攝影測(cè)量與遙感

攝影測(cè)量與遙感攝影測(cè)量：從非接觸成像和其他傳感器系統(tǒng)，通過(guò)記錄、量測(cè)、分析與表達(dá)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(gè)發(fā)展階段：模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(cè)量像片物理投影模擬測(cè)圖儀作業(yè)員手工模擬產(chǎn)品解析攝影測(cè)量像片數(shù)字投影解析測(cè)圖儀機(jī)助作業(yè)員操作模擬產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)字化影像數(shù)字影像數(shù)字投影計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(jī)主光軸與像平面的交點(diǎn)稱為像片主點(diǎn)。攝影機(jī)物鏡后節(jié)點(diǎn)到像片主點(diǎn)的垂距稱為攝影機(jī)主距，也叫像片主距，用f表示。把像片主距f和像片主點(diǎn)在框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（xO,yO）稱為攝像機(jī)（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(jī)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(gè)像幅長(zhǎng)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(zhǎng)lx*100%旁向重疊度Py%=—打一P:重疊影像邊長(zhǎng)"100%當(dāng)投影射線會(huì)聚于一點(diǎn)時(shí)，稱為中心投影，當(dāng)諸投影射線都平行于某一固定方向時(shí)，稱為平行投影（平行投影分為斜投影和正射投影）。23頁(yè)作圖題攝影測(cè)量五個(gè)常用坐標(biāo)系：1像平面坐標(biāo)系o-xy像平面坐標(biāo)系是影像平面內(nèi)的直角坐標(biāo)系，用以表示像點(diǎn)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(diǎn)。稱為影像的像主點(diǎn)。像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)就位于像主點(diǎn)。對(duì)于航空影像，兩邊對(duì)機(jī)械框標(biāo)的連線為x和y軸的坐標(biāo)系稱為框標(biāo)坐標(biāo)系，其與航線方向一致的連線為x軸,航線方向?yàn)檎?，像平面坐?biāo)系的方向與框標(biāo)坐標(biāo)系的方向相同。yY■圖iyY■圖i2像空間坐標(biāo)系S?xg該坐標(biāo)系是一種過(guò)渡坐標(biāo)系，用來(lái)表示像點(diǎn)在像方空間的位置。該坐標(biāo)系以攝站點(diǎn)（或投影中心）S為坐標(biāo)原點(diǎn)，攝影機(jī)的主光軸So為坐標(biāo)系的z軸，像空間坐標(biāo)系的x,y軸分別與像平面坐標(biāo)系的x,y軸平行，正方向如圖1該坐標(biāo)系可以很方便的與像平面坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)。在這個(gè)坐標(biāo)系中，每一個(gè)像點(diǎn)的z坐標(biāo)都等于S。的長(zhǎng)，但符號(hào)是負(fù)的。3像空間輔助坐標(biāo)系S?XYL該坐標(biāo)系是一種過(guò)渡坐標(biāo)系，它以攝站點(diǎn)（或投影中心）S為坐標(biāo)原點(diǎn)。在航空攝影測(cè)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?yàn)閄軸如圖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(cè)量坐標(biāo)系A(chǔ)?XpYpZp該坐標(biāo)系是一種過(guò)渡坐標(biāo)系，用來(lái)描述解析攝影測(cè)量過(guò)程中模型點(diǎn)的坐標(biāo)。在航空攝影測(cè)量中通常以地面上某一點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)，而它的坐標(biāo)軸與像空間輔助坐標(biāo)軸平行，如圖L5物空間坐標(biāo)系QXtYtZt所攝物體所在的空間直角坐標(biāo)系。測(cè)繪中所用的是地面測(cè)量坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系）。前面介紹的4種坐標(biāo)系均為石字直角坐標(biāo)系，而地面測(cè)量坐標(biāo)系為左芋坐標(biāo)系，它的*軸指向正北方向，與大地測(cè)量中的高斯-克呂格平面坐標(biāo)系相同，高程則以我國(guó)黃海高程系統(tǒng)為基準(zhǔn)。在地球上一個(gè)小范圍內(nèi)討論問(wèn)題時(shí)，把。視為左手坐標(biāo)系是允許的，但當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，需顧及地球曲率的影響。確定攝影機(jī)的鏡頭中心（嚴(yán)格地說(shuō)，應(yīng)該是鏡頭的像方節(jié)點(diǎn)）相對(duì)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(gè)參數(shù)：像主點(diǎn)（主光軸在影像面上的垂足）相對(duì)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(gè)參數(shù)，其中3個(gè)線元素，用于描述攝影中心S相對(duì)于物方空間坐標(biāo)系的位置Xs,Ys,Zs；另外3個(gè)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(cè)量處理方法的重要理論基礎(chǔ)，例如單像空間后方交會(huì)、雙像空間前方交會(huì)以及光束法區(qū)域網(wǎng)平差等一系列問(wèn)題的原理，都是以共線條件作為出發(fā)點(diǎn)的，只是隨著所處理問(wèn)題的具體情況不同，共線條件的表達(dá)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(biāo)系中其坐標(biāo)為（Xs,Ys,Zs）,A為任一物方空間點(diǎn)，它的物方空間坐標(biāo)為（Xa,Ya,Za）。