攝影測量與遙感

攝影測量與遙感攝影測量：從非接觸成像和其他傳感器系統(tǒng)，通過記錄、量測、分析與表達等處理，獲取地球及其環(huán)境和其他物體可靠幾何信息的工藝、科學(xué)與技術(shù)。三個發(fā)展階段：模擬攝影測量、解析攝影測量與數(shù)字攝影測量發(fā)展階段原始資料投影方式儀器操作方式產(chǎn)品模擬攝影測量像片物理投影模擬測圖儀作業(yè)員手工模擬產(chǎn)品解析攝影測量像片數(shù)字投影解析測圖儀機助作業(yè)員操作模擬產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字攝影測量數(shù)字化影像數(shù)字影像數(shù)字投影計算機自動化操作加作業(yè)員的干預(yù)數(shù)字產(chǎn)品模擬產(chǎn)品攝影機主光軸與像平面的交點稱為像片主點。攝影機物鏡后節(jié)點到像片主點的垂距稱為攝影機主距，也叫像片主距，用f表示。把像片主距f和像片主點在框標坐標系中的坐標（xO,yO）稱為攝像機（像片）的內(nèi)方位元素。攝影比例尺：是指航攝影像上一線段1與相應(yīng)地面線段L的水平距之比。公式-—mLHm為像片比例尺分母，f攝影機主距，H平均高程面的攝影高度或稱航高。同一條航線內(nèi)相鄰像片之間的影像重疊稱為航向重疊。重疊部分與整個像幅長的百分比稱為重疊度一般要求在60%以上。兩相鄰航帶像片之間也需要有一定的影像重疊，這種影像重疊部分稱為旁向重Px疊度，旁向重疊度要求在30%左右。艮［1：航向重疊度Px%= —— 1：像幅邊長lx*100%旁向重疊度Py%=—打一P:重疊影像邊長"100%當投影射線會聚于一點時，稱為中心投影，當諸投影射線都平行于某一固定方向時，稱為平行投影（平行投影分為斜投影和正射投影）。23頁作圖題攝影測量五個常用坐標系：1像平面坐標系o-xy像平面坐標系是影像平面內(nèi)的直角坐標系，用以表示像點在像平面上的位置。若攝影中心為，（如圖1）,攝影方向與影像平面的交點。稱為影像的像主點。像平面坐標系的原點就位于像主點。對于航空影像，兩邊對機械框標的連線為x和y軸的坐標系稱為框標坐標系，其與航線方向一致的連線為x軸,航線方向為正向，像平面坐標系的方向與框標坐標系的方向相同。yY■圖iyY■圖i2像空間坐標系S?xg該坐標系是一種過渡坐標系，用來表示像點在像方空間的位置。該坐標系以攝站點（或投影中心）S為坐標原點，攝影機的主光軸So為坐標系的z軸，像空間坐標系的x,y軸分別與像平面坐標系的x,y軸平行，正方向如圖1該坐標系可以很方便的與像平面坐標系聯(lián)系起來。在這個坐標系中，每一個像點的z坐標都等于S。的長，但符號是負的。3像空間輔助坐標系S?XYL該坐標系是一種過渡坐標系，它以攝站點（或投影中心）S為坐標原點。在航空攝影測量中通常以鉛垂方向（或設(shè)定的某一豎直方向）為Z軸，并取航線方向為X軸如圖1,這樣有利于改正沿航線方向累積的系統(tǒng)誤差。4攝影測量坐標系A(chǔ)?XpYpZp該坐標系是一種過渡坐標系，用來描述解析攝影測量過程中模型點的坐標。在航空攝影測量中通常以地面上某一點A為坐標原點，而它的坐標軸與像空間輔助坐標軸平行，如圖L5物空間坐標系QXtYtZt所攝物體所在的空間直角坐標系。測繪中所用的是地面測量坐標系（大地坐標系）。前面介紹的4種坐標系均為石字直角坐標系，而地面測量坐標系為左芋坐標系，它的*軸指向正北方向，與大地測量中的高斯-克呂格平面坐標系相同，高程則以我國黃海高程系統(tǒng)為基準。在地球上一個小范圍內(nèi)討論問題時，把。視為左手坐標系是允許的，但當測區(qū)范圍較大時，需顧及地球曲率的影響。確定攝影機的鏡頭中心（嚴格地說，應(yīng)該是鏡頭的像方節(jié)點）相對于影像位置關(guān)系的參數(shù)，稱為影像的內(nèi)方位元素。包括三個參數(shù)：像主點（主光軸在影像面上的垂足）相對于影像中心位置xO、yo和鏡頭中心到影像面的垂距f（主距）。確定影像或影像光束在攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)，稱為影像的外方位元素。