遙感地質(zhì)學(xué)-圖像視差和立體觀測(cè)

§5.3圖像視差和立體觀測(cè)一、圖像視差的產(chǎn)生原因和像點(diǎn)位移

空中照片是地面的中心投影。根據(jù)中心投影的原理，無論是帶有起伏狀態(tài)的地形，或是高出地面的任何物體，反映到空中照片上的像點(diǎn)與其平面位置相比，一般都會(huì)產(chǎn)生位置的移動(dòng)，這種像點(diǎn)位置的移動(dòng)，叫做像點(diǎn)位移。主要由像片傾斜、地面點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差和物理因素（如攝影材料變形、壓平誤差、攝影物鏡畸變、大氣折光和地球曲率等等）產(chǎn)生。1、地形起伏引起的像點(diǎn)位移

由于地面總是有起伏的，地面點(diǎn)高于或低于基準(zhǔn)面，投影在像片上的像點(diǎn)產(chǎn)生的直線移位，稱為投影差，用δh表示，投影差δh與地形起伏和像片傾斜都有關(guān)系。為測(cè)圖或資源調(diào)查的航空攝影像片的傾角總是很小的，一般都控制在3°以內(nèi)，因此，在豎直攝影的像片上投影差主要是高差的影響。

圖5-10中，地面點(diǎn)A距基準(zhǔn)面有高差h,它在相片上的構(gòu)像為a；地面點(diǎn)A在基準(zhǔn)面上的投影為A0，A0在相片上的構(gòu)像為aa0，aa0即為因地形起伏引起的像點(diǎn)位移，用δh表示，將具有位移的像點(diǎn)a投影在基準(zhǔn)面上為Aˊ，A0Aˊ則稱為地面上投影差，用δh表示。根據(jù)相似三角形原理，可得:

上式就是像片上因地形起伏引起的像點(diǎn)位移的計(jì)算公式，式中，r為a點(diǎn)以像底點(diǎn)n為中心的像距，H為攝影航高根據(jù)上式可以看出因地形起伏引起像點(diǎn)位移的規(guī)律(1)當(dāng)r=0時(shí)，δh=0，即水平像片的像主點(diǎn)處沒有投影誤差。(2)像點(diǎn)的位移量δh與r成正比，即水平像片上距離像主點(diǎn)越遠(yuǎn)，投影誤差越大。

(3)像點(diǎn)的位移量δh與h成正比，相對(duì)高差越大，投影誤差越大，在地形平坦區(qū)的像片沒有投影誤差，地形起伏越大地區(qū)的像片投影誤差越大，即影像畸變?cè)酱?。像點(diǎn)位移方向在像點(diǎn)與像主點(diǎn)連線上，高于基準(zhǔn)面的點(diǎn)，像點(diǎn)背離像主點(diǎn)方向位移，低于基準(zhǔn)面的點(diǎn)，向像主點(diǎn)方向位移。

(4)像點(diǎn)位移量與航高成反比，也就是說像片比例尺越大，像點(diǎn)位移量大，即畸變就越大。在航空像片上由地形起伏引起的投影誤差是不可忽略的，在解譯過程中，尤其定量解譯時(shí)應(yīng)考慮到這種畸變規(guī)律。

2.根據(jù)像點(diǎn)位移值測(cè)量目標(biāo)的高度

由于高出地面的物體，反映到空中照片上的影像，不僅能反映出它的側(cè)面形狀，而且還能根據(jù)目標(biāo)頂部和底部的影像，直接測(cè)量出它的位移大小。因此，把測(cè)得的位移值帶入公式:可得目標(biāo)高度。

例如，一張航空照片，已知照相高度為400米，在空中照片上量出目標(biāo)頂點(diǎn)至像主點(diǎn)的距離為2.8厘米，目標(biāo)的像點(diǎn)位移值為0.15厘米，則目標(biāo)高度為

h=400米*0.15米/2.8米=21.43米注意：這種測(cè)量方法只適用垂直空中照片，而且被測(cè)量目標(biāo)的影像的頂部和底部都應(yīng)該是清晰的，才容易測(cè)量出目標(biāo)位移的全長(zhǎng)。

