測(cè)量學(xué)概論-攝影測(cè)量學(xué)

攝影測(cè)量及其發(fā)展走進(jìn)測(cè)繪殿堂1.概述－－什么是攝影測(cè)量2.攝影測(cè)量的基本原理與內(nèi)容3.攝影測(cè)量發(fā)展與應(yīng)用4.小結(jié)

概述－－什么是攝影測(cè)量隨著網(wǎng)絡(luò)、信息時(shí)代的到來(lái)，地理空間信息正在被人們所熟悉，地球上所有的一切，離不開它的空間位置，攝影測(cè)量測(cè)量，則是“通過(guò)影像獲取地理空間信息的”學(xué)科。通俗而言：“攝影測(cè)量通過(guò)攝影，進(jìn)行測(cè)量。”O(jiān)1A（X、Y、Z）2YZ

1

2

1

2X在地面上兩個(gè)已知位置點(diǎn)

上，安置經(jīng)緯儀，對(duì)未知點(diǎn)A測(cè)定水平角、垂直角，就能測(cè)得未知點(diǎn)的坐標(biāo)A（X、Y、Z）。由測(cè)繪的前方交會(huì)，看攝影測(cè)量(1)什么是攝影測(cè)量a1b1a2b2BS1a2a1S2Ab2b1攝影測(cè)量在地面上兩個(gè)已知位置上，對(duì)未知的物體拍攝兩張照片，然后在影像上，量測(cè)同名點(diǎn)：a1(x1、y1)、a2(x2、y2)進(jìn)行前方交會(huì)，求解未知點(diǎn)的坐標(biāo)A（X、Y、Z）。由計(jì)算機(jī)視覺，看攝影測(cè)量

計(jì)算機(jī)視覺的研究目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，《馬頌德、張正友：計(jì)算機(jī)視覺－－理論與算法，1998》左手前－右手后左手右－右手左左眼左手左－右手右右眼攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)立體視覺的基礎(chǔ)兩眼中影像的差異數(shù)據(jù)獲取a1b1a2b2數(shù)據(jù)處理構(gòu)建三維實(shí)體模型23攝影測(cè)量的基本流程攝影測(cè)量是一門由“二維影像”“三維空間”的學(xué)科攝影測(cè)量是通過(guò)影像

對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量Photogrammetryisdefinedas“thescienceorartofobtainingreliablemeasurementsbymeansofphotographs.”

(ManualofPhotogrammetry1966)(2)

攝影測(cè)量的分類及應(yīng)用根據(jù)影像獲取的位置，攝影測(cè)量基本可分為：①航天攝影測(cè)量(衛(wèi)星)衛(wèi)星地面③地面攝影測(cè)量(近景)

②航空攝影測(cè)量(飛機(jī))航空低空攝影測(cè)量的基本任務(wù)是測(cè)繪各種比例尺的地形圖航空攝影測(cè)量，可測(cè)繪各種比例尺地形圖，如1:5萬(wàn)、1:1萬(wàn)、1:5千、1:2千、1:1千、1:500；航天攝影測(cè)量主要測(cè)繪1:5萬(wàn)、1:1萬(wàn)地形圖；地面攝影測(cè)量主要測(cè)繪大比例尺地形圖；近景攝影測(cè)量可用于各種工程、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑、考古等領(lǐng)域。從680km高空觀測(cè)地面（IKONOS影像）臺(tái)北中山紀(jì)念堂上海東方明珠塔（快鳥影像－－450km）我國(guó)ZY3衛(wèi)星－－德國(guó)慕尼黑機(jī)場(chǎng)(高度為506km)航空攝影利用相互重疊的影像覆蓋整個(gè)攝影區(qū)域:沿飛行方向，互相重疊(60%以上)的影像，相鄰影像構(gòu)成“立體像對(duì)”、構(gòu)成“航帶”；互相重疊

(20%以上)的“航帶”構(gòu)成“區(qū)域”重疊部分（立體像對(duì)）大壩施工測(cè)量工業(yè)零件測(cè)量建筑攝影測(cè)量地面（近景）攝影測(cè)量(3)攝影測(cè)量的發(fā)展－－經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段數(shù)字