一幅影像的外方為元素包括6個參數(shù)，其中3個線元素，用于描述攝影中心S相對于物方空間坐標系的位置Xs,Ys,Zs；另外3個是角元素，用于描述影像面在攝影瞬間的空中姿態(tài)。共線方程共線條件是中心投影構(gòu)像的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也是各種攝影測量處理方法的重要理論基礎(chǔ)，例如單像空間后方交會、雙像空間前方交會以及光束法區(qū)域網(wǎng)平差等一系列問題的原理，都是以共線條件作為出發(fā)點的，只是隨著所處理問題的具體情況不同，共線條件的表達形式和使用方法也有所不同。如圖2所示，S為攝影中心，在某一規(guī)定的物方空間坐標系中其坐標為（Xs,Ys,Zs）,A為任一物方空間點，它的物方空間坐標為（Xa,Ya,Za）。a為A在影像上的構(gòu)像，相應(yīng)的像空間坐標和像空間輔助坐標分別為（xy-f）和（X,Y,Z）°攝影時S、A、a三點位于一條直線上，那么像點的像空間輔助坐標與物方點物方空間坐標之間有以卜,關(guān)系:X_方點物方空間坐標之間有以卜,關(guān)系:X_Y_ZXa-Xs-Ya-Y-Za-Zs~AXx-W]b]C]-x-Xx-W]b]C]-x-由式y(tǒng)=RfY—age,~~~Y-fZ?3b3C3_Z式231可知,像空間坐標與像空間輔助坐標有下列關(guān)系:Xalblcl]y—~~~-f?3b3C3JXYZ將其展開為普溢舞Z7＜；x：b：Y：：；z再將式J34代入上式中，并考慮到像主點的坐標x。,y。得—faJXA—XsNMC—XNcJZA—Zs）?3（Xa-xs）+耳怎-X）+c3（ZA-Zs）此為共線條件方程式_fa2（XA-Xs）+b2（q-X）+C2（ZA-Zs）此為共線條件方程式° ，3（Xa-Xs）+b3您一X）+c3（ZA-Zs）式中x,y為像點的像平而坐標；x。，y。，f為影像的內(nèi)方位元素；Xs，YsZs為攝站點的物方空間坐標；XA，Ya,Za為物方點的物方空間坐標；a^^/M.2,3）為影像的3個外方位角元素組成的9個方位余弦。由式2.3?4和式2-3-1還可以推出共線方程的另一種形式（反演公式）：xA-xs~x~XW=4Y=2RyZa-Zs_Z-f共線條件方程的應(yīng)用主要有：1） 單像空間后方交會和多像空間前方交會2） 解析空中三角測量光束法平差中的基本教學(xué)模型3） 構(gòu)成數(shù)字投影的基礎(chǔ)4） 計算模擬影像數(shù)據(jù)（己知影像內(nèi)外方位元素和物點坐標求像點坐標）5） 利用數(shù)字高程模型（DEM）與共線方程制作正射影像6） 利用DEM與共線方程進行單幅影像測圖，等等。航攝像片是地面景物的中心投影，地圖是地面景物的正射投影,一個地面點在地面水平的水平像片上的構(gòu)像與地面有起伏時或傾斜像片上構(gòu)像的點位不同，這種點位的差異稱為像點位移，它包括像片傾斜引起的位移和地形起伏引起的位移。單幅影像的空間后方交會：利用影像覆蓋范圍內(nèi)一定數(shù)量的控制點的空間坐標與影像坐標，根據(jù)共線條件方程，反求該影像的外方位元素，這種方法稱為單幅影像的空間后方交會。單像空間后方交會的基本思想：以單幅影像為基礎(chǔ)，從該影像所覆蓋地面范圍內(nèi)若干控制點的己知地面坐標和相應(yīng)點的像坐標量測值出發(fā)，根據(jù)共線條件方程，解求該影像在航空攝影時刻的外方位元素Xs,Ys,Zs,（p,u）,Ko在利用線性化的式及其相應(yīng)的系數(shù)計算公式解求影像的外方位元素時，有6個未知數(shù)，至少需要列出6個方程。正立體效應(yīng)：把左方攝站攝得的像片P1放在左方，用左眼觀察；右攝影站攝得的像片P2放在右方，用右眼觀察，就得到一個與實物相似的立體效果，稱此立體效應(yīng)為正立體效應(yīng)。反立體效應(yīng)：把左方攝站攝得的像片P1不放在左方，而是放在右方，用右眼觀察；右方攝站攝得的像片P2也不放在右方，而是放在左方用左眼觀察。零立體效應(yīng)：將正立體情況下的兩張像片，在各自的平面內(nèi)按同一方向旋轉(zhuǎn)90°,使像片上縱橫坐標互換方向。像片上原來的縱坐標y軸轉(zhuǎn)到與基線平行，此時生理視差變?yōu)橄衿膟方向的視差，因而失去了立體感覺成為一個平面圖像。