摄影测量与遥感—基础理论

一、概述

讲述摄影测量学定义、任务和发展阶段

1 摄影测量学的定义和任务

摄影测量学 ：是利用光学或数码摄影机获取的影像，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、性质和相互关系的一门学科。

(x,y)---------(X,Y,Z)

摄影测量的主要任务是 :测绘各种比例尺的地形图、建立地形数据库、为地理信息系统、各种工程应用提供基础测绘数据。

目前获取全要素地理空间信息 最重要、最快捷、使用最广泛 的手段。

2 采集图像信息的手段

3 摄影测量学的发展历史

模拟摄影测量 (1900~1960)模拟摄影测量是用光学机械的方法模拟摄影时的几何模式解析摄影测量 (1950~1980)

解析摄影测量是依据像点与相应地面点间的数学关系，用计算机解算像点与相应地面点的坐标并进行测图解算的技术。

数字摄影测量(1980~)数字摄影测量是以数字影像为基础，用计算机进行分析和处理，确定被摄物体的形状、大小、空间位置及性质的技术。

二、摄影测量基础知识

中心投影、航摄相片特殊点、线、面，坐标系统，内外方位元素等

核面：摄影基线与同一地面点发出的两条同名光线组成的面。

核线：核面与左右像片面的交线为同名核线。

同名像点：同一地面点发出的两条光线经左右摄影中心在左右像上构成的像

点称为同名像点。

同名光线：同一地面点发出的两条光线称同名光线。

航摄像片与地形图的区别

1.投影方式的不同：地形图为正射投影，航摄像片为中心投影。

2.航片存在两项误差：像片倾斜引起的像点位移，地形起伏引起的像点位移

3.比例尺的不同：地图有统一比例尺，航片无统一比例尺

4.表示方法的不同：地图为线划图，航片为影像图

5.表示内容的不同：地图需要综合取舍

6.几何上的不同：可组成像对立体观察

透视变换：将平面上的点、线作中心投影，在投影平面P上，得到一一对应的点、线，这种经中心投影取得的一一投影关系，成为透视变换。

面：地面E、像片面P、主垂面W、真水平面Es

线：基本方向线VV、主纵线vv、主光轴SoO、铅垂线SnN、等角

线ScC、合线hihi、主横线hoho、等比线hchc、迹线TT

点：投影中心S、像主点o、地主点O、像底点n、地底点N、

等角点c、 地面等角点C、主合点i、主遁点J

透视变换点、线特征

等角点的特性：在倾斜像片和水平地面上，由等角点c 和C所引出的一对透

视对应线无方向偏差，保持着方向角相等

等比线的特性：等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，不受像片倾斜影响。

像点位移：在中心投影的情况下，当像片有倾斜，地面由起伏时，导致了地面点在航摄像片上构像相对于在理像情况下的构像产生了位置差异。

航测像片的像点位移与方向偏差

像片倾斜引起的像点位移：地面点在航摄像片上的构像位置,相对于同摄站同

摄影机摄取的水平像片上构像位置的差异。

倾斜像片上像点位移的特性：

以等角点为中心的辐射线上

像片边缘倾斜误差大于像片中心

像点位于等比线上，无像片倾斜引起的像点位移

倾斜像片上方向偏差的特性：

等比线上无方向偏差，以等角点c为顶点的辐射线上两点的连线无方向偏差某点在基准面上的中心投影相对正射投影的差别称投影差。

地形起伏引起的像点位移的特性 ：

地形起伏引起的像点位移是地面点相对于所取基准面的高差而引起的像片边缘倾斜误差大于像片中心

地形起伏引起的像点位移在以像底点为辐射中心的方向线上

地形起伏引起的上方向偏差 ：

对基准面具有高差的任意两点的像点，其连线方向相对该地面点在基准面上的正射投影点的像点连线方向的偏差。

以像底点为中心的辐射方向意两点的连线不存在线上任地形起伏引起的方向偏差

测量常用的坐标系

地面测量坐标系像平面直角坐标系(o-xy) ：

像平面直角坐标系(o-xy)与框标平面坐标系（p-xy）

在摄影测量解析计算中，像点的坐标应采用以像主点为原点的像平面坐标系。为此，当像主点与框标连线焦点不重合时，须将像框标坐标系原点平移至像主点。

像空间直角坐标系(S-xyz) ：

为了进行像点的空间坐标转换，需要建立起描述像点在像空间位置的坐标系，即像空间坐标系。每个像点z坐标都等于-f。

像空间辅助坐标系(S-XYZ)

像点的像空间坐标可以直接从像平面坐标得到，但由于各片的像空间坐标系不统一，给计算带来了困难，为此，需要建立一种相对统一的坐标系，称为像空间辅助坐标系。

摄影测量坐标系(p-XpYpZp)

