攝影測量基礎知識2課件

1、第三章 攝影測量基礎知識 3.1 航空攝影 3.2 中心投影的基本知識 3.3 航攝像片上特殊的點、線、面 3.4 攝影測量常用的坐標系統(tǒng) 3.5 航攝像片上的內、外方位元素 3.6 像點的空間直角坐標變換 3.7 中心投影構像方程 3.8 航攝像片上的像點位移3.1 航空攝影一、航空攝影前的準備1、確定攝區(qū)范圍攝區(qū)太大時，要進行分區(qū)2、航攝儀的選擇（依據測區(qū)的地形條件、成圖比例尺）3、確定攝影比例尺及航高。4、需用像片的數(shù)量、日期、及航攝成果的驗收航攝計劃綜合法測圖長焦距窄角全能法測圖中焦距常角或寬角平坦地區(qū)大比例尺測圖非平坦地區(qū)綜合法測圖 【planimetric photo】指的是航空攝

2、影和普通測量相結合的測圖方法，地物平面位置用航空攝影方法求得，地面高程或等高線用普通測量方法求得 。只用在平坦地區(qū)。全能法測圖【universal photo】指的是在航空攝影測量作業(yè)中，用同一種儀器對地物、地貌測繪成地形圖的方法。2、攝影比例尺的確定嚴格定義：攝影比例尺是像片的平均比例尺攝影比例尺定義：航攝像片上影像線段的長地面上對應線段的水平距離f : 攝影機主距 H：攝影航高，以攝區(qū)內的平均高程面作為攝影基準面，攝影機的物鏡中心至該面的距離。（攝影瞬間攝影機物鏡中心相對于平均海水面的航高稱為絕對航高。相對于其他某一基準面或某一點的高度均為相對航高。）3、攝影比例尺的選擇 攝影比例尺越大，

3、像片地面的分辨率越高，有利于影像的解譯與提高成圖精度，但攝影比例尺過大，增加工作量及費用，所以，攝影比例尺要根據測繪地形圖的精度要求與獲取地面信息的需要來確定。考慮因素：成圖比例尺、測圖方法、成圖精度、經濟性等因素，以及經濟性和航攝像片以后的使用可能性。航攝比例尺與成圖比例尺之間的關系：影像地面分辨率0.1m0.2m0.4-0.8m0.8-1.6m1.0-2.4m1.4-3.2m0.05m思考：為什么大中比例尺測圖航攝比例尺要測圖比例尺小？小比例尺測圖中航攝比例尺要測圖比例尺大？ 原因是精度決定，4倍內的攝影照片就夠了，剛好不會出現(xiàn)馬賽克，如果將攝影比例尺確定得過小，造成圖像模糊不清，甚至出現(xiàn)

4、“馬賽克”圖案，影響成圖質量；反之，將攝影比例尺確定得太大，影像包含的信息反映不出來，“大材小用”，造成不必要的信息損失和資源浪費。 在小比例尺測圖的地形圖中，地物的表現(xiàn)已經出現(xiàn)了地圖綜合，某些地物的表現(xiàn)已經不能用符號表示，只能用點線面的形式表示，如果再繼續(xù)把攝影比例尺也縮小的話影像就非常難于解譯和判讀，所以就采用擴大比例尺的攝影模式。 除了1:2.5萬、1:5萬，還有一些1；10萬、1；25萬、1:50萬、1:500萬的地形圖成圖都是在大比例尺的基礎上縮編制成的。把地物進行綜合，把重要的地物表示出來，這時候就不用采用嚴格測繪地物的方式。 4、 攝影航高的確定航高：航攝飛機在攝影瞬間相對與地面

5、的高度。 相對航高：相對于某一基準面或某一點的高度。 攝影航高：相對于攝區(qū)平均高程面的高度。 絕對航高：攝影瞬間攝影機物鏡中心相 對于平均海平面的航高當然，飛機在飛行的過程中很難精確確定航高，但差異一般不得大于5%。同一航線內，各攝影站得得高差不得大于50m二、空中攝影過程航空攝影測量的要求？（要滿足的條件？）1、飛機飛行方向每隔一定的時間間隔進行曝光，當一條航線不能覆蓋該地域的話，我們要飛機轉向沿下一航線進行飛行。飛行航線一般為東西方向。2、航攝機在攝影曝光的瞬間物鏡主光軸保持垂直地面。3、要確定地面點，用單張像片是不能確定位置的，只能確定方向，所以要采用從不同攝站對同一區(qū)域進行立體攝影，所