這種立體效應(yīng)，稱為零立體效應(yīng)。核面：通過攝影基線S】S2與任一物方點A所作的平面WA成為通過A的核面。核線：核面與攝影立體像對空間前方交會的目的：利用單像空間后房交會求得影像的外方位元素后，欲由單幅影像上的像點坐標反求相應(yīng)地面點的空間坐標，仍然是不可能的。因為，根據(jù)單個像點及其相應(yīng)影像的外方位元素只能確定地面點所在的空間方向，而使用立體像對上的同名像點，就能得到兩條同名射線在空間的方向，這兩條射線在空間一定相交，其相交處必然是該地面點的空間位置。在未知點的兩個聯(lián)立方程式中有3個未知數(shù)，即地面坐標X.Y.Z,由未知點在一幅影像上的像點坐標x,y只能列出兩個方程，使用立體像對上兩同名像點的坐標X1.y1.X2,y?即可列出4個方程式，從而求出3個未知數(shù)。由立體像對左右兩影像的內(nèi)、外方位元素和同名像點的影像坐標量測值來確定該點的物方空間坐標，稱做立體像對的空間前方交會。借助物空間坐標為己知的控制點來確定空間輔助坐標系與實際物空間坐標系之間的變換關(guān)系，稱

為立體模型的絕對定向。假設(shè)任一模型點的像空間輔助坐標為X,Y,Z,該點的地面攝測坐標為Xtp,Ytp,Ztp它們之間存在一個空間相似變換關(guān)系，可以用下式表示：■xtp■xtpaia2a3x-AX-Xpbib2b3Y+AY_C1C2C3_ZAZ式中:力為縮放系數(shù)；a“bi，c,為由角元素①,Q,K的函數(shù)組成的方向余弦；AX,AY,AZ為坐標原點的平移量。所以空間相似變換的7個參數(shù)是比例尺縮放系數(shù)兀3個旋轉(zhuǎn)量。dK,3個平移量AX,AY,AZ絕對定向的解算實際上就是要確定空間相似變換的7個待定參數(shù)，至少需要列出7個誤差方程式。在航空攝影測量中，這需要利用最少兩個平面高程控制點和一個高程控制點。若有多余的控制點，便可按最小二乘法原理來解算。后方交會-前方交會解法：首先利用控制點的物方空間坐標與像坐標由單像空間后方交會求出左、右影像的外方位元素，然后再根據(jù)待定同名點的像點坐標與外方位元素，利用空間前方交會方法求出待定點的物方空間坐標。相對定向-絕對定向解法：先通過解求立體像對的相對定向元素，按前方交會方法計算得到模型點的空間輔助坐標以后，利用至少兩個平面高程控制點和一個高程控制點進行單元模型的絕對定向，再由絕對定向參數(shù)求得待定點的物方空間坐標。根據(jù)平差中采用的數(shù)學(xué)模型可分為航帶法、獨立模型法和光束法。根據(jù)平差范圍的大小，解析空中三角測量可分為單模型法、單航帶法和區(qū)域網(wǎng)法。航帶法空中三角測量：1基本思想：由于在單個模型連成航帶模型的過程中，各單個模型中的偶然誤差和殘余的系統(tǒng)誤差將傳遞到下一個模型中去，這些誤差傳遞枳累的結(jié)果會使航帶模型產(chǎn)生扭曲變形，所以航帶模型經(jīng)絕對定向以后還需作模型的非線性改正，才能得到較為滿意的結(jié)果，這便是航帶法空中三角測量的基本思想。2工作流程為：①像點坐標的量測和系統(tǒng)誤差改正；②像對的相對定向：③模型連接及航帶網(wǎng)的構(gòu)成；④航帶模型的絕對定向；⑤航帶模型的非線性改正航帶法區(qū)域網(wǎng)平差基本思想：首先，按單航帶法的方法將每條航帶構(gòu)成自由網(wǎng)，然后用本航帶的控制點及與上一條相鄰航帶的公共點，進行本航帶的三維線性變換，把整個區(qū)域內(nèi)的各條航帶都納入到統(tǒng)一的攝影測量坐標系中，然后各航帶按非線性變形改正公式同時解算各航帶的非線性改正系數(shù)。其計算過程為：1建立自由比例尺的航帶網(wǎng)2建立松散的區(qū)域網(wǎng)3區(qū)域網(wǎng)整體平差獨立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的基本思想：把一個單元模型（可以由一個立體像對或兩個立體像對，甚至三個立體像對組成）視為剛體，利用各單元模型彼此間的公共點連成一個區(qū)域，在連接過程中，每個單元模型只能作平移、縮放、旋轉(zhuǎn)（因為它們是剛體），這樣的要求只有通過單元模型的三維線性變換（空間相似變換）來完成。