a為A在影像上的構(gòu)像，相應(yīng)的像空間坐標(biāo)和像空間輔助坐標(biāo)分別為（xy-f）和（X,Y,Z）°攝影時(shí)S、A、a三點(diǎn)位于一條直線上，那么像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)與物方點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間有以卜,關(guān)系:X_方點(diǎn)物方空間坐標(biāo)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(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)有下列關(guān)系:Xalblcl]y—~~~-f?3b3C3JXYZ將其展開(kāi)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(diǎn)的坐標(biāo)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(diǎn)的像平而坐標(biāo)；x。，y。，f為影像的內(nèi)方位元素；Xs，YsZs為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XA，Ya,Za為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；a^^/M.2,3）為影像的3個(gè)外方位角元素組成的9個(gè)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(huì)和多像空間前方交會(huì)2） 解析空中三角測(cè)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(jì)算模擬影像數(shù)據(jù)（己知影像內(nèi)外方位元素和物點(diǎn)坐標(biāo)求像點(diǎn)坐標(biāo)）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(jìn)行單幅影像測(cè)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(gè)地面點(diǎn)在地面水平的水平像片上的構(gòu)像與地面有起伏時(shí)或傾斜像片上構(gòu)像的點(diǎn)位不同，這種點(diǎn)位的差異稱為像點(diǎn)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(huì)：利用影像覆蓋范圍內(nèi)一定數(shù)量的控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)與影像坐標(biāo)，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(huì)。單像空間后方交會(huì)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(diǎn)的己知地面坐標(biāo)和相應(yīng)點(diǎn)的像坐標(biāo)量測(cè)值出發(fā)，根據(jù)共線條件方程，解求該影像在航空攝影時(shí)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(jì)算公式解求影像的外方位元素時(shí)，有6個(gè)未知數(shù)，至少需要列出6個(gè)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(gè)與實(shí)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(biāo)互換方向。像片上原來(lái)的縱坐標(biāo)y軸轉(zhuǎn)到與基線平行，此時(shí)生理視差變?yōu)橄衿膟方向的視差，因而失去了立體感覺(jué)成為一個(gè)平面圖像。這種立體效應(yīng)，稱為零立體效應(yīng)。核面：通過(guò)攝影基線S】S2與任一物方點(diǎn)A所作的平面WA成為通過(guò)A的核面。核線：核面與攝影立體像對(duì)空間前方交會(huì)的目的：利用單像空間后房交會(huì)求得影像的外方位元素后，欲由單幅影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)反求相應(yīng)地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，仍然是不可能的。因?yàn)?，根?jù)單個(gè)像點(diǎn)及其相應(yīng)影像的外方位元素只能確定地面點(diǎn)所在的空間方向，而使用立體像對(duì)上的同名像點(diǎn)，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(diǎn)的空間位置。在未知點(diǎn)的兩個(gè)聯(lián)立方程式中有3個(gè)未知數(shù)，即地面坐標(biāo)X.Y.Z,由未知點(diǎn)在一幅影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)x,y只能列出兩個(gè)方程，使用立體像對(duì)上兩同名像點(diǎn)的坐標(biāo)X1.y1.X2,y?即可列出4個(gè)方程式，從而求出3個(gè)未知數(shù)。由立體像對(duì)左右兩影像的內(nèi)、外方位元素和同名像點(diǎn)的影像坐標(biāo)量測(cè)值來(lái)確定該點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，稱做立體像對(duì)的空間前方交會(huì)。借助物空間坐標(biāo)為己知的控制點(diǎn)來(lái)確定空間輔助坐標(biāo)系與實(shí)際物空間坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，稱

為立體模型的絕對(duì)定向。假設(shè)任一模型點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)為X,Y,Z,該點(diǎn)的地面攝測(cè)坐標(biāo)為Xtp,Ytp,Ztp它們之間存在一個(gè)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(biāo)原點(diǎn)的平移量。所以空間相似變換的7個(gè)參數(shù)是比例尺縮放系數(shù)兀3個(gè)旋轉(zhuǎn)量。dK,3個(gè)平移量AX,AY,AZ絕對(duì)定向的解算實(shí)際上就是要確定空間相似變換的7個(gè)待定參數(shù)，至少需要列出7個(gè)誤差方程式。在航空攝影測(cè)量中，這需要利用最少兩個(gè)平面高程控制點(diǎn)和一個(gè)高程控制點(diǎn)。若有多余的控制點(diǎn)，便可按最小二乘法原理來(lái)解算。后方交會(huì)-前方交會(huì)解法：首先利用控制點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)與像坐標(biāo)由單像空間后方交會(huì)求出左、右影像的外方位元素，然后再根據(jù)待定同名點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)與外方位元素，利用空間前方交會(huì)方法求出待定點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)。