《攝影測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)》課件

攝影測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)攝影測(cè)量是一種利用攝影獲取對(duì)象信息的遙感技術(shù)。它可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)繪和描述地物形態(tài)特征,是測(cè)繪、工程、環(huán)境等領(lǐng)域的重要工具。本課程將全面介紹攝影測(cè)量的基本原理和應(yīng)用。課程介紹1課程目標(biāo)學(xué)習(xí)攝影測(cè)量的基本原理和技術(shù),掌握數(shù)字圖像獲取、處理、分析和三維重建等核心知識(shí)。2課程內(nèi)容包括測(cè)量的基本概念、攝影原理、數(shù)字圖像處理、三維重建等多個(gè)方面的系統(tǒng)知識(shí)。3應(yīng)用場(chǎng)景涉及全面的攝影測(cè)量在工程測(cè)量、遙感應(yīng)用、數(shù)字城市等領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用。4教學(xué)方式理論課堂講授、實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)、案例分析討論等多種教學(xué)形式相結(jié)合。測(cè)量的基本概念測(cè)量的基礎(chǔ)測(cè)量是攝影測(cè)量的核心,通過(guò)使用各種測(cè)量工具和技術(shù)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行尺寸測(cè)量和定位。這是作為三維空間信息獲取的基礎(chǔ)步驟。精確性與準(zhǔn)確性測(cè)量過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差,因此需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估,以確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。測(cè)量單位標(biāo)準(zhǔn)化選擇合適的測(cè)量單位并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是確保測(cè)量數(shù)據(jù)可比較和分析的前提。不同領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景使用不同的測(cè)量單位。攝影的基本原理相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)透鏡折射和反射的原理,將光線聚焦,形成實(shí)像。相機(jī)的光學(xué)結(jié)構(gòu)決定了成像的質(zhì)量和特性。光線入射物體表面反射的光線通過(guò)相機(jī)鏡頭進(jìn)入,在影像平面形成反轉(zhuǎn)的二維像。光線入射角度和強(qiáng)度影響成像效果。數(shù)字化記錄圖像傳感器將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字圖像。數(shù)字化處理提高了圖像的質(zhì)量和可處理性。攝影測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域攝影測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),如城市規(guī)劃、交通管理、農(nóng)林水利、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。通過(guò)高清航拍和影像重建,可快速獲取地形、建筑、資源等空間信息,為決策者提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。此外,攝影測(cè)量還在文物保護(hù)、三維重建、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,為科研和文化傳承貢獻(xiàn)力量。坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)換1地理坐標(biāo)系基于緯度、經(jīng)度的坐標(biāo)系2空間直角坐標(biāo)系基于三維空間XYZ軸的坐標(biāo)系3投影坐標(biāo)系將地理空間投射到平面的坐標(biāo)系不同坐標(biāo)系之間存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系,需要使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,以確保空間數(shù)據(jù)的一致性和精度。坐標(biāo)系的選擇和轉(zhuǎn)換是攝影測(cè)量中的關(guān)鍵步驟。內(nèi)方位元素定義內(nèi)方位元素描述了相機(jī)在內(nèi)部的幾何特征,包括主點(diǎn)位置、焦距長(zhǎng)度和鏡頭畸變等參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確建立相機(jī)成像模型至關(guān)重要。主點(diǎn)位置主點(diǎn)是成像平面上感光元件的幾何中心,其坐標(biāo)反映了相機(jī)成像平面與光軸的空間關(guān)系。焦距長(zhǎng)度焦距長(zhǎng)度描述了相機(jī)鏡頭從光學(xué)中心到成像平面的距離,它決定了成像的放大倍率。鏡頭畸變鏡頭畸變是由于光學(xué)元件的非理想性引起的,會(huì)導(dǎo)致圖像失真。內(nèi)方位元素可以校正這種畸變。外方位元素位置參數(shù)外方位元素包括相機(jī)的位置坐標(biāo)(X、Y、Z)以及旋轉(zhuǎn)角度(ω、φ、κ)，定義了相機(jī)在三維空間中的位置和方向。角度測(cè)定通過(guò)測(cè)量相機(jī)的角度變化,可以獲得相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的外方位元素,從而確定了相機(jī)在空間中的朝向。