY■图i2像空间坐标系S・xg该坐标系是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位置。该坐标系以摄站点（或投影中心）S为坐标原点，摄影机的主光轴So为坐标系的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，正方向如图1该坐标系可以很方便的与像平面坐标系联系起来。在这个坐标系中，每一个像点的z坐标都等于S。的长，但符号是负的。3像空间辅助坐标系S・XYL该坐标系是一种过渡坐标系，它以摄站点（或投影中心）S为坐标原点。在航空摄影测量中通常以铅垂方向（或设定的某一竖直方向）为Z轴，并取航线方向为X轴如图1,这样有利于改正沿航线方向累积的系统误差。4摄影测量坐标系A・XpYpZp该坐标系是一种过渡坐标系，用来描述解析摄影测量过程中模型点的坐标。在航空摄影测量中通常以地面上某一点A为坐标原点，而它的坐标轴与像空间辅助坐标轴平行，如图L5物空间坐标系QXtYtZt所摄物体所在的空间直角坐标系。测绘中所用的是地面测量坐标系（大地坐标系）。前面介绍的4种坐标系均为石字直角坐标系，而地面测量坐标系为左芋坐标系，它的*轴指向正北方向，与大地测量中的高斯-克吕格平面坐标系相同，高程则以我国黄海高程系统为基准。在地球上一个小范围内讨论问题时，把。视为左手坐标系是允许的，但当测区范围较大时，需顾及地球曲率的影响。确定摄影机的镜头中心（严格地说，应该是镜头的像方节点）相对于影像位置关系的参数，称为影像的内方位元素。包括三个参数：像主点（主光轴在影像面上的垂足）相对于影像中心位置xO、yo和镜头中心到影像面的垂距f（主距）。确定影像或影像光束在摄影瞬间的空间位置和姿态的参数，称为影像的外方位元素。一幅影像的外方为元素包括6个参数，其中3个线元素，用于描述摄影中心S相对于物方空间坐标系的位置Xs,Ys,Zs；另外3个是角元素，用于描述影像面在摄影瞬间的空中姿态。共线方程共线条件是中心投影构像的数学基础，也是各种摄影测量处理方法的重要理论基础，例如单像空间后方交会、双像空间前方交会以及光束法区域网平差等一系列问题的原理，都是以共线条件作为出发点的，只是随着所处理问题的具体情况不同，共线条件的表达形式和使用方法也有所不同。如图2所示，S为摄影中心，在某一规定的物方空间坐标系中其坐标为（Xs,Ys,Zs）,A为任一物方空间点，它的物方空间坐标为（Xa,Ya,Za）。a为A在影像上的构像，相应的像空间坐标和像空间辅助坐标分别为（xy-f）和（X,Y,Z）°摄影时S、A、a三点位于一条直线上，那么像点的像空间辅助坐标与物方点物方空间坐标之间有以卜,关系:X_方点物方空间坐标之间有以卜,关系:X_Y_ZXa-Xs-Ya-Y-Za-Zs~AXx-W]b]C]-x-Xx-W]b]C]-x-由式y=RfY—age,~~~Y-fZ?3b3C3_Z式231可知,像空间坐标与像空间辅助坐标有下列关系:Xalblcl]y—~~~-f?3b3C3JXYZ将其展开为普溢舞Z7＜；x：b：Y：：；z再将式J34代入上式中，并考虑到像主点的坐标x。,y。得—faJXA—XsNMC—XNcJZA—Zs）«3（Xa-xs）+耳怎-X）+c3（ZA-Zs）此为共线条件方程式_fa2（XA-Xs）+b2（q-X）+C2（ZA-Zs）此为共线条件方程式° ，3（Xa-Xs）+b3您一X）+c3（ZA-Zs）式中x,y为像点的像平而坐标；x。，y。，f为影像的内方位元素；Xs，YsZs为摄站点的物方空间坐标；XA，Ya,Za为物方点的物方空间坐标；a^^/M.2,3）为影像的3个外方位角元素组成的9个方位余弦。由式2.3«4和式2-3-1还可以推出共线方程的另一种形式（反演公式）：xA-xs~x~XW=4Y=2RyZa-Zs_Z-f共线条件方程的应用主要有：1） 单像空间后方交会和多像空间前方交会2） 解析空中三角测量光束法平差中的基本教学模型3） 构成数字投影的基础4） 计算模拟影像数据（己知影像内外方位元素和物点坐标求像点坐标）5） 利用数字高程模型（DEM）与共线方程制作正射影像6） 利用DEM与共线方程进行单幅影像测图，等等。