二、航空像片的立體觀察（一）航空像片立體觀察的原理人眼是一個(gè)天然的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。人眼能自動(dòng)調(diào)焦，在觀察不同遠(yuǎn)近的物體時(shí)，網(wǎng)膜上都能得到清晰的構(gòu)像。瞳孔如同光圈，網(wǎng)膜如同底片，接受物體的影像信息。用單眼觀察物體時(shí)，人們感覺到的僅是景物的透視像，好像一張像片一樣，只能分辨出物體的平面形狀，不易分辨出物體的遠(yuǎn)近和立體形態(tài)。只有用雙眼觀察景物，才能判斷景物的遠(yuǎn)近，得到景物的立體效應(yīng)。因此，航空攝影中需要拍攝同一地面不同攝站的兩張像片（一個(gè)立體像對(duì)）才能構(gòu)成立體模型。人眼能觀察景物的遠(yuǎn)近是由眼睛的生理視差所決定的。眼睛是觀察物體的器官，形狀近似圓球（如圖眼睛構(gòu)造）前面是水晶體，其作用與照相機(jī)鏡頭相似；后面是網(wǎng)膜，其作用與感光片相似。射到眼睛的光線經(jīng)水晶體的折射，便在網(wǎng)膜上構(gòu)成影像。水晶體距網(wǎng)膜的距離是不變的，只是水晶體受四周韌帶的伸縮作用，而改變它的曲率，從而改變它的焦距，因此在觀察遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，水晶體的焦距能自動(dòng)調(diào)節(jié)，使影像落在網(wǎng)膜上得到清晰的影像。用雙眼觀察物體時(shí)，觀察者能自動(dòng)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)雙眼，使兩眼的視軸交會(huì)于某一觀察點(diǎn)上，也就是使該點(diǎn)的影像落于網(wǎng)膜窩中心內(nèi)。此時(shí)兩眼視軸所形成的交角叫做交會(huì)角。交會(huì)角的大小決定于兩眼的距離（稱為眼基線）和物體的遠(yuǎn)近。一般成年人的眼基線平均為64毫米。所以，物體離眼睛的遠(yuǎn)近不同，就具有不同的交會(huì)角。距離愈遠(yuǎn)，交會(huì)角愈?。痪嚯x愈近，交會(huì)角愈大。同時(shí)人們是從眼基線的兩個(gè)端點(diǎn)來觀察物體的（右眼從右邊觀察物體，左眼從左邊觀察物體），因此兩眼的觀察角度就不同，在兩眼網(wǎng)膜上所產(chǎn)生的物體影像也就有差別，即形成了生理視差。圖5-12說明了人們?cè)谟秒p眼觀察物體時(shí)，兩眼所產(chǎn)生的生理視差。圖5-12生理視差圖中o1、o2為兩眼的水晶體，A、B、F為三個(gè)被觀察點(diǎn)，若將視線調(diào)節(jié)在F點(diǎn)時(shí)遠(yuǎn)點(diǎn)B和近點(diǎn)A在兩眼網(wǎng)膜上的影像分別為b1、b2和a1、a2,它們對(duì)于網(wǎng)膜窩中心f1和f2的弧長(zhǎng)f1b1和f2b2或f1a1和f2a2的差（f1b1-f2b2或f1a1-f2a2），叫做生理視差。像點(diǎn)位于網(wǎng)膜窩中心左方時(shí)弧長(zhǎng)為正，在右方時(shí)為負(fù)，在網(wǎng)膜窩中心時(shí)為零。這樣遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)，就具有不同的生理視差。從圖中可以看出，B點(diǎn)比F點(diǎn)遠(yuǎn)，生理視差小于零，A點(diǎn)比F點(diǎn)近，生理視差大于零，如果B、A點(diǎn)與F點(diǎn)之間沒有遠(yuǎn)近差別，則生理視差等于零。由此可知，物體的遠(yuǎn)近不同,會(huì)引起生理視差的改變。生理視差不同的影像，通過視神經(jīng)匯集于大腦中，就產(chǎn)生了物體的形態(tài)、大小和空間位置的總印象，這就是物體的立體感覺。因此，生理視差是產(chǎn)生立體視覺和判斷景物遠(yuǎn)近的原因。但是人們的立體感覺是有一定限度的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)交會(huì)角小于30〞，物體在兩眼中就會(huì)產(chǎn)生完全相同的感覺，此時(shí)就無法感覺出物體的遠(yuǎn)近和立體形態(tài)。圖5-13不同角度對(duì)同一地區(qū)照相示意圖

