第3章 攝影測量學

第3章攝影測量學南陽師范學院測繪工程專業(yè)主講：王永麗內(nèi)容綱要：3.1概述3.2攝影測量的一些基本原理3.3恢復（確定）影像方位元素的方法3.4數(shù)字攝影測量與影像匹配3.5攝影測量的應用3.6數(shù)字攝影測量與計算機視覺3.7數(shù)字攝影測量的發(fā)展與展望3.1概述

攝影測量是一門通過攝影,對所獲得的影像進行測量(特別是測繪國家基本比例尺地形圖)的學科。

它的基本原理來自測量的交會方法。

3.1.1什么是攝影測量學攝影測量是在物體前的兩個已知位置(稱為攝站)攝取兩張影像:左影像與右影像,然后在室內(nèi)利用攝影測量儀器量測左右影像上的同名點(空間同一個點在左、右影像上的像點稱為同名點):a1、a2的影像坐標(x1,y1;x2,y2),交會得到空間點A的空間坐標(X,Y,Z)。攝影測量的前方交會原理如圖3-3所示,S1、S2為左、右攝站,p1、p2為攝取的左右影像,a1、a2為左、右影像上的同名點。通過像點(如a1)也能獲得攝影光線S1a1的水平角α、垂直角β。因此它與經(jīng)緯儀一樣,利用兩張影像進行前方交會,如直線S1a1與S2a2交會于一個空間點A,獲得其空間坐標(X,Y,Z)。攝影測量不僅僅可以測量一個空間的點,而且能利用影像重建空間的三維物體的模型。3.1.2攝影測量的分類根據(jù)對地面獲取影像位置的不同,攝影測量可以分為航空攝影測量、航天攝影測量與地面(或近景)攝影測量。攝影測量最主要的攝影對象是地球表面,用來測繪國家各種基本比例尺的地形圖,為各種地理信息系統(tǒng)與土地信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。航空攝影測量

航空攝影測量是將攝影機安裝在飛機上,對地面攝影,這是攝影測量最常用的方法。攝影時,飛機沿預先設(shè)定的航線進行攝影,相鄰影像之間必須保持一定的重疊度——稱為航向重疊,一般應大于60%?；ハ嘀丿B部分構(gòu)成一個立體像對。完成一條航線的攝影后,飛機進入另一條航線進行攝影,相鄰航線影像之間也必須有一定的重疊度——稱為旁向重疊,一般應大于20%。航空攝影測量測繪的地形圖比例尺一般為1∶5萬、1∶1萬、1∶5000、1∶2000、1∶1000、1∶500等。

航空攝影測量所用的是一種專門設(shè)計的大幅面的攝影機,稱為航空攝影機,影像幅面一般為230mm×230mm。到目前為止,航空攝影機多數(shù)是基于膠片的光學攝影機,但是當前已經(jīng)開始應用大幅面的數(shù)碼航空攝影機。隨著數(shù)碼技術(shù)與數(shù)字攝影測量的發(fā)展,大幅面的數(shù)碼航空攝影機將逐步替代傳統(tǒng)的光學航空攝影機。2.航天攝影測量航天攝影測量是隨著航天、衛(wèi)星、遙感技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的攝影測量技術(shù),它將攝影機(一般稱為傳感器)安裝在衛(wèi)星上,對地面進行攝影。用于航空、地面攝影的攝影機一般多為框幅式的(framecamera),即每次攝影都能得到一幀影像;但是在衛(wèi)星上應用的多數(shù)是由CCD組成的線陣攝影機,即每一次只能得到一行影像。相對于“線陣”CCD(linearCCDarray),上述的DMC航空數(shù)碼攝影機被稱為面陣CCD。目前常用的衛(wèi)星影像及其相應的測圖與地圖更新比例尺如下表。3.地面(近景)攝影測量

地面攝影測量是將攝影機安置在地面上進行測量。地面攝影測量既可以利用測量專用的攝影機(稱為量測攝影機)進行,也可以利用一般的攝影機(稱為非量測攝影機)進行。地面攝影測量可以用來測繪地形圖,也可以用于工程測量。