在變換中要使模型間公共點的坐標盡可能一致，控制點的攝測坐標應(yīng)與其地面攝測坐標盡可能一致（即它們的差值盡可能小），同時觀測值改正數(shù)的平方和為最小，在滿足這些條件的情況下，按最小二乘法原理求得待定點的地面攝測坐標。第五章數(shù)字影像與特征提取對實際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測過程就是采樣，被量測的點稱為樣點，樣點之間的距離即采樣間隔.在影像數(shù)字化或直接數(shù)字化時，這些被量測的“點”也不可能是幾何上的一個點，而是一個小的區(qū)域，通常是矩形或圓形的微小影像塊，即像素。2、 當欲知不位于矩陣（采樣）點上的原始函數(shù)g（x,y）的數(shù)值時就需要進行內(nèi)插，此時稱為重采樣。重采樣方法：⑴雙線性插值法⑵雙三次卷積法⑶最鄰近像元法3、 點特征提取算法：（l）Moravec算子（2）Forstner算子（3）HaiTis角點提取算法4、 線特征是指影像的“邊緣”與“線氣“邊緣”可定義為影像局部區(qū)域特征不相同的那些區(qū)域間的分界線，而“線”則可?以認為是具有很小寬度的其中間區(qū)域有相同的影像特征的邊緣對，也就是距離很小的一對邊緣構(gòu)成一條線，因此線特征提取算子通常也稱邊緣檢測算子。線特征提取算子：一、微分算子（⑴梯度算子（2）Roberts算子⑶Sobel算子）二、二階差分算子（⑴方向二階差分算子⑵拉普拉斯算子⑶高斯一拉普拉斯算子）第六章影像匹配基礎(chǔ)理論與算法1、 影像相關(guān)是利用互相關(guān)函數(shù)，評價兩塊影像的相似性以確定同名點。即首先取出以待定點為中心的小區(qū)域中的影像信號，然后取出其在另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號，計算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)區(qū)域中心為同名點。即以影像信號分布最相似的區(qū)域為同名區(qū)域，同名區(qū)域的中心點為同名點。這就是自動化立體量測的基本原理。2、 影像匹配實質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間識別同名點。影像匹配常常被稱為影像相關(guān)。實際上,影像相關(guān)只是影像匹配方法的一種。3、 常見的五種基本匹配算法：⑴相關(guān)函數(shù)（矢量數(shù)積）⑵協(xié)方差函數(shù)（矢量投影）⑶相關(guān)系數(shù)（矢量夾角）⑷差平方和（差矢量模）⑸差絕對值和（差矢量分量絕對值和）4、 基于物方的影像匹配（VLL法）步驟：見書P158—159/（1）⑵⑶⑷（5）5、 最小二乘影像匹配的迭代過程的具體步驟：見書P165-166/（l）⑵⑶⑷⑸⑹（7）6、 無需產(chǎn)生密集的描述空間物體的網(wǎng)格點，而只需要配準某些“感興趣”的點、線、面。這一類算法被稱為特征匹配或基于特征的匹配。特征匹配可分為三步：①特征提?、诶靡唤M參數(shù)對特征作描述③利用參數(shù)進行特征匹配.7、 跨接法影像匹配過程：見P172/?②③④⑤⑥（注：P171的圖6-5-3、圖6-5-4、圖6-5-5需知道）第七章數(shù)字地面模型的建立與應(yīng)用1、 數(shù)字地面模型DTM的理論與實踐由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用三部分組成。2、 DEM有多種表示形式，主要包括規(guī)則矩形網(wǎng)格與不規(guī)則三角網(wǎng)等。3、 若將按地形特征采集的點按一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的許多三角形，可構(gòu)成一個不規(guī)則三角網(wǎng)TIN表示的DEM,通常稱為三角網(wǎng)DEM或TIN.4、 數(shù)字攝影測量的DEM數(shù)據(jù)采集方式：⑴沿等高線采樣⑵規(guī)則格網(wǎng)采樣⑶沿斷面掃