數(shù)字攝影測量學(xué)要點

1、數(shù)字攝影測量復(fù)習(xí)要點（2016.5）1、攝影測量發(fā)展歷程模擬攝影測量(1851-1970)模擬攝影測量主要是根據(jù)攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)，反求地面點的空間位置。它所采用的儀器為光學(xué)投影器、機械投影器或光學(xué)-機械投影器模擬攝影過程，用光線交會被攝物體的空間位置。解析攝影測量(1950-1980)1957年，Helava提出用“數(shù)字投影代替”物理投影，數(shù)字投影就是利用電子計算機實時的進行共線方程的解算，從而交會出被攝物體的空間位置。數(shù)字攝影測量(1970-現(xiàn)在）利用數(shù)字影像相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)真正的自動化測圖。Ø 數(shù)字攝影測量與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別：1)處理的原始信息主要是數(shù)字影像；2)以計

2、算機視覺代替人眼的立體觀測。2、數(shù)字攝影測量的任務(wù)、特點主要任務(wù)：使用星載(機載)傳感器所獲取的可見光影像對地球陸地區(qū)域進行信息提取，具體包括：目標量測、影像解譯、地形圖測繪、正射影像圖制作、數(shù)字高程模型生成。特點：數(shù)據(jù)量大、計算機運算速度快、技術(shù)精度高。3、數(shù)字攝影測量定義：數(shù)字攝影測量是利用影像相關(guān)技術(shù)來代替人眼的目視觀測，自動識別同名點，實現(xiàn)幾何信息的自動提取。主要內(nèi)容：影像及特征點的識別、同名像點的自動相關(guān)和匹配、數(shù)字影像糾正技術(shù)、數(shù)字高程模型（DEM）的制作、數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的完整操作和測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)。4、計算機輔助測圖計算機輔助測圖（又稱數(shù)字測圖）是利用解析測圖儀或具有機助系統(tǒng)的模

3、擬測圖儀，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，測繪數(shù)字地圖，制作數(shù)字高程模型，建立測量數(shù)據(jù)庫。計算機輔助測圖系統(tǒng)所處理的依舊是傳統(tǒng)像片，且對影像的處理仍然需要人眼的立體量測，計算機則起數(shù)據(jù)記錄與輔助處理的作用，是一種半自動化的方式。計算機輔助測圖是攝影測量從解析化向數(shù)字化的過渡階段。5、影像的點、線、面特征點特征主要指明顯點，如角點、圓點等。提取點特征的算子稱為興趣算子或有利算子，即運用某種算法從數(shù)字影像中提取我們感興趣的即有利于某種目的的點。常用的興趣算子有Moravec算子、Hannah算子和Forstner算子等。線特征是指線狀或面狀地物的邊緣在像片上的構(gòu)像。線特征提取算子也稱邊緣檢測算子。邊緣檢測

4、通常是檢測一階導(dǎo)數(shù)（對離散數(shù)據(jù)為差分）最大或二階導(dǎo)數(shù)（差分）為零的點。常用檢測算子有差分算子、拉普拉斯算子、LOG算子等。6、影像定向1)定義在傳統(tǒng)攝影測量中，是將模擬像片放到儀器承片盤進行量測，所量測的像點坐標為影像架坐標或儀器坐標，隨后，應(yīng)基于平面相似變換將儀器坐標變換為以像主點為原點的像平面坐標系坐標，這個變換過程稱為影像內(nèi)定向。在數(shù)字攝影測量中，在掃描數(shù)字化時，模擬像片在掃描儀上的放置具有一定的隨意性，也就是說，掃描后得到的數(shù)字化影像的像素坐標應(yīng)轉(zhuǎn)換為像平面坐標系坐標，這同樣是影像內(nèi)定向。（嚴密內(nèi)定向還包括透鏡畸變改正）2)如何進行內(nèi)定向(實例見PDF Lec2)內(nèi)定向?qū)嶋H上是確定像素

5、坐標(I,J)與像平面坐標(x,y)轉(zhuǎn)換關(guān)系即多項式變換的過程。一般可采用6參數(shù)的仿射變換，其模型為：為確定ai和bi (i=0,1,2)這6個參數(shù)，需要借助影像的框標來解決。所有框標坐標已知(由相機檢定提供)，且可通過量測數(shù)字影像上所有框標的像素坐標，因此根據(jù)這框標上的這兩套坐標和最小二乘來求解這6個參數(shù)。7、影像灰度的量化如把有黑-灰-白連續(xù)變化的灰度值量化為256個灰度級，灰度值的范圍為0-255，表示亮度從深到淺，對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。8、像點位移當(dāng)?shù)孛嫫鸱?、像片傾斜時，地面點在像片上的構(gòu)像相對理想情況。9、金字塔影像（分頻道相關(guān)）1)定義對于二維影像逐次進行低通濾波，并增大采樣

