數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)要點(diǎn)

1、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量復(fù)習(xí)要點(diǎn)（2016.5）1、攝影測(cè)量發(fā)展歷程模擬攝影測(cè)量(1851-1970)模擬攝影測(cè)量主要是根據(jù)攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)，反求地面點(diǎn)的空間位置。它所采用的儀器為光學(xué)投影器、機(jī)械投影器或光學(xué)-機(jī)械投影器模擬攝影過程，用光線交會(huì)被攝物體的空間位置。解析攝影測(cè)量(1950-1980)1957年，Helava提出用“數(shù)字投影代替”物理投影，數(shù)字投影就是利用電子計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的進(jìn)行共線方程的解算，從而交會(huì)出被攝物體的空間位置。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量(1970-現(xiàn)在）利用數(shù)字影像相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化測(cè)圖。Ø 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別：1)處理的原始信息主要是數(shù)字影像；2)以計(jì)

2、算機(jī)視覺代替人眼的立體觀測(cè)。2、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的任務(wù)、特點(diǎn)主要任務(wù)：使用星載(機(jī)載)傳感器所獲取的可見光影像對(duì)地球陸地區(qū)域進(jìn)行信息提取，具體包括：目標(biāo)量測(cè)、影像解譯、地形圖測(cè)繪、正射影像圖制作、數(shù)字高程模型生成。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、技術(shù)精度高。3、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量定義：數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是利用影像相關(guān)技術(shù)來代替人眼的目視觀測(cè)，自動(dòng)識(shí)別同名點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)幾何信息的自動(dòng)提取。主要內(nèi)容：影像及特征點(diǎn)的識(shí)別、同名像點(diǎn)的自動(dòng)相關(guān)和匹配、數(shù)字影像糾正技術(shù)、數(shù)字高程模型（DEM）的制作、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的完整操作和測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)。4、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖（又稱數(shù)字測(cè)圖）是利用解析測(cè)圖儀或具有機(jī)助系統(tǒng)的模

3、擬測(cè)圖儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，測(cè)繪數(shù)字地圖，制作數(shù)字高程模型，建立測(cè)量數(shù)據(jù)庫。計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖系統(tǒng)所處理的依舊是傳統(tǒng)像片，且對(duì)影像的處理仍然需要人眼的立體量測(cè)，計(jì)算機(jī)則起數(shù)據(jù)記錄與輔助處理的作用，是一種半自動(dòng)化的方式。計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖是攝影測(cè)量從解析化向數(shù)字化的過渡階段。5、影像的點(diǎn)、線、面特征點(diǎn)特征主要指明顯點(diǎn)，如角點(diǎn)、圓點(diǎn)等。提取點(diǎn)特征的算子稱為興趣算子或有利算子，即運(yùn)用某種算法從數(shù)字影像中提取我們感興趣的即有利于某種目的的點(diǎn)。常用的興趣算子有Moravec算子、Hannah算子和Forstner算子等。線特征是指線狀或面狀地物的邊緣在像片上的構(gòu)像。線特征提取算子也稱邊緣檢測(cè)算子。邊緣檢測(cè)

4、通常是檢測(cè)一階導(dǎo)數(shù)（對(duì)離散數(shù)據(jù)為差分）最大或二階導(dǎo)數(shù)（差分）為零的點(diǎn)。常用檢測(cè)算子有差分算子、拉普拉斯算子、LOG算子等。6、影像定向1)定義在傳統(tǒng)攝影測(cè)量中，是將模擬像片放到儀器承片盤進(jìn)行量測(cè)，所量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)為影像架坐標(biāo)或儀器坐標(biāo)，隨后，應(yīng)基于平面相似變換將儀器坐標(biāo)變換為以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，這個(gè)變換過程稱為影像內(nèi)定向。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，在掃描數(shù)字化時(shí)，模擬像片在掃描儀上的放置具有一定的隨意性，也就是說，掃描后得到的數(shù)字化影像的像素坐標(biāo)應(yīng)轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，這同樣是影像內(nèi)定向。（嚴(yán)密內(nèi)定向還包括透鏡畸變改正）2)如何進(jìn)行內(nèi)定向(實(shí)例見PDF Lec2)內(nèi)定向?qū)嶋H上是確定像素