航摄像片是地面景物的中心投影，地图是地面景物的正射投影,一个地面点在地面水平的水平像片上的构像与地面有起伏时或倾斜像片上构像的点位不同，这种点位的差异称为像点位移，它包括像片倾斜引起的位移和地形起伏引起的位移。单幅影像的空间后方交会：利用影像覆盖范围内一定数量的控制点的空间坐标与影像坐标，根据共线条件方程，反求该影像的外方位元素，这种方法称为单幅影像的空间后方交会。单像空间后方交会的基本思想：以单幅影像为基础，从该影像所覆盖地面范围内若干控制点的己知地面坐标和相应点的像坐标量测值出发，根据共线条件方程，解求该影像在航空摄影时刻的外方位元素Xs,Ys,Zs,（p,u）,Ko在利用线性化的式及其相应的系数计算公式解求影像的外方位元素时，有6个未知数，至少需要列出6个方程。正立体效应：把左方摄站摄得的像片P1放在左方，用左眼观察；右摄影站摄得的像片P2放在右方，用右眼观察，就得到一个与实物相似的立体效果，称此立体效应为正立体效应。反立体效应：把左方摄站摄得的像片P1不放在左方，而是放在右方，用右眼观察；右方摄站摄得的像片P2也不放在右方，而是放在左方用左眼观察。零立体效应：将正立体情况下的两张像片，在各自的平面内按同一方向旋转90°,使像片上纵横坐标互换方向。像片上原来的纵坐标y轴转到与基线平行，此时生理视差变为像片的y方向的视差，因而失去了立体感觉成为一个平面图像。这种立体效应，称为零立体效应。核面：通过摄影基线S】S2与任一物方点A所作的平面WA成为通过A的核面。核线：核面与摄影立体像对空间前方交会的目的：利用单像空间后房交会求得影像的外方位元素后，欲由单幅影像上的像点坐标反求相应地面点的空间坐标，仍然是不可能的。因为，根据单个像点及其相应影像的外方位元素只能确定地面点所在的空间方向，而使用立体像对上的同名像点，就能得到两条同名射线在空间的方向，这两条射线在空间一定相交，其相交处必然是该地面点的空间位置。在未知点的两个联立方程式中有3个未知数，即地面坐标X.Y.Z,由未知点在一幅影像上的像点坐标x,y只能列出两个方程，使用立体像对上两同名像点的坐标X1.y1.X2,y?即可列出4个方程式，从而求出3个未知数。由立体像对左右两影像的内、外方位元素和同名像点的影像坐标量测值来确定该点的物方空间坐标，称做立体像对的空间前方交会。借助物空间坐标为己知的控制点来确定空间辅助坐标系与实际物空间坐标系之间的变换关系，称

为立体模型的绝对定向。假设任一模型点的像空间辅助坐标为X,Y,Z,该点的地面摄测坐标为Xtp,Ytp,Ztp它们之间存在一个空间相似变换关系，可以用下式表示：■xtp■xtpaia2a3x-AX-Xpbib2b3Y+AY_C1C2C3_ZAZ式中:力为缩放系数；a“bi，c,为由角元素①,Q,K的函数组成的方向余弦；AX,AY,AZ为坐标原点的平移量。所以空间相似变换的7个参数是比例尺缩放系数兀3个旋转量。dK,3个平移量AX,AY,AZ绝对定向的解算实际上就是要确定空间相似变换的7个待定参数，至少需要列出7个误差方程式。在航空摄影测量中，这需要利用最少两个平面高程控制点和一个高程控制点。若有多余的控制点，便可按最小二乘法原理来解算。后方交会-前方交会解法：首先利用控制点的物方空间坐标与像坐标由单像空间后方交会求出左、右影像的外方位元素，然后再根据待定同名点的像点坐标与外方位元素，利用空间前方交会方法求出待定点的物方空间坐标。相对定向-绝对定向解法：先通过解求立体像对的相对定向元素，按前方交会方法计算得到模型点的空间辅助坐标以后，利用至少两个平面高程控制点和一个高程控制点进行单元模型的绝对定向，再由绝对定向参数求得待定点的物方空间坐标。根据平差中采用的数学模型可分为航带法、独立模型法和光束法。根据平差范围的大小，解析空中三角测量可分为单模型法、单航带法和区域网法。航带法空中三角测量：1基本思想：由于在单个模型连成航带模型的过程中，各单个模型中的偶然误差和残余的系统误差将传递到下一个模型中去，这些误差传递枳累的结果会使航带模型产生扭曲变形，所以航带模型经绝对定向以后还需作模型的非线性改正，才能得到较为满意的结果，这便是航带法空中三角测量的基本思想。