實(shí)際應(yīng)用外方位元素在攝影測(cè)量、三維重建、航空航天遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,是確保影像測(cè)量精度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。成像模型1集中投影假定成像過(guò)程是一個(gè)理想的中心投影過(guò)程2成像角針孔相機(jī)成像的視野范圍由成像角決定3焦距焦距決定了成像的比例尺和視場(chǎng)范圍4成像畸變鏡頭引入的幾何畸變需要予以校正攝影測(cè)量的成像模型基于針孔相機(jī)原理,認(rèn)為相機(jī)鏡頭將三維空間中的物體聚焦到二維影像面上。成像過(guò)程服從集中投影原理,其中焦距、成像角和鏡頭畸變是重要參數(shù)。對(duì)這些內(nèi)方位參數(shù)的測(cè)量和校正是攝影測(cè)量的關(guān)鍵內(nèi)容。相機(jī)標(biāo)定定義相機(jī)參數(shù)確定相機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù),包括焦距、主點(diǎn)位置、透鏡畸變等。這些參數(shù)決定了成像幾何關(guān)系。標(biāo)定流程通過(guò)拍攝標(biāo)定板獲取大量特征點(diǎn),利用數(shù)學(xué)模型擬合計(jì)算相機(jī)參數(shù)。標(biāo)定過(guò)程需要嚴(yán)格控制環(huán)境條件。模型優(yōu)化采用最小二乘法等優(yōu)化算法不斷改進(jìn)參數(shù)估計(jì),使模型更好地描述實(shí)際相機(jī)成像過(guò)程。驗(yàn)證檢驗(yàn)利用獨(dú)立的標(biāo)定數(shù)據(jù)驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,確保后續(xù)應(yīng)用的可靠性。數(shù)字圖像的獲取1圖像采集使用高質(zhì)量的數(shù)字相機(jī)或掃描儀等設(shè)備,將物理世界中的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為電子形式的數(shù)字圖像。2分辨率和色深選擇適當(dāng)?shù)姆直媛屎蜕羁纱_保圖像的細(xì)節(jié)和色彩還原度,滿足后續(xù)處理的需求。3文件格式存儲(chǔ)常見(jiàn)的數(shù)字圖像格式包括JPEG、TIFF、PNG等,每種格式都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)字圖像的預(yù)處理1濾波處理對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行平滑、銳化等濾波處理,去除噪聲并提高圖像質(zhì)量。利用各種濾波算法優(yōu)化圖像特征。2直方圖調(diào)整通過(guò)調(diào)整圖像的灰度直方圖,優(yōu)化亮度對(duì)比度,突出感興趣區(qū)域的細(xì)節(jié)。3幾何校正對(duì)失真的圖像進(jìn)行幾何變換,如校正、旋轉(zhuǎn)、縮放等,確保圖像幾何信息準(zhǔn)確。影像幾何校正1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將圖像投影到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系2畸變校正修正相機(jī)透鏡引起的畸變3正射投影將傾斜和非水平的圖像正射影像幾何校正是攝影測(cè)量的基礎(chǔ)過(guò)程，主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、畸變校正和正射投影。通過(guò)這些步驟，我們可以將原始圖像投影到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，消除透鏡畸變的影響，并將傾斜的地面圖像校正為正射影像。這為后續(xù)的空間測(cè)量和三維重建奠定了基礎(chǔ)。特征點(diǎn)檢測(cè)圖像特征特征點(diǎn)是圖像中具有明顯差異性的點(diǎn)位,如角點(diǎn)、邊緣、斑點(diǎn)等,這些特征點(diǎn)包含了豐富的信息。檢測(cè)算法主流的特征點(diǎn)檢測(cè)算法包括Harris角點(diǎn)檢測(cè)、SIFT、SURF等,它們可以快速精確地提取關(guān)鍵特征點(diǎn)。應(yīng)用場(chǎng)景特征點(diǎn)檢測(cè)廣泛應(yīng)用于圖像配準(zhǔn)、3D重建、目標(biāo)檢測(cè)、圖像拼接等領(lǐng)域,是攝影測(cè)量的基礎(chǔ)技術(shù)之一。精度要求特征點(diǎn)檢測(cè)的精度直接影響后續(xù)處理的效果,需要選擇合適的算法并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成特征點(diǎn)檢測(cè)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法在影像中提取出顯著特征點(diǎn),如角點(diǎn)、邊緣等。這些特征點(diǎn)為后續(xù)的三維重建奠定基礎(chǔ)。立體匹配通過(guò)對(duì)多幅影像中對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配和分析,可以計(jì)算出每個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo),從而構(gòu)建出稀疏的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。密集匹配在稀疏點(diǎn)云的基礎(chǔ)上,采用更加密集的匹配算法,可以獲得更加細(xì)致和密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云優(yōu)化對(duì)初始生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、降噪等處理,可以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。