5、坐標(biāo)(I,J)與像平面坐標(biāo)(x,y)轉(zhuǎn)換關(guān)系即多項(xiàng)式變換的過程。一般可采用6參數(shù)的仿射變換，其模型為：為確定ai和bi (i=0,1,2)這6個(gè)參數(shù)，需要借助影像的框標(biāo)來解決。所有框標(biāo)坐標(biāo)已知(由相機(jī)檢定提供)，且可通過量測(cè)數(shù)字影像上所有框標(biāo)的像素坐標(biāo)，因此根據(jù)這框標(biāo)上的這兩套坐標(biāo)和最小二乘來求解這6個(gè)參數(shù)。7、影像灰度的量化如把有黑-灰-白連續(xù)變化的灰度值量化為256個(gè)灰度級(jí)，灰度值的范圍為0-255，表示亮度從深到淺，對(duì)應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。8、像點(diǎn)位移當(dāng)?shù)孛嫫鸱⑾衿瑑A斜時(shí)，地面點(diǎn)在像片上的構(gòu)像相對(duì)理想情況。9、金字塔影像（分頻道相關(guān)）1)定義對(duì)于二維影像逐次進(jìn)行低通濾波，并增大采樣

6、間隔，得到一個(gè)像元素總數(shù)逐漸變小的影像序列，將這些影像疊置起來像一座金字塔，因而稱之為金字塔影像結(jié)構(gòu)。2)建立每2×24個(gè)像元平均為一個(gè)像元構(gòu)成第二級(jí)影像，在第二級(jí)影像的基礎(chǔ)上構(gòu)成第三級(jí)影像。3)計(jì)算方法可采用移動(dòng)平均這種最簡單的低通濾波方法，也可以采用較復(fù)雜、理想的低通濾波，如高斯濾波等。4)相關(guān)過程l 從粗到精的相關(guān)策略：即先通過低通濾波，進(jìn)行初相關(guān)，找到同名點(diǎn)的粗略位置，然后利用高頻信息進(jìn)行精確相關(guān)。l 金字塔影像序列是實(shí)現(xiàn)由粗到精相關(guān)（匹配）的基礎(chǔ)。l 先在最上一層影像進(jìn)行相關(guān)，將其結(jié)果作為初值，再在下一層影像相關(guān)，最后在原始影像上相關(guān)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)從粗到精的處理過程。10、影像

7、采樣1)相關(guān)概念采樣：指對(duì)實(shí)際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測(cè)過程。樣點(diǎn)：被量測(cè)的“點(diǎn)”是小的區(qū)域，即“像素”。采樣間隔：采樣矩形的大小，一般由掃面分辨率和數(shù)碼相機(jī)的分辨率所確定，也決定了儀器的價(jià)格。重采樣：在遙感和攝影測(cè)量中，經(jīng)常需要對(duì)數(shù)字化影像進(jìn)行幾何變換，如：時(shí)序遙感影像的空間配準(zhǔn)、核線影像的提取、正射影像圖生成等。幾何變換后的影像矩陣元素位置一般不與原始數(shù)字影像矩陣的元素位置一一對(duì)應(yīng)。因此，遙感和攝影測(cè)量中經(jīng)常需要基于原始影像矩陣使用局部內(nèi)插的方法來估計(jì)灰度值，即影像重采樣。一幅大小為M×N、灰度級(jí)數(shù)為G的圖像所需的存儲(chǔ)空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為：M×N×g（b