2工作流程为：①像点坐标的量测和系统误差改正；②像对的相对定向：③模型连接及航带网的构成；④航带模型的绝对定向；⑤航带模型的非线性改正航带法区域网平差基本思想：首先，按单航带法的方法将每条航带构成自由网，然后用本航带的控制点及与上一条相邻航带的公共点，进行本航带的三维线性变换，把整个区域内的各条航带都纳入到统一的摄影测量坐标系中，然后各航带按非线性变形改正公式同时解算各航带的非线性改正系数。其计算过程为：1建立自由比例尺的航带网2建立松散的区域网3区域网整体平差独立模型法区域网空中三角测量的基本思想：把一个单元模型（可以由一个立体像对或两个立体像对，甚至三个立体像对组成）视为刚体，利用各单元模型彼此间的公共点连成一个区域，在连接过程中，每个单元模型只能作平移、缩放、旋转（因为它们是刚体），这样的要求只有通过单元模型的三维线性变换（空间相似变换）来完成。在变换中要使模型间公共点的坐标尽可能一致，控制点的摄测坐标应与其地面摄测坐标尽可能一致（即它们的差值尽可能小），同时观测值改正数的平方和为最小，在满足这些条件的情况下，按最小二乘法原理求得待定点的地面摄测坐标。第五章数字影像与特征提取对实际连续函数模型离散化的量测过程就是采样，被量测的点称为样点，样点之间的距离即采样间隔.在影像数字化或直接数字化时，这些被量测的“点”也不可能是几何上的一个点，而是一个小的区域，通常是矩形或圆形的微小影像块，即像素。2、 当欲知不位于矩阵（采样）点上的原始函数g（x,y）的数值时就需要进行内插，此时称为重采样。重采样方法：⑴双线性插值法⑵双三次卷积法⑶最邻近像元法3、 点特征提取算法：（l）Moravec算子（2）Forstner算子（3）HaiTis角点提取算法4、 线特征是指影像的“边缘”与“线气“边缘”可定义为影像局部区域特征不相同的那些区域间的分界线，而“线”则可•以认为是具有很小宽度的其中间区域有相同的影像特征的边缘对，也就是距离很小的一对边缘构成一条线，因此线特征提取算子通常也称边缘检测算子。线特征提取算子：一、微分算子（⑴梯度算子（2）Roberts算子⑶Sobel算子）二、二阶差分算子（⑴方向二阶差分算子⑵拉普拉斯算子⑶高斯一拉普拉斯算子）第六章影像匹配基础理论与算法1、 影像相关是利用互相关函数，评价两块影像的相似性以确定同名点。即首先取出以待定点为中心的小区域中的影像信号，然后取出其在另一影像中相应区域的影像信号，计算两者的相关函数，以相关函数最大值对应区域中心为同名点。即以影像信号分布最相似的区域为同名区域，同名区域的中心点为同名点。这就是自动化立体量测的基本原理。2、 影像匹配实质上是在两幅（或多幅）影像之间识别同名点。影像匹配常常被称为影像相关。实际上,影像相关只是影像匹配方法的一种。3、 常见的五种基本匹配算法：⑴相关函数（矢量数积）⑵协方差函数（矢量投影）⑶相关系数（矢量夹角）⑷差平方和（差矢量模）⑸差绝对值和（差矢量分量绝对值和）4、 基于物方的影像匹配（VLL法）步骤：见书P158—159/（1）⑵⑶⑷（5）5、 最小二乘影像匹配的迭代过程的具体步骤：见书P165-166/（l）⑵⑶⑷⑸⑹（7）6、 无需产生密集的描述空间物体的网格点，而只需要配准某些“感兴趣”的点、线、面。这一类算法被称为特征匹配或基于特征的匹配。特征匹配可分为三步：①特征提取②利用一组参数对特征作描述③利用参数进行特征匹配.7、 跨接法影像匹配过程：见P172/®②③④⑤⑥（注：P171的图6-5-3、图6-5-4、图6-5-5需知道）第七章数字地面模型的建立与应用1、 数字地面模型DTM的理论与实践由数据采集、数据处理与应用三部分组成。2、 DEM有多种表示形式，主要包括规则矩形网格与不规则三角网等。3、 若将按地形特征采集的点按一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形，可构成一个不规则三角网TIN表示的DEM,通常称为三角网DEM或TIN.4、 数字摄影测量的DEM数据采集方式：⑴沿等高线采样⑵规则格网采样⑶沿断面扫