6、以要求兩相鄰的照片要有重疊，重疊的范圍稱為航向重疊度（60%-65%，最小不得小于53%）。同理旁向重疊（30%-40%，最小不得小于15%） 航空攝影的過程中，我們所關心的區(qū)域往往是要大于一幅影像所覆蓋的區(qū)域，這時候想想：攝影基線和像片的重疊度有什么關系？ 如果同樣的像幅大小，采用大比例尺和采用小比例尺攝影基線長度一樣嗎？航空攝影略圖攝站點攝影基線B攝影方式豎直航空攝影：航攝儀在曝光瞬間物鏡主光軸與地面垂直，通常規(guī)定像片傾角小于2-3度，常用的航空攝影方式，其影像質量無論從判讀或量測方面來看都比傾斜攝影要好，但直觀性稍差。我國目前進行的航空攝影絕大多數(shù)都是豎直航空攝影。傾斜航空攝影： 其像片

7、傾角a大于3度的航空攝影稱為傾斜航空攝影。這種攝影像片具有較強的透視感，對地物和目標判讀特別有利。 豎直航空攝影豎直航空攝影包括： 面積航空攝影：主要用于測繪地形圖，或進行大面積資源調查。在指定攝區(qū)內布設一系列互相平行的直線攝影航線并覆蓋整個區(qū)域的航空攝影。 條狀地塊航空攝影：主要用于公路、鐵路、輸電線路定線和江、河流域的規(guī)劃與治理工程，通常只拍攝一條或幾條航線，即沿狹長地帶或規(guī)定線路進行的航空攝影。 獨立地塊航空攝影：主要用于大型工程建設礦山勘探部門，只拍攝少數(shù)幾張具有一定重疊度的像片。1、影像的色調影像清晰、色調一致、反差適中，無防礙測圖的陰影。2、像片傾角像片傾斜角的要求，一般為2-3度

8、之間。三、攝影測量生產對攝影資料的基本要求像片傾斜角：航空攝影時，航空攝影機主光軸與鉛垂線的夾角， 0 時為最理想的情形。航向重疊度與旁向重疊度航向重疊：同一航線內相鄰像片應有一定的影像重疊。一般情況下，要求航向重疊度最好為60%-65%，最小不能少于53%；旁向重疊要求30%-40%，最小不少于15%。旁向重疊：相鄰航線也應有一定的重疊。3、像片重疊思考：如果像幅是23cm*23cm，攝影比例尺是1:10000，那么這個像幅所覆蓋的實地面積是多大？如果是1:50000的比例尺，面積又是多少？23cm*10000* 23cm*10000=2.3km*2.3km11.5km*11.5km的面積4

9、、航線彎曲航線彎曲：把一條航線內的像片根據地物的影像疊拼起來，各張像片的像主點連線不在一條直線上，而呈現(xiàn)為彎彎曲曲的折線 航線彎曲度：一條航線內各張像片主點至首尾兩張像主點連線的最大偏離度L我國航空攝影規(guī)范中明確規(guī)定：航線彎曲度一般不得超過3%LLL L3%5、對像片旋角的要求像片旋角：相鄰兩像片的主點的連線與像片沿航線方向的兩框標連線之間的夾角對像片旋角的要求：規(guī)范規(guī)定一般情況下小于6度，個別不應大于8度，而且不能有連續(xù)三張像片的旋角超過6度的情況。但是隨著數(shù)字攝影測量的發(fā)展，像片旋角超過10甚至30多度也可以處理，只不過處理起來會費力一些。像片旋角過大會減小立體相對的有效觀察范圍6、對航高