因像空间辅助坐标系是右手系，地面测量坐标系是左手系，给地面点由像空间辅助坐标系转换到地面测量坐标系带来了困难，为此，需要再两种坐标系之间建立一个过渡坐标系。

地面测量坐标系(t-XtYtZt)

地面测量坐标为国家统一坐标系，平面坐标系为高斯-克吕格三度带或

六度带（例如：2000国家大地坐标系），高程坐标系（例如：1985黄

海高程系）

航摄相片的方位元素

内方位元素

内方位元素是描述摄影中心与相片之间的相关位置参数，包括三个参数，摄影中心S到相片的主距f及像主点o在框标坐标系中的坐标x0，y0。

一般视为已知值，由厂商通过摄影机鉴定设备得到。

内方位元素正确与否，直接影响测图精度，因此需对摄像机做定期检查。

外方位元素

已建立的摄影光束，确定像片摄影瞬间在地面直角坐标系中空间位置和姿态的参数。

三个直线元素，描述摄影中心在地面空间直角坐标系中的坐标值(Xs、Ys、Zs)。三个角元素( ?  、  ?  、  ? )，表示摄影光束空间姿态(像片在摄影瞬间空间姿态的要素）

外方位元素

三、双像立体测图基础

立体相对于双像立体测图、相对定向、绝对定向

像点坐标的量测

像对的立体观察

人造立体视觉

利用相邻像片所组成的像对进行双眼观察，可重建空间景物的立体视觉。这是立体摄影测量的基础。

立体观测的特性：

1. 地面上任何一点在像片上视差的大小与这一点的高程有关；地面上越高处，在像片上的视差就越大。

2. 立体感是因为有视差角的存在，且不等于零。

像对的立体观察

①两张像片必须是从不同摄影站摄取的。

②两眼各看一张像片，即必须分像。

③必须使同名像点的连线与眼基线平行，以保证两视线在同一个视平面内。

④比例尺基本一致。

分像方法

2. 互补色法

分像方法

3.偏振光法

4.交替光阑法 （闪避法、光闸法）

立体模型获得

如何得到一个可以具备测图条件的立体模型

一个立体像对，量相片影像重叠范围内的任意地面点再两张像片上都分别有他

们的同名像点，并与相应的摄影中心组成同名射线，同名射线之间是对对相交

的。因此，摄影是摄影基线、同名摄影、同名像点与地面点之间有固定的几何关系。

若能恢复相片的内外方位元素，就能恢复上述几何关系。

1. 恢复像片对的内方位元素(内定向)摄像机主距以及框标坐标都是已知的，实现两者转换即可。

2. 恢复像片对的外方位元素(相对定向)

首先找出两张像片的相对位置数据，恢复相对的相对定向元素（需要5个），使得同名光线对对相交并形成与实地相似的几何模型。

相对定向元素：

其中3个线元素，3个角元素里面有一个线元素只影响建模后的大小，不影响模型的建立，所以相对定向只需要5个元素就可以完成。

如何消除上下视差？

通过消除标准点位附近6（5）个同名点的上下视差，以达到相对定向的目的（此时其他同名点也无上下视差）

相对定向的结果：建立了一个与地面相似的立体模型，但还不具备测图的条件（相对定向不需要地面控制点）。

3. 恢复像片对的外方位元素(绝对定向)

将相对定向所建立的立体模型纳入到地面测量坐标系中，并归化到测图比例尺（需要地面控制点）。

绝对定向元素：

3个旋转元素，3个平移元素，还有1个尺度元素。共7个元素。（实质与坐标

转换类似）

相对绝对定向元素共12个。

四、摄影测量解析基础

共线方程，前方交会，后方交会，立体相对解析相对定向、绝对定向

共线方程

航摄像片与地图是两种不同性质的投影，摄影影像信息的处理，就是要把中心投影的影像变成正射投影的地图信息，为此，需要讨论像点与相应物点的构像方程式， 即共线方程式 。

共线方程的应用

作为摄影测量的核心线，共线条件方程式在摄影测量中都有广泛的应用。

航空影像模拟

单像空间后方交会

光束法平差的基本数学模型

双片测图

利用DEM进行单张像片测图

求像底点坐标

多像空间前方交会

摄影测量中的数字投影基础

利用DEM制作数字正射影像图

空间后方交会

单像空间后方交会

利用一定数量的地面控制点，根据共线条件方程式，解求像片外方位元素的过程。

解析法相对定向：

? 用于描述两张像片相对位置和姿态关系的参数，称为相对定向元素

? 用解析计算的方法解求相对定向元素的过程，称为解析法相对定向

? 相对定向只需利用立体像对内在的几何关系来进行，不需要地面控制点

? 连续像对相对定向元素（5个）

? 单独像对相对定向元素（5个）

解析法相对定向原理：

解求相对定向元素，建立立体模型

特征： 恢复两张像片的相对位置，同名射线对对相交

解析绝对定向：

双像解析摄影测量