一切用于非地形測量的攝影測量均稱為近景攝影測量。它的應用范圍很寬,例如工業(yè)、建筑、考古、醫(yī)學測量等。3.1.3攝影測量的發(fā)展1851～1859年法國陸軍上校勞賽達特提出的交會攝影測量,被稱為攝影測量學的真正起點。從空中拍攝地面的照片,最早是1858年納達在氣球上進行的。1903年萊特兄弟發(fā)明了飛機,使航空攝影測量成為可能。第一次世界大戰(zhàn)期間第一臺航空攝影機問世。由于航空攝影比地面攝影具有明顯的優(yōu)越性(如視場開闊、能快速獲得大面積地區(qū)的像片等),航空攝影測量成為20世紀以來大面積測制地形圖最有效的快速方法。隨著電子計算機的問世,便出現(xiàn)了始于50年代末的解析空中三角測量(精確測定點位空間三維坐標的攝影測量方法)和解析測圖儀與數(shù)控正射投影儀(利用數(shù)字投影方法進行量測、制圖和制作正射像片)。進入80年代,隨著計算機進一步發(fā)展,攝影測量的全數(shù)字化———數(shù)字攝影測量系統(tǒng)開始研究與發(fā)展。90年代數(shù)字攝影測量系統(tǒng)(主要是工作站)進入實用化階段,90年代末數(shù)字攝影測量系統(tǒng)開始全面替代傳統(tǒng)的攝影測量儀器,攝影測量生產(chǎn)真正步入了全數(shù)字化時代。因此,攝影測量的發(fā)展經(jīng)歷了模擬、解析和數(shù)字攝影測量三個階段。3.2攝影測量學的一些基本原理攝影測量是利用每個影像的像點攝影光線(在量測時,稱為投影光線)進行交會,獲得對應點的物方空間坐標。三維空間點A(X,Y,Z)、攝影中心S(XS,YS,ZS)與對應像點a(x,y),三點一定位于一條直線上。從數(shù)學的意義上而言“三點共線”可用共線方程描述,這是攝影測量的基本出發(fā)點。為了利用投影光線進行交會,必須恢復攝影影像上每一條投影光線(直線)在空間的位置與方向,這就必須引入攝影機的內(nèi)、外方位元素。3.2.1影像與物體的基本關(guān)系1.影像與地圖、影像地圖

影像是物體的中心投影,而地圖是地面在水平面上垂直(正射)投影的縮小,兩者是不同的。從這個意義上說,攝影測量可以被認為是研究并實現(xiàn)由中心投影(影像)轉(zhuǎn)換為正射投影(地圖)的科學與技術(shù)。3.2.2影像與地圖的關(guān)系2.糾正儀、正射糾正儀圖3-21為糾正儀(屬模擬攝影測量儀器),用于將平坦地區(qū)的影像糾正為影像圖。圖3-22為正射投影儀(屬解析攝影測量儀器),用于將不平坦地區(qū)(丘陵地區(qū)、山區(qū))的影像進正射糾正為影像圖,又稱為正射影像圖(DOM)。3.2.3攝影機的內(nèi)方位元素從幾何上理解,攝影機是一個四棱錐體,其頂點就是攝影機物鏡的中心S,其底面就是攝影機的成像平面(影像),如圖3-13所示。攝影中心到成像面的距離稱攝影機的焦距f,攝影中心到成像面的垂足o稱為像主點,So稱為攝影機的主光軸。主點離影像中心點的位置x0、y0確定了像主點在影像上的位置。f、x0、y0一起稱為攝影機的內(nèi)方位元素。內(nèi)方位元素可以通過攝影機檢校(在計算機視覺中稱為標定)獲得。測量專用的攝影機在出廠前由工廠對攝影機進行過檢校,其內(nèi)方位元素是已知的,則稱為量測攝影機,否則稱為非量測攝影機。作為量測的光學攝影機還有一個很重要的標準,即在被攝的影像上有標記(稱為框標),一般有4(或8)個。如圖3-14所示,對角框標中心的連線的交點,就表示影像的中心。因此在攝影測量過程中,對準框標是很重要的步驟,它被稱為內(nèi)定向。