10、差的要求航高差：空中攝影時飛行航高的變化量規(guī)范還規(guī)定：同一航帶內最大航高與最小航高之差不得大于30米，攝區(qū)同一航線內各攝影站的高差不得大于50米。四、空中攝影質量的評定（1）負片上影像是否清晰、框標影像是否齊全、像幅四周指示器件的影像（如水準氣泡等）是否清晰可辨；（2）由于太陽高度角的影響，地物陰影長度是否超過攝影規(guī)范的規(guī)定，地物陰暗和明亮部分的細部能否辨認清楚；（3）航攝負片上是否存在云影、劃痕、乳劑層脫落等現(xiàn)象；（4）負片上的黑度是否符合要求，影像反差等不得大于規(guī)范要求；（5）航帶的直線性、航帶間的平行性、像片影像的重疊度、航高差和攝影比例尺等等都要檢查評定，并不得超出規(guī)定的技術指標。 3

11、.2 中心投影的基本知識 既然航空攝影得到的是影像，我們攝影測量最終的目的就是把影像變成地形圖，所以我們首先要搞清楚影像與地形圖到底有什么區(qū)別?；仡櫍菏裁词呛綌z像片？想想航攝影像得到的基本過程？實際是地面物體太陽光照射的反射光線，這個反射光線被我們航攝系統(tǒng)的鏡頭所截獲，然后到我們的膠片上去成像，得到航攝影像。航攝像片的投影方式是中心投影方式投影：用一組假想的直線將物體向幾何面上投射投影直線（投影射線）：物點與投影點之間的連線。投影平面：投影的幾何面?？紤]：光學影像和數(shù)碼影像的投影面分別是什么？投影中心投影：投影射線會聚于一點平行投影斜投影正射投影投影的分類地形圖屬于正射投影航空攝影屬于中心投影

12、斜投影正攝投影航攝像片與地形圖的區(qū)別：投影方式：航攝像片是中心投影，地形圖是正射投影二、航片是地面的中心投影QS航片是地面景物的中心投影；地形圖是地面景物的正射投影；攝影測量的主要任務之一，即是把記錄在中心投影像片上的地面景物轉換成按圖比例尺的正射投影地圖三、中心投影的正片位置與負片位置負片位置指投影平面與物點在投影中心的兩側正片位置指投影平面與物點在投影中心的同一側QSABCDbacdcbad無論正片位置還是負片位置，像點與物點的幾何關系不變，數(shù)學表達式不變3.3 航攝像片上特殊的點、線、面 航攝像片成像的過程是小孔成像，在解析幾何里已經學過，小孔成像其實就相當于解析幾何中的透視變換。透視變

13、換的特性同素性：幾何元素的種類不發(fā)生變化?；Q性：像與物互為投影。綜合性：地物上的任何一個點都可以表示為兩條直線的交點。1、透視變換中的重要點、線、面透視軸基準面攝影中心投影面（像片）地面主點地底點像片傾角地面等角點主垂面主縱線基本方向線遁點合線主合點主橫線重要的點線面2、重要點、線滿足的數(shù)學關系：Sncov(V)fJiNCOH 等角點的作用：在傾斜像片上以等角點c為交點量測的某一角度可用于代替在地面用C為測站實測的水平角，實現(xiàn)了把內業(yè)測量轉化為內業(yè)量測。（注意：在傾斜像片上只有這一個點具有這個特性，其他的點不具備）考慮：想找像片的攝影比例尺，該怎么做？3.4 攝影測量中常用的坐標系攝影測量中

14、常用的坐標系有兩大類： 一類是描述像點的位置，稱為像方坐標系；一類用于描述地面點的坐標，稱為物方坐標系。 像方坐標系像空間坐標系像平面坐標系像空間輔助坐標系像點位置相應地面點的空間位置1框標坐標系框標坐標系是依像片上相應框標連線作為基準建立直角坐標。對于框標設在像幅四邊中央的像片，通常依航線方向兩邊對應框標連線作為x軸，以飛行方向為正方向；旁向兩邊對應框標連線作為y軸，方向以右手系確定；兩連線的交點P作為坐標原點如圖所示。像平面坐標系對于框標設在像幅四角處的像片，以相對框標連線的交點P作為坐標原點取兩對相對框標連線在航線方向夾角的平分線作為x軸，垂直于x軸的方向作為y軸，如圖所示。坐標軸的正方