立體觀察就是根據(jù)眼睛的立體視覺原理進(jìn)行的。實(shí)施立體觀察，必須是在連續(xù)拍攝的兩張空中照片的重疊部分上進(jìn)行。因?yàn)檫@種照片，是在同一照相高度，從兩個(gè)不同角度對(duì)同一地區(qū)拍攝的（見圖5-13），所以同一物體在兩張空中照片上，就是現(xiàn)出互有差別的影像，并具有不同的左右視差。這樣它就符合了立體視覺所必須具備的條件，因而也就能用來進(jìn)行立體觀察。假若用兩眼代替鏡頭，分別各看一張照片，則各像點(diǎn)在眼睛網(wǎng)膜上所形成的影像，同樣會(huì)形成不同的生理視差而獲得物體的立體效應(yīng)。如果我們?cè)陔p眼前各放置一塊玻璃片，若玻璃上有感光材料，則影像分別記錄在感光片上，當(dāng)移開實(shí)物后，各眼觀看各自玻璃上的構(gòu)像，仍能看到與事物一樣的空間景物，這就是空間景物在人眼網(wǎng)膜窩上產(chǎn)生生理視差的人眼立體視覺效應(yīng)。其過程為：空間景物在感光材料上構(gòu)像，再用人眼觀察構(gòu)像的像片產(chǎn)生生理視差，重建空間景物的立體視覺，所看的空間景物稱為立體影像，產(chǎn)生的立體視覺稱為人造立體視覺。

根據(jù)人造立體視覺原理，在攝影測(cè)量中，規(guī)定攝影時(shí)保持像片的重疊度在60%以上，是為了獲得同一地面景物在相鄰兩張像片上都有影像，它完全類同于上述玻璃片上記錄的景物影像。利用相鄰像片組成的像對(duì)，進(jìn)行雙眼觀察（左眼看左片，右眼看右片），同樣可獲得所攝地面的立體模型，并進(jìn)行量測(cè)，這樣就奠定了立體攝影測(cè)量的基礎(chǔ)。人造立體視覺必須符合自然界立體觀察的四個(gè)條件（1）兩張像片必須是在兩個(gè)不同位置對(duì)同一景物攝取立體像對(duì)::

（2）

兩只眼睛必須只能觀察像對(duì)的一張像片；（3）

兩像片上相同景物（同名像點(diǎn)）的連線與眼基線應(yīng)大致平行；（4）兩像片的比例尺相近（差別≤15%）。用上述方法觀察到的立體與實(shí)物相似，稱為正立體效應(yīng)。如果把像對(duì)的左右像片對(duì)調(diào)，左眼看右像片，右眼看左像片，或者把像對(duì)在原位各自旋轉(zhuǎn)180o，這樣產(chǎn)生的生理視差就改變了符號(hào)，導(dǎo)致觀察到的立體遠(yuǎn)近正好與實(shí)際景物相反，這稱為反立體效應(yīng)。（二）航空像片的立體觀察在一般情況下，使用立體鏡進(jìn)行觀察。目前常用的立體鏡，有透鏡式立體鏡、反光式立體鏡、掃描式立體觀測(cè)儀和主體顯微鏡等。透鏡式立體鏡也稱橋式立體鏡（圖5-14a）是由兩片透鏡組成的，兩透鏡中心的距離可以調(diào)節(jié)。這種立體鏡的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、攜帶方便、價(jià)錢便宜。其缺點(diǎn)是觀察的視野范圍有一定的限度，適應(yīng)于對(duì)像幅不大的空中照片進(jìn)行觀察。反光式立體