第三章+攝影測(cè)量學(xué)課件

第三章攝影測(cè)量學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院海洋信息工程系沈蔚博shen@空間測(cè)量與制圖4209903第三章攝影測(cè)量學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院海洋信息工程系沈蔚博士1

目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平面與立體攝影測(cè)量3.4空中三角測(cè)量與DEM3.5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)3.1攝影測(cè)量學(xué)概述目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平23.3平面攝影測(cè)量與立體攝影測(cè)量3.3.1平面攝影測(cè)量3.3.2立體攝影測(cè)量3.3平面攝影測(cè)量與立體攝影測(cè)量3.3.1平面攝影測(cè)量33.3.1平面攝影測(cè)量

投影變換航片是中心投影，即攝影光線交于同一點(diǎn)地圖是正射投影，即攝影光線平行且垂直投影面。ABCDabcd中心投影ABCDabcd正射投影3.3.1平面攝影測(cè)量

投影變換航片是中心投影，即攝影光線交4中心投影和正射投影的區(qū)別

航片為中心投影，地形圖為垂直投影，二者的根本區(qū)別在于：正射投影與投影距離無(wú)關(guān)性。

正射投影:比例尺和投影距離無(wú)關(guān)中心投影:焦距固定，航高改變，其比例尺也隨之改變H1H2f正射投影中心投影中心投影和正射投影的區(qū)別正射投影:比例尺中心投影:焦距固定，5(1)投影面傾斜的影響兩種投影方式在地面水平且像片也水平時(shí)，無(wú)差異。正射投影:總是水平的，不存在傾斜問(wèn)題中心投影，若投影面傾斜，航片各部分的比例尺不同傾斜水平ABCabcHf比例尺f/H(1)投影面傾斜的影響正射投影:總是水平的，中心投影，若投影6(2)地形起伏的影響地形起伏對(duì)正射投影無(wú)影響對(duì)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)地形起伏的影響地形起伏對(duì)正射投影對(duì)中心投影引起投影差A(yù)7正射糾正：投影變換將具有傾角的像片P變?yōu)樗降南衿琍0,這種變換稱為中心投影變換。攝影測(cè)量中將任意傾角的像片變?yōu)橐?guī)定比例尺的水平像片，稱為像片糾正：對(duì)于高差大的地區(qū)，需逐點(diǎn)進(jìn)行變換；或按不同高程分帶進(jìn)行像片糾正。正射糾正：投影變換將具有傾角的像片P變?yōu)樗降南衿琍0,這種83.3.2立體攝影測(cè)量

人類兩眼在觀察世界的時(shí)候，其中成像到雙眼的圖像是不同的，也就是左右眼會(huì)有一個(gè)視差，而大腦便會(huì)根據(jù)這個(gè)視差來(lái)感覺(jué)到立體影象。

不同視差，影像將會(huì)產(chǎn)生不同的三維效果。(1)非交錯(cuò)視差，則其影像將會(huì)呈現(xiàn)在熒光幕后。(2)零視差，則其影像將會(huì)呈現(xiàn)在熒光幕上。(3)交錯(cuò)視差，則其影像將會(huì)呈現(xiàn)在熒光幕前的交叉點(diǎn)上。3.3.2立體攝影測(cè)量

人類兩眼在觀察世界的時(shí)候，其中成9立體視覺(jué)—視差

我們需要把雙眼對(duì)焦到這張立體畫的后面，也就是讓這張畫在你的左右眼呈現(xiàn)出不同的圖像彼此疊加重合，當(dāng)重合到一定位置時(shí)，你便能清楚的看到它所包含的立體文字或者圖像了。立體視覺(jué)—視差