表面重構(gòu)1三維點(diǎn)云通過(guò)影像匹配或激光掃描獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)2網(wǎng)格生成將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格3紋理映射根據(jù)影像信息為網(wǎng)格模型添加顏色紋理表面重構(gòu)是從三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)到完整三維模型的關(guān)鍵步驟。首先通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到三維點(diǎn)云，然后采用網(wǎng)格生成算法將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格表面。最后利用原始影像數(shù)據(jù)為網(wǎng)格模型添加真實(shí)的紋理信息，完成整個(gè)三維重建過(guò)程。真實(shí)正射影像生成1幾何校正消除相機(jī)和地形因素引起的變形2拼接融合將多幅影像無(wú)縫拼接3正射投影將影像投射到地圖坐標(biāo)系真實(shí)正射影像是一種高精度的地理信息呈現(xiàn)方式。它通過(guò)幾何校正、影像拼接和正射投影等步驟,生成一個(gè)幾何精度高、色彩真實(shí)的數(shù)字正射影像。該影像忠實(shí)地反映了地表實(shí)際情況,為各種地理信息應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維重建方法基于特征點(diǎn)利用圖像中的關(guān)鍵特征點(diǎn),通過(guò)攝影測(cè)量原理進(jìn)行三維重建。適用于紋理豐富的場(chǎng)景?；诩す鈷呙枥眉す馄鲯呙枘繕?biāo),獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)處理可生成三維模型。適用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)?；陔p目立體視覺(jué)利用兩臺(tái)相機(jī)獲取同一目標(biāo)的雙目圖像,通過(guò)立體匹配算法重建三維信息。適用于中近距離環(huán)境?；跀z影測(cè)量利用多視角圖像,通過(guò)空間后方交會(huì)原理獲取三維點(diǎn)云。適用于大范圍、復(fù)雜場(chǎng)景。結(jié)果精度分析攝影測(cè)量技術(shù)的最終目標(biāo)是獲取高精度的三維信息。因此，對(duì)結(jié)果精度進(jìn)行全面分析和評(píng)估至關(guān)重要。這包括對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、表面重構(gòu)模型以及正射影像的精度進(jìn)行評(píng)估，并確定影響精度的關(guān)鍵因素。通過(guò)采用不同的檢查方法，如控制點(diǎn)測(cè)量、實(shí)地測(cè)試、獨(dú)立驗(yàn)證等，可以客觀評(píng)估測(cè)量結(jié)果的內(nèi)部精度和外部精度。同時(shí)還需分析各處理環(huán)節(jié)對(duì)最終精度的貢獻(xiàn)，找出薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。航攝任務(wù)的規(guī)劃1確定任務(wù)目標(biāo)明確航攝目的,如制作地圖、監(jiān)測(cè)環(huán)境、搜索遺產(chǎn)等,確定預(yù)期成果。2評(píng)估現(xiàn)有資料收集和分析已有的地理信息、影像資料等,了解拍攝區(qū)域特點(diǎn)。3制定飛行計(jì)劃根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和區(qū)域特點(diǎn),設(shè)計(jì)最優(yōu)的飛行線路和航線參數(shù)。4選擇合適設(shè)備選擇適合任務(wù)需求的航攝相機(jī)和無(wú)人機(jī)等硬件設(shè)備。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)靈活性無(wú)人機(jī)可以輕松進(jìn)入地形復(fù)雜、高度受限的區(qū)域進(jìn)行拍攝,為航拍任務(wù)帶來(lái)前所未有的靈活性。高分辨率先進(jìn)的無(wú)人機(jī)配備高像素相機(jī),可以捕捉高清細(xì)節(jié)豐富的航拍影像。實(shí)時(shí)反饋無(wú)人機(jī)可以通過(guò)實(shí)時(shí)傳回的視頻畫(huà)面,為操控人員提供即時(shí)的飛行反饋。低成本相比傳統(tǒng)航空攝影,無(wú)人機(jī)航拍的總體成本更低,更適合廣泛應(yīng)用。激光掃描技術(shù)高精度成像激光掃描技術(shù)能夠快速采集三維空間中目標(biāo)物體的高精度數(shù)據(jù),為建模、測(cè)量等應(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域激光掃描可應(yīng)用于城市規(guī)劃、文物保護(hù)、工業(yè)制造、醫(yī)療診斷等多個(gè)領(lǐng)域,是一種先進(jìn)的數(shù)字化空間信息采集手段。實(shí)時(shí)性能優(yōu)勢(shì)激光掃描設(shè)備具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠快速捕捉瞬息萬(wàn)變的物理環(huán)境信息。影像拼接技術(shù)技術(shù)原理影像拼接技術(shù)通過(guò)識(shí)別關(guān)鍵點(diǎn)并匹配不同影像之間的重疊區(qū)域,將多張單獨(dú)拍攝的影像按照幾何關(guān)系有序拼接在一起,形成一個(gè)完整的影像。拼接工具市面上有多種專業(yè)的拼接軟件,如Photoshop、Lightroom等,可以自動(dòng)化完成影像拼接過(guò)程,提高效率。