第三章+攝影測量學課件

第三章攝影測量學海洋科學學院海洋信息工程系沈蔚博shen@空間測量與制圖4209903第三章攝影測量學海洋科學學院海洋信息工程系沈蔚博士1

目錄3.2攝影測量學基本原理3.3平面與立體攝影測量3.4空中三角測量與DEM3.5數(shù)字攝影測量與計算機視覺3.1攝影測量學概述目錄3.2攝影測量學基本原理3.3平23.3平面攝影測量與立體攝影測量3.3.1平面攝影測量3.3.2立體攝影測量3.3平面攝影測量與立體攝影測量3.3.1平面攝影測量33.3.1平面攝影測量

投影變換航片是中心投影，即攝影光線交于同一點地圖是正射投影，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關性。

正射投影:比例尺和投影距離無關中心投影: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，無差異。正射投影:總是水平的，不存在傾斜問題中心投影，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正射投影無影響對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正射投影對中心投影引起投影差A7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：對于高差大的地區(qū)，需逐點進行變換；或按不同高程分帶進行像片糾正。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立體攝影測量

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

不同視差，影像將會產生不同的三維效果。(1)非交錯視差，則其影像將會呈現(xiàn)在熒光幕后。(2)零視差，則其影像將會呈現(xiàn)在熒光幕上。(3)交錯視差，則其影像將會呈現(xiàn)在熒光幕前的交叉點上。3.3.2立體攝影測量

人類兩眼在觀察世界的時候，其中成9立體視覺—視差

我們需要把雙眼對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，當重合到一定位置時，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—視差

我們需要把雙眼對焦到這張立體畫的后面，也就是10人造立體視覺的條件與方法

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

像對立體觀察是指用雙眼對相鄰兩攝影站對同一地區(qū)攝取的兩張像片進行觀察，而生成空間光學立體模型的觀察過程。假設人們安置兩個焦距相等的攝影機，使兩鏡頭中心的距離約等于眼基線，兩攝影機光軸互相平行，攝取兩張像片。觀察時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，這樣構成了立體模型。根據(jù)天然立體觀察的性質，必須滿足下列條件，才能將像對構成光學立體模型：1．像片之間的比例尺不能差別過大。2．必須至少由兩張像片構成，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。人造立體視覺的條件與方法

立體攝影測量是對相鄰的兩張影像11立體觀測方法

1）光學系統(tǒng)2）補色法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，通過將具有不同視差的圖像各個象素與顯示器物理象素點以及加裝在顯示器前的屏障光柵陣列完全匹配，準確控制畫面每一個像素透過的光線，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。立體觀測方法

1）光學系統(tǒng)5）裸眼自由立體顯示器12立體像對的相對定向立體模型的絕對定向利用立體像對的幾何關系，進行相對定向，建立與地面相似的按比例縮小的、能夠反映雙像之間相對位置的模型。再通過絕對定向（平移、縮放和旋轉），變換到地面坐標系中，從而求出地面點的空間三維坐標?？臻g三維坐標立體像對的相對定向立體模型的絕對定向利用立體像對的幾何關系，13

目錄3.2攝影測量學基本原理3.3平面與立體攝影測量3.4空中三角測量與DEM3.1攝影測量學概述3.5數(shù)字攝影測量與計算機視覺目錄3.2攝影測量學基本原理3.3平14數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）

DTM是定義于二維區(qū)域上的一個有限項的向量序列，它以離散分布的平面點來模擬連續(xù)分布的地形。在一般情況下，它的空間分布由X、Y平面坐標系統(tǒng)來描述，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、污染負荷量、綠化率、降雨量、氣溫、建筑物密度、土地權屬、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的信息。當這種地面特性（Z）為高程或海拔高程時，稱之為數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，簡稱DEM）。數(shù)字高程模型DEM是DTM中最基本的部分，它是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達。。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，將地形上相同高度的點位依等高線間距以線段連接起來，與傳統(tǒng)紙制地圖不同的是，在計算機中儲存的等高線是由一連串點位所組成，而非連續(xù)曲線，因此此種資料模式是以一連串的X、Y坐標值加上對應的高程值來表現(xiàn)地形。等高線只能近似地表示真實的地球表面，而且無法直接反映地貌形態(tài)，一般通過其密度反應坡度的陡緩等特性，其格式不利于計算機分析應用，通常僅用于資料暫存或轉換的格式。數(shù)字等高線（DigitalContour）一般是由傳統(tǒng)紙制17規(guī)則網(wǎng)格（RegularGrid）在計算機實現(xiàn)中則為一個二維數(shù)組，每個數(shù)組元素對應一個高程值，可以很容易地用計算機進行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結構的地理信息系統(tǒng)。目前，很多國家的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，此種表示方法簡單，非常適合平坦地區(qū)的DTM表達，其不足是：地形簡單的區(qū)域存在大量冗余數(shù)據(jù)；如不改變格網(wǎng)大小，則無法適用于地形復雜程度不同的地區(qū)；對于某些特殊計算如通視計算時，格網(wǎng)的軸向方向被夸大；由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關鍵特征，如山峰、山脊、山谷等。規(guī)則網(wǎng)格（RegularGrid）在計算機實現(xiàn)中則為一個二18不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是以鄰近點所圍成的三角形來表示地形起伏，所以是利用面的形式來表現(xiàn)地形。一個TIN包含了節(jié)點（node）、線段（segment）和面（facet），節(jié)點是TIN的基本元素，線段則由相鄰兩節(jié)點連接而成，三條相鄰線段組成一個面，每個節(jié)點都需要實際量測，如圖所示。此法可避免產生如同規(guī)則網(wǎng)格般產生多余的資料儲存以及數(shù)字等高線法的低效率，對于地形劇烈變化處有容易表現(xiàn)的優(yōu)點，在取樣時相對于其它方法具有彈性，地形變化緩和的地區(qū)可以減少觀測三角形，變化復雜的地區(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）是以鄰近點所圍成的三角形來表示地形起伏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，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，沿著地形特征在細節(jié)處補充三角網(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攝影測量學基本原理3.3平面與立體攝影測量3.4空中三角測量與DEM3.1攝影測量學概述3.5數(shù)字攝影測量與計算機視覺目錄3.2攝影測量學基本原理3.3平223.5數(shù)字攝影測量與計算機視覺3.5.1數(shù)字影像3.5.2數(shù)字影像匹配3.5.3內定向與相對定向自動化3.5.4核線與核線影像3.5.5