我們需要把雙眼對(duì)焦到這張立體畫的后面，也就是10人造立體視覺(jué)的條件與方法

立體攝影測(cè)量是對(duì)相鄰的兩張影像建立立體模型，進(jìn)行測(cè)繪地形圖或建立數(shù)字地面模型等。

像對(duì)立體觀察是指用雙眼對(duì)相鄰兩攝影站對(duì)同一地區(qū)攝取的兩張像片進(jìn)行觀察，而生成空間光學(xué)立體模型的觀察過(guò)程。假設(shè)人們安置兩個(gè)焦距相等的攝影機(jī)，使兩鏡頭中心的距離約等于眼基線，兩攝影機(jī)光軸互相平行，攝取兩張像片。觀察時(shí)兩眼分別處于兩鏡頭的位置，并使左右兩眼分別看左右兩張像片，這樣構(gòu)成了立體模型。根據(jù)天然立體觀察的性質(zhì)，必須滿足下列條件，才能將像對(duì)構(gòu)成光學(xué)立體模型：1．像片之間的比例尺不能差別過(guò)大。2．必須至少由兩張像片構(gòu)成，并且由不同的攝影站攝影。3．左眼看左片，右眼看右片。4．兩像片之間的連線與眼基線之間盡量平行。人造立體視覺(jué)的條件與方法

立體攝影測(cè)量是對(duì)相鄰的兩張影像11立體觀測(cè)方法

1）光學(xué)系統(tǒng)2）補(bǔ)色法3）同步閉閃法4）偏振光法5）裸眼自由立體顯示器利用了視差障礙原理，采用特定的掩模算法，通過(guò)將具有不同視差的圖像各個(gè)象素與顯示器物理象素點(diǎn)以及加裝在顯示器前的屏障光柵陣列完全匹配，準(zhǔn)確控制畫面每一個(gè)像素透過(guò)的光線，只讓左眼或右眼看到，大腦將左、右眼不同視差的兩幅圖像合成具有空間深度的3D影像。立體觀測(cè)方法

1）光學(xué)系統(tǒng)5）裸眼自由立體顯示器12立體像對(duì)的相對(duì)定向立體模型的絕對(duì)定向利用立體像對(duì)的幾何關(guān)系，進(jìn)行相對(duì)定向，建立與地面相似的按比例縮小的、能夠反映雙像之間相對(duì)位置的模型。再通過(guò)絕對(duì)定向（平移、縮放和旋轉(zhuǎn)），變換到地面坐標(biāo)系中，從而求出地面點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。空間三維坐標(biāo)立體像對(duì)的相對(duì)定向立體模型的絕對(duì)定向利用立體像對(duì)的幾何關(guān)系，13

目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平面與立體攝影測(cè)量3.4空中三角測(cè)量與DEM3.1攝影測(cè)量學(xué)概述3.5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平14數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）

DTM是定義于二維區(qū)域上的一個(gè)有限項(xiàng)的向量序列，它以離散分布的平面點(diǎn)來(lái)模擬連續(xù)分布的地形。在一般情況下，它的空間分布由X、Y平面坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，其地面特性可以是高程Z、海拔高程、被描述的連續(xù)表面屬性等；也可以是地理空間上的地價(jià)、污染負(fù)荷量、綠化率、降雨量、氣溫、建筑物密度、土地權(quán)屬、土壤類型、地貌特征、巖層深度、資源環(huán)境、人口分布及土地利用等與地形有關(guān)的信息。當(dāng)這種地面特性（Z）為高程或海拔高程時(shí)，稱之為數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，簡(jiǎn)稱DEM）。數(shù)字高程模型DEM是DTM中最基本的部分，它是對(duì)地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)。。數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel,15數(shù)字地面模型的形式

數(shù)字等高線規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)混合模型數(shù)字地面模型的形式