15、向都按右手定則確定。 像平面坐標系 o-xy（像主點坐標系）像平面坐標系是以象主點o為坐標原點，x、y軸分別平行于框標坐標系的x、y軸。像平面直角坐標系與框標坐標系的轉化：pxyoxy像平面坐標系：框標坐標系像主點坐標系輔助點坐標系:就是在框標連線交點飛行方向的附近找一明顯的地物點，連接框標連線交點和地物點作為x軸，按照右手系確定y，這個坐標系不是我們攝影測量要用到的坐標系，我們一般要通過內定向的方法將它轉化到像主點坐標系。應用于比較低精度的像點坐標的量測。主縱線坐標系：根據攝影測量中使用儀器不同，以主縱線作為y軸，以與其垂直的直線（合線、等比線、主橫線）作為x軸的坐標系，所不同的是坐標原點不

16、一樣。（注意：以主縱線作為y軸，以主橫線為x軸的坐標系，雖然原點也是像主點，但是它還是不同于前面講的像主點坐標系）像空間直角坐標系 Sxyz攝影中心S作為像空間直角坐標系Sxyz的坐標原點，Z軸與攝影方向So重合，朝上為正方向；x和y軸分別平行于像平面坐標的相應軸，方向一致。右手系。每張像片的像空間直角坐標系是各自獨立的。 已知像點的像平面坐標后，就能獲得該像點的像空間直角坐標(x、y、-f)。xyoPsyzx-f為了進行像點的空間坐標變換，需要建立起描述像點在像空間位置的坐標系，既像空間坐標系像空間輔助坐標系S-uvw 以攝站點(或投影中心)S為坐標原點，坐標軸可根據需要選定:像點的像空間坐

17、標系可以直接從像平面坐標系得到，但由于各片的像空間坐標系不統(tǒng)一，計算起來不方便，需要建立一種相對統(tǒng)一的坐標系，稱為像空間輔助坐標系，用S-uvw第一種：取u、v、w軸分別平行于地面攝影測量坐標系D-XYZ，右手直角坐標系。第二種：是以每條航線內第一張像片的像空間坐標系作為像空間輔助坐標系。oSu (x)w (z)v (y)xy第三種：是以每個像片對的左片攝影中心為坐標原點，攝影基線方向為u軸，以攝影基線及左片主光軸構成的面作為uw平面,構成右手直角坐標系。o1S1u wv S2BP1物方坐標系:描述地面點在物方空間的位置1、攝影測量坐標系（ PXpYpZp ）將像空間輔助坐標系Suvw沿著w軸

18、反方向平移至地面點P，得到的坐標系PXPYPZP，稱為攝影測量坐標系。由于它與像空間輔助坐標系平行，因此很容易由像點的像空間輔助坐標求得相應的地面點的攝影測量坐標。pXpYpZpuvwS2、地面測量坐標系（T-XTYTZT）地面測量坐標系通常指家測圖所采用的高斯克呂格3度帶或6度帶投影的平面直角坐標系（如1980年西安坐標系或1954北京坐標系用或地方測量坐標系），及高程坐標系（如1985年國家基準高程系或1956年黃海高程），兩者組合而成的空間左手直角坐標系系，用T-XtYtZt表示，也是用攝影測量的方法求的地面點坐標的形式。TYtXtZt設立原因：攝影測量坐標系采用的是右手系，而地面測量坐

19、標系采用的是左手系，這給由攝影測量坐標到地面測量坐標的轉換帶來了困難。為此，在攝影測量坐標系與地面測量坐標系之間建立一種過渡性的坐標系，稱為地面攝影測量坐標系。其坐標原點在測區(qū)內的其一地面點上，X軸與航線方向大致一致，但為水平Z鈾鉛垂，構成右手直角坐標系。攝影測量中，首先將攝影測量坐標轉換成地面攝影測量坐標，最后再轉換成地面直角坐標。3、地面攝影測量坐標系（D-XYZ）wvuSDPa(x,y,-f)3.5 航攝像片的內、外方位元素像片的方位元素：確定航空攝影瞬間，攝影中心與像片在地面設定的空間坐標系中的位置與姿態(tài)的參數(shù)稱為像片的方位元素。 內方位元素 外方位元素 一、像片（攝影機）的內方位元素