8、it）。2)重采樣方法最鄰近點(diǎn)法（最簡單、計(jì)算小、精度差）、雙線內(nèi)插法（最常用）、雙三次卷積法（精度高、計(jì)算大）11、影像匹配影像匹配（又叫影像相關(guān)）是利用互相關(guān)函數(shù)，評(píng)價(jià)兩塊影像的相似性以確定同名點(diǎn)。常用的數(shù)字影像匹配算法包括一般匹配、基于物方坐標(biāo)直接解的匹配、最小二乘匹配與特征匹配。12、影像灰度灰度圖像指每個(gè)像素由一個(gè)量化的灰度值來描述的圖像。13、數(shù)字高程模型表達(dá)形式：規(guī)則矩形格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN、Grid-TIN混合網(wǎng)。數(shù)據(jù)獲取方式：地面測(cè)量（利用自動(dòng)記錄的全站儀在野外實(shí)測(cè)）、現(xiàn)有地圖數(shù)字化（用數(shù)字化儀對(duì)已有地圖進(jìn)行數(shù)字化的方法，如：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀）、空間傳感器（

9、利用GPS、合成孔徑雷達(dá)干涉和激光測(cè)高儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集）。數(shù)據(jù)采集方式：1)沿等高線采樣:沿等高線采樣可按等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或按等時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)方式進(jìn)行；2)規(guī)則格網(wǎng)采樣：方法簡單、精度較高、作業(yè)效率也較高，特征點(diǎn)可能丟失。內(nèi)插方法：局部加權(quán)平均法、移動(dòng)曲面擬合法、多面函數(shù)法DEM內(nèi)插、有限元法DEM內(nèi)插、克立格內(nèi)插、整體函數(shù)擬合法。應(yīng)用：1)在測(cè)繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖與地圖的修測(cè)；2)在遙感中可作為分類的輔助數(shù)據(jù)，是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；3)在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)；4)在工業(yè)上可利用DSM (Digital Surface Model)繪制出表

10、面結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的形狀。14、數(shù)字正射影像原理：數(shù)字正射影像是利用數(shù)字高程模型對(duì)掃描處理的數(shù)字化的航空像片/遙感影像（單色/彩色），經(jīng)逐個(gè)象元進(jìn)行投影差改正，再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù)。定義：數(shù)字正射影像圖是對(duì)航空(或航天)像片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集，它是同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。特點(diǎn)及應(yīng)用：DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點(diǎn)，可作為地圖分析背景控制信息，也可從 中提取自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史信息或最新信息,為防治災(zāi)害和公共設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等應(yīng)用提供可靠依據(jù)；還可從中提取和派生新的信息，實(shí)現(xiàn)地圖的修測(cè)更新（評(píng)

11、價(jià)其它數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)實(shí)性和完整性都很優(yōu)良）15、核線影像定義：從原始圖像沿核線重采樣得到的沒有上下視差的圖像。16、數(shù)字影像的像方、物方匹配方法與策略l 基于像方的匹配基本算法影像匹配實(shí)質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間識(shí)別同名點(diǎn)，影像匹配是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量(DP)的核心問題之一，也是DP與模擬或解析攝影測(cè)量相區(qū)別的關(guān)鍵所在。常用方法有五種：相關(guān)函數(shù)（矢量數(shù)積）、協(xié)方差函數(shù)（矢量投影）、相關(guān)系數(shù)（矢量夾角）、差平方和、差絕對(duì)值和。l 基于物方的影像匹配（VLL法）影像匹配的目的是提取物體的幾何信息，確定其空間位置。能夠直接確定物體表面點(diǎn)空間三維坐標(biāo)的影像匹配方法得到了研究，這些方法也被稱為“地面元影像

12、匹配”。待定點(diǎn)平面坐標(biāo)(X, Y)已知，只需確定其高程Z，因而基于物方的影像匹配可理解為高程直接解求的影像匹配方法。鉛垂線軌跡法在物方有一條鉛垂線軌跡，它在影像上的投影是一直線。就是說VLL與地面的交點(diǎn)A在影像上的構(gòu)像必定位于相應(yīng)的“投影差”上。VLL法影像匹配具體步驟1) 給定地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)(X，Y) 與近似最低高程Zmin。2) ZiZmini·Z, 高程搜索步距Z可由所要求的高程精度確定。3) 由共線方程計(jì)算左右像點(diǎn)坐標(biāo)：（xi', yi'）與（xi''，yi''）。4) 分別以（xi', yi'）與（xi