相對(duì)定向-絕對(duì)定向解法：先通過(guò)解求立體像對(duì)的相對(duì)定向元素，按前方交會(huì)方法計(jì)算得到模型點(diǎn)的空間輔助坐標(biāo)以后，利用至少兩個(gè)平面高程控制點(diǎn)和一個(gè)高程控制點(diǎn)進(jìn)行單元模型的絕對(duì)定向，再由絕對(duì)定向參數(shù)求得待定點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)。根據(jù)平差中采用的數(shù)學(xué)模型可分為航帶法、獨(dú)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(cè)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(cè)量：1基本思想：由于在單個(gè)模型連成航帶模型的過(guò)程中，各單個(gè)模型中的偶然誤差和殘余的系統(tǒng)誤差將傳遞到下一個(gè)模型中去，這些誤差傳遞枳累的結(jié)果會(huì)使航帶模型產(chǎn)生扭曲變形，所以航帶模型經(jīng)絕對(duì)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(cè)量的基本思想。2工作流程為：①像點(diǎn)坐標(biāo)的量測(cè)和系統(tǒng)誤差改正；②像對(duì)的相對(duì)定向：③模型連接及航帶網(wǎng)的構(gòu)成；④航帶模型的絕對(duì)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(diǎn)及與上一條相鄰航帶的公共點(diǎn)，進(jìn)行本航帶的三維線性變換，把整個(gè)區(qū)域內(nèi)的各條航帶都納入到統(tǒng)一的攝影測(cè)量坐標(biāo)系中，然后各航帶按非線性變形改正公式同時(shí)解算各航帶的非線性改正系數(shù)。其計(jì)算過(guò)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(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的基本思想：把一個(gè)單元模型（可以由一個(gè)立體像對(duì)或兩個(gè)立體像對(duì)，甚至三個(gè)立體像對(duì)組成）視為剛體，利用各單元模型彼此間的公共點(diǎn)連成一個(gè)區(qū)域，在連接過(guò)程中，每個(gè)單元模型只能作平移、縮放、旋轉(zhuǎn)（因?yàn)樗鼈兪莿傮w），這樣的要求只有通過(guò)單元模型的三維線性變換（空間相似變換）來(lái)完成。在變換中要使模型間公共點(diǎn)的坐標(biāo)盡可能一致，控制點(diǎn)的攝測(cè)坐標(biāo)應(yīng)與其地面攝測(cè)坐標(biāo)盡可能一致（即它們的差值盡可能?。?，同時(shí)觀測(cè)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(diǎn)的地面攝測(cè)坐標(biāo)。第五章數(shù)字影像與特征提取對(duì)實(shí)際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測(cè)過(guò)程就是采樣，被量測(cè)的點(diǎn)稱為樣點(diǎn)，樣點(diǎn)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(shí)，這些被量測(cè)的“點(diǎn)”也不可能是幾何上的一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)小的區(qū)域，通常是矩形或圓形的微小影像塊，即像素。2、 當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)g（x,y）的數(shù)值時(shí)就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)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(diǎn)特征提取算法：（l）Moravec算子（2）Forstner算子（3）HaiTis角點(diǎn)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(rèn)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(duì)，也就是距離很小的一對(duì)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(cè)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(píng)價(jià)兩塊影像的相似性以確定同名點(diǎn)。即首先取出以待定點(diǎn)為中心的小區(qū)域中的影像信號(hào)，然后取出其在另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號(hào)，計(jì)算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)區(qū)域中心為同名點(diǎn)。即以影像信號(hào)分布最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域，同名區(qū)域的中心點(diǎn)為同名點(diǎn)。這就是自動(dòng)化立體量測(cè)的基本原理。2、 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)。影像匹配常常被稱為影像相關(guān)。實(shí)際上,影像相關(guān)只是影像匹配方法的一種。3、 常見(jiàn)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(duì)值和（差矢量分量絕對(duì)值和）4、 基于物方的影像匹配（VLL法）步驟：見(jiàn)書(shū)P158—159/（1）⑵⑶⑷（5）5、 最小二乘影像匹配的迭代過(guò)程的具體步驟：見(jiàn)書(shū)P165-166/（l）⑵⑶⑷⑸⑹（7）6、 無(wú)需產(chǎn)生密集的描述空間物體的網(wǎng)格點(diǎn)，而只需要配準(zhǔn)某些“感興趣”的點(diǎn)、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(duì)特征作描述③利用參數(shù)進(jìn)行特征匹配.7、 跨接法影像匹配過(guò)程：見(jiàn)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(shí)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(diǎn)按一定規(guī)則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的許多三角形，可構(gòu)成一個(gè)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?jǐn)z影測(cè)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?cái)嗝鎾?/p>