6、間隔，得到一個像元素總數(shù)逐漸變小的影像序列，將這些影像疊置起來像一座金字塔，因而稱之為金字塔影像結(jié)構(gòu)。2)建立每2×24個像元平均為一個像元構(gòu)成第二級影像，在第二級影像的基礎(chǔ)上構(gòu)成第三級影像。3)計算方法可采用移動平均這種最簡單的低通濾波方法，也可以采用較復(fù)雜、理想的低通濾波，如高斯濾波等。4)相關(guān)過程l 從粗到精的相關(guān)策略：即先通過低通濾波，進行初相關(guān)，找到同名點的粗略位置，然后利用高頻信息進行精確相關(guān)。l 金字塔影像序列是實現(xiàn)由粗到精相關(guān)（匹配）的基礎(chǔ)。l 先在最上一層影像進行相關(guān)，將其結(jié)果作為初值，再在下一層影像相關(guān)，最后在原始影像上相關(guān)，實現(xiàn)一個從粗到精的處理過程。10、影像

7、采樣1)相關(guān)概念采樣：指對實際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測過程。樣點：被量測的“點”是小的區(qū)域，即“像素”。采樣間隔：采樣矩形的大小，一般由掃面分辨率和數(shù)碼相機的分辨率所確定，也決定了儀器的價格。重采樣：在遙感和攝影測量中，經(jīng)常需要對數(shù)字化影像進行幾何變換，如：時序遙感影像的空間配準、核線影像的提取、正射影像圖生成等。幾何變換后的影像矩陣元素位置一般不與原始數(shù)字影像矩陣的元素位置一一對應(yīng)。因此，遙感和攝影測量中經(jīng)常需要基于原始影像矩陣使用局部內(nèi)插的方法來估計灰度值，即影像重采樣。一幅大小為M×N、灰度級數(shù)為G的圖像所需的存儲空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為：M×N×g（b

8、it）。2)重采樣方法最鄰近點法（最簡單、計算小、精度差）、雙線內(nèi)插法（最常用）、雙三次卷積法（精度高、計算大）11、影像匹配影像匹配（又叫影像相關(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。常用的數(shù)字影像匹配算法包括一般匹配、基于物方坐標直接解的匹配、最小二乘匹配與特征匹配。12、影像灰度灰度圖像指每個像素由一個量化的灰度值來描述的圖像。13、數(shù)字高程模型表達形式：規(guī)則矩形格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN、Grid-TIN混合網(wǎng)。數(shù)據(jù)獲取方式：地面測量（利用自動記錄的全站儀在野外實測）、現(xiàn)有地圖數(shù)字化（用數(shù)字化儀對已有地圖進行數(shù)字化的方法，如：手扶跟蹤數(shù)字化儀、掃描數(shù)字化儀）、空間傳感器（

9、利用GPS、合成孔徑雷達干涉和激光測高儀等進行數(shù)據(jù)采集）。數(shù)據(jù)采集方式：1)沿等高線采樣:沿等高線采樣可按等距離間隔記錄數(shù)據(jù)或按等時間間隔記錄數(shù)據(jù)方式進行；2)規(guī)則格網(wǎng)采樣：方法簡單、精度較高、作業(yè)效率也較高，特征點可能丟失。內(nèi)插方法：局部加權(quán)平均法、移動曲面擬合法、多面函數(shù)法DEM內(nèi)插、有限元法DEM內(nèi)插、克立格內(nèi)插、整體函數(shù)擬合法。應(yīng)用：1)在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖與地圖的修測；2)在遙感中可作為分類的輔助數(shù)據(jù)，是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；3)在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)；4)在工業(yè)上可利用DSM (Digital Surface Model)繪制出表

10、面結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的形狀。14、數(shù)字正射影像原理：數(shù)字正射影像是利用數(shù)字高程模型對掃描處理的數(shù)字化的航空像片/遙感影像（單色/彩色），經(jīng)逐個象元進行投影差改正，再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù)。定義：數(shù)字正射影像圖是對航空(或航天)像片進行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集，它是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。特點及應(yīng)用：DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點，可作為地圖分析背景控制信息，也可從 中提取自然資源和社會經(jīng)濟發(fā)展的歷史信息或最新信息,為防治災(zāi)害和公共設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等應(yīng)用提供可靠依據(jù)；還可從中提取和派生新的信息，實現(xiàn)地圖的修測更新（評

11、價其它數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)實性和完整性都很優(yōu)良）15、核線影像定義：從原始圖像沿核線重采樣得到的沒有上下視差的圖像。16、數(shù)字影像的像方、物方匹配方法與策略l 基于像方的匹配基本算法影像匹配實質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間識別同名點，影像匹配是數(shù)字攝影測量(DP)的核心問題之一，也是DP與模擬或解析攝影測量相區(qū)別的關(guān)鍵所在。常用方法有五種：相關(guān)函數(shù)（矢量數(shù)積）、協(xié)方差函數(shù)（矢量投影）、相關(guān)系數(shù)（矢量夾角）、差平方和、差絕對值和。l 基于物方的影像匹配（VLL法）影像匹配的目的是提取物體的幾何信息，確定其空間位置。能夠直接確定物體表面點空間三維坐標的影像匹配方法得到了研究，這些方法也被稱為“地面元影像