DEM的自動生成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計算機視覺3.5數(shù)字攝影測量與計算機視覺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。基本上是一個二維矩陣，每個點稱為像元。像元空間坐標和灰度值均已離散化，且灰度值隨其點位坐標而異。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產生，并記錄在磁帶上；也可利用影像數(shù)字化裝置對模擬像片進行數(shù)字化，也記錄在數(shù)字磁帶上。圖3、實驗用清華大學航空立體像對

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)字航空攝影測量相機

(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)字航空攝影測量相機25數(shù)字影像匹配立體像對像對匹配:同名點的識別數(shù)字影像匹配立體像對26內定向與相對定向自動化內定向相對定向自動化金字塔影像內定向與相對定向自動化內定向27核線與核線影像核線核線影像核線與核線影像核線28DEM的自動生成模型與模型重建

模型是對現(xiàn)實世界中的實體或現(xiàn)象的抽象或簡化，是對實體或現(xiàn)象的重要構成及相互關系的表達。模型是為了理解和預測現(xiàn)實世界而構建的一種有效的替代物，它不是現(xiàn)實世界的復制，能夠再現(xiàn)物體的關鍵特征。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)學模型三大類。概念模型：利用科學的歸納方法，以對研究對象的觀察、抽象形成的概念為基礎，建立起來的關于概念之間的關系和影響方式的模型。物理模型：又稱實體模型，是現(xiàn)實世界在尺寸上縮小或放大后的構成的相似體。物理模型的理論基礎是相似理論，模型的特點是相似性。數(shù)學模型：是用數(shù)學方程來描述現(xiàn)實世界機構和特性的模型。DEM的自動生成模型與模型重建29DEM的自動生成模型與模型重建

模型重建，又叫建模，是構造現(xiàn)實世界中與研究對象相關的模型的過程。在建模中，首先觀測研究對象，然后在忽略次要因素和不可觀測因素的基礎上，使用物理或數(shù)學的方法進行抽象，建立與實際對象近似的模型。建模的重點是探討研究對象與模型之間的關系，所建立的模型要盡可能逼進真實物體。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目的是對真實地形的模擬，建筑模型是要逼真的接近真實建筑的形狀，通常物理模型可以通過三維可視化技術虛擬再現(xiàn)。DEM的自動生成模型與模型重建30DEM的自動生成DEM的獲取方法1．數(shù)字化地形圖等高線或高程點，進一步構建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．通過傳統(tǒng)測量手段（地形測量、水準測量）獲取地形點高程值，構建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，不宜用于構建大型的城市的DTM。3．通過數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，對航空攝影圖像（包括高分辨率衛(wèi)星圖像）進行立體匹配獲取地形的三維信息。該方法需要地面控制點，獲取速度較快，受掃描分辨率和測量手段的限制，成圖精度稍微受到一些影響。4．由機載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并后續(xù)處理得到，即本文所研究并實施的方法，獲取速度最快，精度高（可達垂直0.15m水平0.2m），且不收天氣情況影像，但技術要求較高。5．使用合成孔徑雷達（SAR）獲取DTM，該方法可全天候作業(yè)，分辨率適中（可達垂直2m水平1.5m），但數(shù)據(jù)獲取成本高，目前不易推廣。DEM的自動生成DEM的獲取方法31DEM的自動生成空間插值方法為了獲得平滑的GRID格式的地形，必須對離散的地形點或TIN進行空間數(shù)據(jù)插值，也稱空間數(shù)據(jù)內插。一定意義上，空間數(shù)據(jù)內插可以被定義為根據(jù)已知的空間數(shù)據(jù)估計（預測）未知空間數(shù)據(jù)的值。目標可以歸納為：1）缺值估計。估計某一點缺失的觀測數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)密度。2）內插等值線。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。把無規(guī)律分布的空間數(shù)據(jù)內插為規(guī)則分布的空間數(shù)據(jù)集，如GRID。反距離加權插值法（InverseDistanceWeighted,IDW）克里金插值法（Kriging）最小曲率法（M