13、9;'，yi''）為中心在左右影像上取影像窗口，計(jì)算其匹配測(cè)度，如相關(guān)系數(shù)pi。(5) 將i的值增加1，重復(fù)(2)、(3)兩步，得到0、1、2n取其最大者k：kmax0、1、2n。(6) 還可以利用K及其相鄰的幾個(gè)相關(guān)系數(shù)擬合一拋物線，以其極值對(duì)應(yīng)的高程作為A點(diǎn)的高程，以進(jìn)一步提高精度，或以更小的高程步距在一小范圍內(nèi)重復(fù)以上過程。17、光束法空中三角測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)與意義優(yōu)點(diǎn)及意義光束法區(qū)域網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型是共線條件方程式，平差單元是單個(gè)光束，每幅影像的像點(diǎn)坐標(biāo)為原始觀測(cè)值，未知數(shù)是各影像的外方位元素和待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)。光束法區(qū)域網(wǎng)平差也稱“一步定向法”，是最嚴(yán)密的解算方法

14、。誤差方程式直接對(duì)原始觀測(cè)值列出，能方便地顧及影像系統(tǒng)誤差的影響(自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差)，最便于引入非攝影測(cè)量附加觀測(cè)值。缺點(diǎn)需對(duì)共線方程線性化，且需對(duì)未知數(shù)提供初始值，計(jì)算量大。18、影像相關(guān)測(cè)度計(jì)算方法19、影像內(nèi)插的基本方法與實(shí)現(xiàn)策略20、核線影像含義、特點(diǎn)定義：從原始圖像沿核線重采樣得到的沒有上下視差的圖像。特點(diǎn)：21、DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)22、數(shù)字高程模型的表述方法23、最小二乘影像匹配的理論灰度差的平方和最小。按vvmin原則進(jìn)行影像匹配的數(shù)學(xué)模型。若在此系統(tǒng)中引入系統(tǒng)變形的參數(shù)，按vvmin的原則，解求變形參數(shù)，就構(gòu)成了最小二乘影像匹配系統(tǒng)。24、相關(guān)系數(shù)法影像相

15、關(guān)的計(jì)算原理與計(jì)算方法若(p0, q0)(p, q)(pp0，qq0)，則p0, q0為搜索區(qū)影像相對(duì)于目標(biāo)區(qū)影像的位移參數(shù)。對(duì)于一維相關(guān)應(yīng)有q0。25、相關(guān)系數(shù)與信噪比的關(guān)系26、DEM、DTM、DOM數(shù)字高程模型（DEM或DHM）是表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列Vi=(Xi, Yi, Zi) i=1, 2, , n其中(Xi, Yi)D是平面坐標(biāo)，Zi是(Xi, Yi)對(duì)應(yīng)的高程。數(shù)字地面模型（DTM）是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示。DTM是定義在某一區(qū)域D上的m維向量有限序列：Vi, i=1, 2, , n其向量Vi=(Vi1, Vi2, , Vin)的分量為地形(Xi, Y

16、i, Zi) (Xi, Yi)D)、溫度、資源、環(huán)境、土地利用、人口分布等多種信息的定量或定性描述。數(shù)字正射影像圖（DOM）是對(duì)航空（或航天）相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。27、比例尺與地面分辨率航攝像片比例尺：設(shè)攝影像片水平且取平均地面高程，則攝影比例尺為像片上的線段了l與地面上對(duì)應(yīng)的水平距離L之比為：1/m=l/L=f/H（f為攝影機(jī)主距，H為航高）地面空間分辨率：數(shù)字影像每一像元所代表實(shí)地面積的大小。28、點(diǎn)特征算子空中三角測(cè)量中，一般使用點(diǎn)特征提取算法來檢測(cè)出聯(lián)系點(diǎn)。點(diǎn)特征提取算法主要有：Moravec算子（計(jì)算窗口中心的興趣值根據(jù)閾值確定特征點(diǎn)）、Forster算子。29、線特征算子線特征提取算法主要有：一階差分算子（梯度算子、Roberts梯度算子、方向差分算子、Sobel算子、Prewitt算子）；二階差分算子（方向二階差分算子、拉普拉斯算子）30、最小二乘影