12、匹配”。待定點平面坐標(X, Y)已知，只需確定其高程Z，因而基于物方的影像匹配可理解為高程直接解求的影像匹配方法。鉛垂線軌跡法在物方有一條鉛垂線軌跡，它在影像上的投影是一直線。就是說VLL與地面的交點A在影像上的構(gòu)像必定位于相應(yīng)的“投影差”上。VLL法影像匹配具體步驟1) 給定地面點的平面坐標(X，Y) 與近似最低高程Zmin。2) ZiZmini·Z, 高程搜索步距Z可由所要求的高程精度確定。3) 由共線方程計算左右像點坐標：（xi', yi'）與（xi''，yi''）。4) 分別以（xi', yi'）與（xi

13、9;'，yi''）為中心在左右影像上取影像窗口，計算其匹配測度，如相關(guān)系數(shù)pi。(5) 將i的值增加1，重復(fù)(2)、(3)兩步，得到0、1、2n取其最大者k：kmax0、1、2n。(6) 還可以利用K及其相鄰的幾個相關(guān)系數(shù)擬合一拋物線，以其極值對應(yīng)的高程作為A點的高程，以進一步提高精度，或以更小的高程步距在一小范圍內(nèi)重復(fù)以上過程。17、光束法空中三角測量的優(yōu)缺點與意義優(yōu)點及意義光束法區(qū)域網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型是共線條件方程式，平差單元是單個光束，每幅影像的像點坐標為原始觀測值，未知數(shù)是各影像的外方位元素和待定點的地面坐標。光束法區(qū)域網(wǎng)平差也稱“一步定向法”，是最嚴密的解算方法

14、。誤差方程式直接對原始觀測值列出，能方便地顧及影像系統(tǒng)誤差的影響(自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差)，最便于引入非攝影測量附加觀測值。缺點需對共線方程線性化，且需對未知數(shù)提供初始值，計算量大。18、影像相關(guān)測度計算方法19、影像內(nèi)插的基本方法與實現(xiàn)策略20、核線影像含義、特點定義：從原始圖像沿核線重采樣得到的沒有上下視差的圖像。特點：21、DEM數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制方法的優(yōu)缺點22、數(shù)字高程模型的表述方法23、最小二乘影像匹配的理論灰度差的平方和最小。按vvmin原則進行影像匹配的數(shù)學(xué)模型。若在此系統(tǒng)中引入系統(tǒng)變形的參數(shù)，按vvmin的原則，解求變形參數(shù)，就構(gòu)成了最小二乘影像匹配系統(tǒng)。24、相關(guān)系數(shù)法影像相

15、關(guān)的計算原理與計算方法若(p0, q0)(p, q)(pp0，qq0)，則p0, q0為搜索區(qū)影像相對于目標區(qū)影像的位移參數(shù)。對于一維相關(guān)應(yīng)有q0。25、相關(guān)系數(shù)與信噪比的關(guān)系26、DEM、DTM、DOM數(shù)字高程模型（DEM或DHM）是表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列Vi=(Xi, Yi, Zi) i=1, 2, , n其中(Xi, Yi)D是平面坐標，Zi是(Xi, Yi)對應(yīng)的高程。數(shù)字地面模型（DTM）是地形表面形態(tài)等多種信息的一個數(shù)字表示。DTM是定義在某一區(qū)域D上的m維向量有限序列：Vi, i=1, 2, , n其向量Vi=(Vi1, Vi2, , Vin)的分量為地形(Xi, Y

16、i, Zi) (Xi, Yi)D)、溫度、資源、環(huán)境、土地利用、人口分布等多種信息的定量或定性描述。數(shù)字正射影像圖（DOM）是對航空（或航天）相片進行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。27、比例尺與地面分辨率航攝像片比例尺：設(shè)攝影像片水平且取平均地面高程，則攝影比例尺為像片上的線段了l與地面上對應(yīng)的水平距離L之比為：1/m=l/L=f/H（f為攝影機主距，H為航高）地面空間分辨率：數(shù)字影像每一像元所代表實地面積的大小。28、點特征算子空中三角測量中，一般使用點特征提取算法來檢測出聯(lián)系點。點特征提取算法主要有：Moravec算子（計算窗口中心的興趣值根據(jù)閾值確定特征點）、Forster算子。29、線特征算子線特征提取算法主要有：一階差分算子（梯度算子、Roberts梯度算子、方向差分算子、Sobel算子、Prewitt算子）；二階差分算子（方向二階差分算子、拉普拉斯算子）30、最小二乘影