拼接精度精準(zhǔn)的影像配準(zhǔn)是影像拼接的關(guān)鍵,需要根據(jù)控制點(diǎn)精細(xì)調(diào)整影像位置和角度,確保拼接結(jié)果無(wú)明顯偏差。數(shù)據(jù)融合技術(shù)多源數(shù)據(jù)融合利用遙感、地理信息系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行有效融合,實(shí)現(xiàn)更全面的信息提取和分析。圖像數(shù)據(jù)融合將不同分辨率、不同傳感器獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,提高圖像的觀測(cè)能力和信息內(nèi)容。影像分類融合將光譜、空間、時(shí)間等特征信息融合應(yīng)用于影像分類,提高分類的準(zhǔn)確性和可靠性。遙感影像應(yīng)用遙感影像廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、環(huán)境、城市規(guī)劃等。精準(zhǔn)獲取地表信息,可以有效監(jiān)測(cè)和評(píng)估資源利用、環(huán)境變化以及自然災(zāi)害。結(jié)合地理信息系統(tǒng),遙感影像為決策提供可靠數(shù)據(jù)支持,推動(dòng)科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展。遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地球觀測(cè)的自動(dòng)化和智能化,為人類認(rèn)知未知世界提供了強(qiáng)大工具。未來(lái)的遙感影像應(yīng)用將更加智能化和個(gè)性化,為人類生活帶來(lái)更多福祉。地理信息系統(tǒng)集成1空間數(shù)據(jù)融合集成來(lái)自不同源的地理數(shù)據(jù),如衛(wèi)星影像、地圖信息、地形測(cè)繪等,形成綜合性的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。2多系統(tǒng)協(xié)同將地理信息系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)如規(guī)劃管理、應(yīng)急響應(yīng)等進(jìn)行有機(jī)集成,實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)協(xié)作。33D可視化利用三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將地理數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為生動(dòng)直觀的三維場(chǎng)景。4移動(dòng)應(yīng)用通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和位置服務(wù),將地理信息系統(tǒng)擴(kuò)展到社會(huì)各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中。攝影測(cè)量產(chǎn)品展示攝影測(cè)量廣泛應(yīng)用于工程測(cè)繪、遙感影像分析、3D建模等領(lǐng)域。常見(jiàn)的攝影測(cè)量產(chǎn)品包括數(shù)字相機(jī)、航空攝影儀、激光掃描儀等。這些產(chǎn)品采用先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù),結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法,能夠高效精準(zhǔn)地獲取和處理空間信息數(shù)據(jù),為用戶提供可視化、三維的數(shù)字化成果。這些產(chǎn)品不僅功能強(qiáng)大,還具有可靠的性能和用戶友好的界面,廣受行業(yè)用戶的青睞。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,攝影測(cè)量產(chǎn)品將更加智能化和便攜化,為各行各業(yè)帶來(lái)更多創(chuàng)新應(yīng)用的可能。典型工程案例分析三維重建技術(shù)應(yīng)用使用攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)古建筑物進(jìn)行三維建模,為文物保護(hù)和修繕提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)利用無(wú)人機(jī)對(duì)礦山、高鐵沿線等大范圍區(qū)域進(jìn)行快速航拍,提高監(jiān)測(cè)效率并減少人工成本。激光掃描技術(shù)在隧道勘測(cè)中應(yīng)用激光掃描,可獲得精準(zhǔn)的3D模型,為隧道建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。影像拼接技術(shù)將多個(gè)航拍影像自動(dòng)拼接,生成高清晰度的正射影像,廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)化與智能化攝影測(cè)量技術(shù)正加速向自動(dòng)化和智能化發(fā)展,利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像分析、特征提取和三維建模的自動(dòng)化。多傳感器融合融合航空攝影、激光掃描、SAR和無(wú)人機(jī)等多種傳感器技術(shù),提高數(shù)據(jù)采集和分析的精度和效率。云計(jì)算與大數(shù)據(jù)利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析,提高工作效率和決策支持能力。規(guī)模化應(yīng)用攝影測(cè)量技術(shù)正廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域,成為支撐現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要技術(shù)手段。課程總結(jié)全面回顧系統(tǒng)梳理攝影測(cè)量的基本概念