攝影測(cè)量

模擬

攝影測(cè)量解析

攝影測(cè)量模擬攝影測(cè)量時(shí)代——攝影測(cè)量完全依賴于精密的光學(xué)－機(jī)械儀器解析攝影測(cè)量時(shí)代——攝影測(cè)量依賴于《精密的光學(xué)－機(jī)械儀器＋計(jì)算機(jī)》《計(jì)算機(jī)》進(jìn)入攝影測(cè)量數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代——計(jì)算機(jī)完全替代原來(lái)的光機(jī)儀器攝影測(cè)量基本原理與內(nèi)容(1)攝影測(cè)量過(guò)程與原理攝影－－由三維二維的過(guò)程攝影測(cè)量－－由二維三維的過(guò)程攝影測(cè)量是攝影的－－逆過(guò)程、反轉(zhuǎn)過(guò)程攝影與測(cè)量投影攝影數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理(2)攝影測(cè)量的基本內(nèi)容BS1a2a1S2Ab2b1欲實(shí)現(xiàn)通過(guò)影像的量測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的直接測(cè)量，條件有兩個(gè)基本任務(wù)：在像片上量測(cè)的點(diǎn)必須是同名點(diǎn)，如：a1－a2，b1－b2

，…….；恢復(fù)攝影光線S1a1A－S2a2A在攝影時(shí)的空間方位。O1A（X、Y、Z）2YZ

1

2

1

2XThefundamentaltaskofphotogrammetryistorigorouslyestablishthegeometricrelationshipbetweentheimageandtheobjectasitexistedatthetimeoftheimagingevent.Oncethisrelationshipiscorrectlyrecovered,onecanthenderiveinformationaboutthestrictlyfromitsimagery.(攝影的根本任務(wù)是嚴(yán)格地建立的形象和對(duì)象之間的幾何關(guān)系，正如成像事件實(shí)際存在的關(guān)系。這種關(guān)系一旦被正確恢復(fù)，就可以得出其圖像信息嚴(yán)格)(E.M.Mikhailetc.ModernPhotogrammetry2001)《從二維影像到三維模型》徐剛?cè)毡窘茖W(xué)社2000鄭順義翻譯攝影測(cè)量基本內(nèi)容建立“影像與被攝物體間的幾何關(guān)系”

解決對(duì)應(yīng)性(correspondence)問(wèn)題

S2a2A(3)攝影測(cè)量基本方程式－－三點(diǎn)共線方程它完整地描述：像點(diǎn)坐標(biāo)x、y

與物點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z

的關(guān)系BS1a2a1S2Ab2b1S1a1A(4)攝影測(cè)量基本參數(shù)在共線方程中：共有兩組，9個(gè)參數(shù)ffx0x0攝影機(jī)的3個(gè)內(nèi)方位元素：x0、y0、f影像的6個(gè)外方位元素：XS、YS、ZS、與

、

、

(

a1/a2

/a3/b1

/b2/b3

/

c1

c2/c3)XSXSXSXSYSYSYSYSZSZSZSZSa1a3a3a2b3b3c3c3b1b2c2c1如何確定這9個(gè)方位元素，是攝影測(cè)量的重要內(nèi)容模板匹配－－模式識(shí)別－－最基本的方法46839046894

0123456789例如：印刷數(shù)字識(shí)別我們首先建立0

9十個(gè)數(shù)字的模板：①模板匹配(5)計(jì)算機(jī)怎樣確定同名特征與應(yīng)用012345678946839046894

將模板：與待識(shí)別的數(shù)字，逐個(gè)套合：4比較“灰度差的絕對(duì)值”＝最小，獲得－解－4

|g1(x，y)－g2(x，y)|＝mina2a1目標(biāo)區(qū)---模板搜索區(qū)(>目標(biāo)區(qū))②影像匹配分別在左、右影像上建立一個(gè)目標(biāo)區(qū)－－搜索區(qū)