數(shù)字等高線16數(shù)字等高線（DigitalContour）一般是由傳統(tǒng)紙制地形圖數(shù)字化而來(lái)，將地形上相同高度的點(diǎn)位依等高線間距以線段連接起來(lái)，與傳統(tǒng)紙制地圖不同的是，在計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存的等高線是由一連串點(diǎn)位所組成，而非連續(xù)曲線，因此此種資料模式是以一連串的X、Y坐標(biāo)值加上對(duì)應(yīng)的高程值來(lái)表現(xiàn)地形。等高線只能近似地表示真實(shí)的地球表面，而且無(wú)法直接反映地貌形態(tài)，一般通過(guò)其密度反應(yīng)坡度的陡緩等特性，其格式不利于計(jì)算機(jī)分析應(yīng)用，通常僅用于資料暫存或轉(zhuǎn)換的格式。數(shù)字等高線（DigitalContour）一般是由傳統(tǒng)紙制17規(guī)則網(wǎng)格（RegularGrid）在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中則為一個(gè)二維數(shù)組，每個(gè)數(shù)組元素對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。目前，很多國(guó)家的DTM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的，此種表示方法簡(jiǎn)單，非常適合平坦地區(qū)的DTM表達(dá)，其不足是：地形簡(jiǎn)單的區(qū)域存在大量冗余數(shù)據(jù)；如不改變格網(wǎng)大小，則無(wú)法適用于地形復(fù)雜程度不同的地區(qū)；對(duì)于某些特殊計(jì)算如通視計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸向方向被夸大；由于柵格過(guò)于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征，如山峰、山脊、山谷等。規(guī)則網(wǎng)格（RegularGrid）在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中則為一個(gè)二18不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是以鄰近點(diǎn)所圍成的三角形來(lái)表示地形起伏，所以是利用面的形式來(lái)表現(xiàn)地形。一個(gè)TIN包含了節(jié)點(diǎn)（node）、線段（segment）和面（facet），節(jié)點(diǎn)是TIN的基本元素，線段則由相鄰兩節(jié)點(diǎn)連接而成，三條相鄰線段組成一個(gè)面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要實(shí)際量測(cè)，如圖所示。此法可避免產(chǎn)生如同規(guī)則網(wǎng)格般產(chǎn)生多余的資料儲(chǔ)存以及數(shù)字等高線法的低效率，對(duì)于地形劇烈變化處有容易表現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在取樣時(shí)相對(duì)于其它方法具有彈性，地形變化緩和的地區(qū)可以減少觀測(cè)三角形，變化復(fù)雜的地區(qū)則需要密集取樣。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不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是以鄰近點(diǎn)所圍成的三角形來(lái)表示地形起伏19Grid—Tin混合模型

為了充分利用上面兩種DEM表述形式各自的優(yōu)點(diǎn)，有人提出了Grid—Tin混合模型形式的DEM。即在一般的矩形格網(wǎng)中，沿著地形特征在細(xì)節(jié)處補(bǔ)充三角網(wǎng)。

Grid—Tin混合模型 為了充分利用上面兩種DEM表20數(shù)字地面模型的可視化數(shù)字地面模型的可視化21

目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平面與立體攝影測(cè)量3.4空中三角測(cè)量與DEM3.1攝影測(cè)量學(xué)概述3.5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)目錄3.2攝影測(cè)量學(xué)基本原理3.3平223.5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)3.5.1數(shù)字影像3.5.2數(shù)字影像匹配3.5.3內(nèi)定向與相對(duì)定向自動(dòng)化3.5.4核線與核線影像3.5.5

DEM的自動(dòng)生成3.5.6數(shù)字糾正3.5.7三維景觀影像與數(shù)碼城市3.5.8計(jì)算機(jī)視覺(jué)3.5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)3.5.1數(shù)字影像23數(shù)字影像數(shù)字影像又稱數(shù)字圖像。即數(shù)字化的影像?；旧鲜且粋€(gè)二維矩陣，每個(gè)點(diǎn)稱為像元。像元空間坐標(biāo)和灰度值均已離散化，且灰度值隨其點(diǎn)位坐標(biāo)而異。數(shù)字影像可直接在航天或航空遙感的掃描式傳感器成像時(shí)產(chǎn)生，并記錄在磁帶上；也可利用影像數(shù)字化裝置對(duì)模擬像片進(jìn)行數(shù)字化，也記錄在數(shù)字磁帶上。圖3、實(shí)驗(yàn)用清華大學(xué)航空立體像對(duì)

Fig.3AerialstereoimageofTsinghuaUniv.forexperiment數(shù)字影像數(shù)字影像又稱數(shù)字圖像。即數(shù)字化的影24目前代表性的數(shù)字航空攝影測(cè)量相機(jī)

(a)RC30航攝儀(b)ADS40航攝儀

(c)DMC航攝儀(d)UCD航攝儀目前代表性的數(shù)字航空攝影測(cè)量相機(jī)25數(shù)字影像匹配立體像對(duì)像對(duì)匹配:同名點(diǎn)的識(shí)別數(shù)字影像匹配立體像對(duì)26內(nèi)定向與相對(duì)定向自動(dòng)化內(nèi)定向相對(duì)定向自動(dòng)化金字塔影像內(nèi)定向與相對(duì)定向自動(dòng)化內(nèi)定向27核線與核線影像核線核線影像核線與核線影像核線28DEM的自動(dòng)生成模型與模型重建