20、表示攝影中心與像片之間相關位置的參數(shù)稱為內方位元素，包含3個元素，即：攝影中心到像片面的垂距 (航攝機主距)f及像主點o在框標坐標系中的坐標x0 ，y0 xypSfox0y0 二、外方位元素在恢復了內方位元素的基礎上，確定像片攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)稱為外方位元素。1、外方位線元素 三個直線元素是反映攝影瞬間，攝影中心S在選定的地面空間坐標系（通常選用地面攝影測量坐標系）中的坐標值，用XS，YS，ZS表示。 XYZASXsYsZs2、外方位角元素表達攝影光束的空間姿態(tài)，或說像片面的空間姿態(tài)。其中二個用于確定攝影機主光軸的空間方位，一個用于確定像片的空間方位。1）以v軸為主軸的、 、 XY

21、ZAXsYsZsOOxuvwNS旁向傾角航向傾角像片旋角xy2）以u軸為主軸的 ， ， ，航向傾角,旁向傾角， 像片旋角，XYZAuvwNXsYsZsOOY， ，xyS3）以w軸為主軸的A、v方位角A像片傾角像片旋角vXYZAuvwNAvxyS外方位三個角元素可看作是理想像片的攝影機光軸從起始的鉛垂方向繞空間坐標軸按某種次序連續(xù)三次旋轉形成的。先繞第一軸旋轉一個角度其余兩軸的空間方位隨同變化；再繞變動后的第二軸旋轉一個角度、兩次旋轉的結果達到恢復攝影機主光軸的空間方位；最后繞經過兩次變動后的第三鈾(即主光軸)旋轉個角度亦即像片在其自身平面內繞像主點旋轉一個角度。像片由理想姿態(tài)到實際攝影時的姿態(tài)

22、依次旋轉的三個角值，就是像片的三個外方位元素。xyozxysuvw1、像點的空間坐標變換設某像點a點在：像空間坐標系中的坐標為（x,y,z)(z=-f）在像空間輔助坐標系中的坐標為（u，v，w）3.6 像點坐標變換1）以、系統(tǒng)表示方向余弦S-uvw繞v軸旋轉角到S-XYZXZauv (Y)wS2 、方向余弦的確定S-XYZ繞X軸旋轉角到S-XYZY ZaXYZSS-XYZ繞Z軸旋轉角到S-XYZ(s-xyz)ZYX SXY因此，像點在兩個坐標系中的變換公式為a1 = coscos - sinsinsina2 = -cossin sinsincosa3 = -sincosb1= cossinb2

23、 = coscos b3 = -sinc1 = sincos+ cossinsinc2 = -sinsin + cossincosc3 = coscos 規(guī)律：只要知道轉角繞軸旋轉的先后順序，就能很快寫出總的旋轉矩陣，即為每個旋轉矩陣的連乘。每個旋轉矩陣中，繞某軸旋轉時，與該軸相對應的三維矩陣中對應位置的元素為1，與其它軸的方向余弦為0，其余的則為平面旋轉變化。2）以u軸為主軸的，、，、，系統(tǒng)的坐標變換vwSuYZaaXZXZSYXYXz SYaa1 = coscosa2 = -cossin a3 = -sinb1= cossin sin sincos b2 = coscos+ sin sin

24、sin b3 = -sin cosc1 = sinsin+ cossincosc2 = sincos- cossinsinc3 = coscos 3）以w軸為主軸的Av系統(tǒng)的坐標變換-=-=fyxRfyxRRRwvuvAkaa1 = cosAcosv+sinAcossinv a2 = -cosAsinv+sinAcoscosv a3 = -sinAsinb1=-sinAcos v +cosAcossinv b2= sinAsinv+ cosAcoscosv b3 = -cosAsinc1 = sin sinv c2 = sincosv c3 = cosxyzuvwAasXSYSZSNvuwX- XSY- YS(x,y,-f)(X,Y,Z)DZYX3.6 中心投影的構像方程一、公式推導(Xs, Ys, Zs)共線條件方程逆算式：3.7 航攝像片上的像點位移地面點在航攝像片上的構像相對于理想情況下構像位置的差異