對于數(shù)碼攝影機,其成像平面上是CCD元件的規(guī)則排列。一個CCD元件就是一個成像的單元,稱為像元(pixel),如圖3-15所示。衛(wèi)星影像的“地面分辨率”就是一個像元所對應地面(地面元)的大小,因此地面元越小,影像的分辨率越高3.2.4攝影機的外方位元素欲確定投影光線Sa在物方空間的位置,就必須確定(恢復)攝取影像時攝影機的“位置”與“姿態(tài)”,即攝影時攝影機在物方空間坐標系中的位置XS、YS、ZS和攝影機的姿態(tài)角φ、ω、κ,這6個參數(shù)就是攝影機的外方位元素,如圖3-17所示。在恢復攝影機的內(nèi)外方位元素后,投影光線Sa通過空間點A,即三點共線。3.2.5共線方程

在模擬攝影測量時代，用精密的金屬導桿代替投影光線,實現(xiàn)三點共線。但是進入解析、數(shù)字攝影測量時代,攝影測量儀器上就沒有金屬導桿,它用數(shù)學公式來描述三點共線,其共線方程為:用來描述三點共線的數(shù)學公式———共線方程為:這是攝影測量最基本的方程式,它貫穿于整個攝影測量,被應用于攝影測量的各個方面,如空間后方交會、空中三角測量、數(shù)字測圖、數(shù)字(正射)糾正等。3.2.6立體觀測方法立體觀測方法是攝影測量的一個重要手段。利用立體像對與一對浮動測標，進行“立體觀測”，測定同名點，是攝影測量的重要方法。1.天然立體視覺、視差、人造立體視覺當人們用雙眼觀測自然界時(見圖3-23),眼睛本身就相當于一個攝影機,自然界的景物(如點A、B)就在左、右眼睛的視網(wǎng)膜上分別產(chǎn)生兩個影像,在左眼的影像為a1、b1,右眼的影像為a2、b2。由于景物的深度(與眼鏡的距離)不同，從而使得a1b1≠a2b2,它們的差稱為左右視差較:

Δp=a1b1-a2b2

假如人們在人的眼睛處(o1,o2)用攝影機對同一景物拍攝兩張影像p1、p2,然后將照片放置在雙眼前,用觀察左、右影像代替直接觀測景物,但是獲得的視覺效果與天然立體視覺完全一樣(如圖3-24)。這就是立體攝影測量的基礎(chǔ),也是當今的計算機立體視覺與“虛擬現(xiàn)實”的重要基礎(chǔ)之一。2.人造立體觀測的條件與立體觀測方法利用兩張具有重疊度的影像進行人造立體觀測的條件是:(1)分像,即左眼只能看左影像,右眼只能看右影像,而不能同時看到;(2)左右影像必須平行眼睛基線,即不能上下岔開,按攝影測量的術(shù)語則稱:沒有上下視差(y-parallax)。滿足上述條件進行立體觀測,最常用的方法有:1)通過光學系統(tǒng)(如立體反光鏡)2)互補色法(anaglyph)3)同步閃閉法(synchronizedeyewear)4)偏振光法(polarizinggrasses)5）裸眼立體技術(shù)3.3恢復(確定)外方位元素的方法獲得攝影機的外方位元素有很多種方法,其中主要有空間后方交會、空中三角測量與區(qū)域網(wǎng)平差、相對定向與絕對定向以及在攝影過程中直接獲取。一般確定兩張影像的相對位置有兩種方法：1.將攝影基線固定水平，對位獨立像對相對定向。2.將左影像置平（或它的位置固定不變），稱為連續(xù)像對相對定向。相對定位元素有5

個,例如連續(xù)像對相對定位元素為:2個基線分量bX、bY和右影像的3個姿態(tài)角φ2、ω2、κ2,因此最少需要量測5個點上的上下視差。

2.立體模型的絕對定向相對定向完成了幾何模型的建立,但是它所建立的模型大小不一定、坐標原點是任意的,模型的坐標系與地面坐標系也不一致。絕對定向是對相對定向所建立的模型進行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。絕對定向元素共有7

個:XG、YG、ZG、Φ、Ω、K、λ,其中XG、YG、ZG為模型坐標系的平移參數(shù);Φ、Ω、K為模型坐標系的旋轉(zhuǎn)參數(shù);λ為模型的比例尺縮放系數(shù)。

通過相對定向建立立體模型,再通過立體模型的絕對定向,可恢復立體模型的絕對方位,使模型與地面坐標系一致,當然也就恢復了兩張影像的外方位元素(2×6=5+7=12個外方位元素),因此通過相