模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體或現(xiàn)象的抽象或簡(jiǎn)化，是對(duì)實(shí)體或現(xiàn)象的重要構(gòu)成及相互關(guān)系的表達(dá)。模型是為了理解和預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界而構(gòu)建的一種有效的替代物，它不是現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)制，能夠再現(xiàn)物體的關(guān)鍵特征。根據(jù)不同的表示方式，可以將模型分成概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型三大類。概念模型：利用科學(xué)的歸納方法，以對(duì)研究對(duì)象的觀察、抽象形成的概念為基礎(chǔ)，建立起來(lái)的關(guān)于概念之間的關(guān)系和影響方式的模型。物理模型：又稱實(shí)體模型，是現(xiàn)實(shí)世界在尺寸上縮小或放大后的構(gòu)成的相似體。物理模型的理論基礎(chǔ)是相似理論，模型的特點(diǎn)是相似性。數(shù)學(xué)模型：是用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述現(xiàn)實(shí)世界機(jī)構(gòu)和特性的模型。DEM的自動(dòng)生成模型與模型重建29DEM的自動(dòng)生成模型與模型重建

模型重建，又叫建模，是構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界中與研究對(duì)象相關(guān)的模型的過(guò)程。在建模中，首先觀測(cè)研究對(duì)象，然后在忽略次要因素和不可觀測(cè)因素的基礎(chǔ)上，使用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行抽象，建立與實(shí)際對(duì)象近似的模型。建模的重點(diǎn)是探討研究對(duì)象與模型之間的關(guān)系，所建立的模型要盡可能逼進(jìn)真實(shí)物體。地形、建筑和植物的三維模型的重建，都屬于物理模型的范疇，如DTM目的是對(duì)真實(shí)地形的模擬，建筑模型是要逼真的接近真實(shí)建筑的形狀，通常物理模型可以通過(guò)三維可視化技術(shù)虛擬再現(xiàn)。DEM的自動(dòng)生成模型與模型重建30DEM的自動(dòng)生成DEM的獲取方法1．?dāng)?shù)字化地形圖等高線或高程點(diǎn)，進(jìn)一步構(gòu)建TIN（TriangulatedIrregularNetwork）或GRID得到DTM，該方式成本低、效率低，精度受原有地形圖影像大。2．通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)量手段（地形測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量）獲取地形點(diǎn)高程值，構(gòu)建TIN或GRID得到DTM，該方式精度很高，但是成本高、效率低、更新速度太慢，不宜用于構(gòu)建大型的城市的DTM。3．通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)航空攝影圖像（包括高分辨率衛(wèi)星圖像）進(jìn)行立體匹配獲取地形的三維信息。該方法需要地面控制點(diǎn)，獲取速度較快，受掃描分辨率和測(cè)量手段的限制，成圖精度稍微受到一些影響。4．由機(jī)載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并后續(xù)處理得到，即本文所研究并實(shí)施的方法，獲取速度最快，精度高（可達(dá)垂直0.15m水平0.2m），且不收天氣情況影像，但技術(shù)要求較高。5．使用合成孔徑雷達(dá)（SAR）獲取DTM，該方法可全天候作業(yè)，分辨率適中（可達(dá)垂直2m水平1.5m），但數(shù)據(jù)獲取成本高，目前不易推廣。DEM的自動(dòng)生成DEM的獲取方法31DEM的自動(dòng)生成空間插值方法為了獲得平滑的GRID格式的地形，必須對(duì)離散的地形點(diǎn)或TIN進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值，也稱空間數(shù)據(jù)內(nèi)插。一定意義上，空間數(shù)據(jù)內(nèi)插可以被定義為根據(jù)已知的空間數(shù)據(jù)估計(jì)（預(yù)測(cè)）未知空間數(shù)據(jù)的值。目標(biāo)可以歸納為：1）缺值估計(jì)。估計(jì)某一點(diǎn)缺失的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)密度。2）內(nèi)插等值線。以等值線形式直觀的顯示數(shù)據(jù)的空間分布。3）數(shù)據(jù)格網(wǎng)化。把無(wú)規(guī)律分布的空間數(shù)據(jù)內(nèi)插為規(guī)則分布的空間數(shù)據(jù)集，如GRID。反距離加權(quán)插值法（InverseDistanceWeighted,IDW）克里金插值法（Kriging）最小曲率法（M