x=1;

y=0

x=0;

y=0

x=0;

y=0

x=1;

y=0

x=2;

y=0

x=3;

y=0

x=4;

y=0

x=5;

y=0

x=6;

y=0

x=7;

y=0

x=8;

y=0

x=9;

y=0

x=10;

y=0

x=11;

y=0

x=0;

y=1－

x=1;

y=1

x=2;

y=1然后將目標(biāo)區(qū)，沿

x、y方向順序與搜索區(qū)疊合。

x=6;

y=3當(dāng)x=6;

y=3灰度差絕對(duì)值之和為最?。c(diǎn)這就是利用計(jì)算機(jī)識(shí)別同名點(diǎn)的原理圖像拼接Weneedtomatch(align)images③影像匹配的應(yīng)用MatchingwithFeaturesDetectfeaturepointsinbothimagesMatchingwithFeatures

特征匹配Detectfeaturepointsinbothimages（檢測(cè)兩個(gè)圖像的特征點(diǎn)）Findcorrespondingpairs（尋找同名點(diǎn)）MatchingwithFeaturesDetectfeaturepointsinbothimagesFindcorrespondingpairsUsethesepairstoalignimages測(cè)定影像間《同名點(diǎn)》，確定它們相對(duì)位置－－相對(duì)定向匹配密集點(diǎn)云、生成等高線等高線表示地形攝影測(cè)量發(fā)展與應(yīng)用各類傳感器的發(fā)展

理論與算法的發(fā)脹計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為攝影測(cè)量的未來(lái)提供了“無(wú)限的遐想空間”（1）高分辨率遙感影像（2）數(shù)碼航空相機(jī)（3）POS系統(tǒng)（4）LiDAR（5）干涉雷達(dá)攝影測(cè)量發(fā)展與各類傳感器的發(fā)展密切有關(guān)(1)高分辨率遙感衛(wèi)星美國(guó)商業(yè)化的高分遙感衛(wèi)星DallasWorldview-2高度：770km，焦距:13.3m國(guó)產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像我國(guó)光學(xué)衛(wèi)星2010.08.24.15:10：天繪一號(hào)2011.12.22.11:26:02C2012.01.09.11:17:ZY32012.05.06.15:10：天繪一號(hào)02星ZY3:正視：2.08米，前后視：3.46米；02C；兩臺(tái)HR相機(jī)，2.36米;天繪：兩臺(tái)HR相機(jī)：2.0米資源三號(hào)－下視影像（GSD=2.1m）遼寧－大連港大連港－空間點(diǎn)云(2)POS——直接確定外方位元素POS＝GPS＋I(xiàn)MU（Inertialsystem），用于直接測(cè)定“外方位元素”，有車載、機(jī)載，用于直接確定影像的外方位元素。它也是激光掃面的基礎(chǔ)。IMUGPSLaserscannerGPS經(jīng)緯儀兩個(gè)測(cè)站——點(diǎn)測(cè)量全站儀一個(gè)測(cè)站——點(diǎn)測(cè)量掃描儀一個(gè)測(cè)站面測(cè)量航空激光掃描系統(tǒng)(3)激光掃描與LiDAR系統(tǒng)－－直接確定“點(diǎn)云”航空激光掃描：LiDAR系統(tǒng)－－直接產(chǎn)生“點(diǎn)云”加拿大.多倫多影像LIDAR點(diǎn)云斷面樹上點(diǎn)地面點(diǎn)多次回波－－這是激光特有的優(yōu)勢(shì)！多次回波樹林屋頂?shù)孛娴孛鍸iDAR系統(tǒng)向海面發(fā)射波長(zhǎng)為1064nm的紅外激光和倍頻后波長(zhǎng)為532的藍(lán)綠激光，由于藍(lán)綠激光較易直接穿透海水而紅外激光不易穿透海水。LiDAR淺海測(cè)繪原理LiDAR穿透海水(4)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)入數(shù)碼相機(jī)，攝影測(cè)量發(fā)生了深刻的變化無(wú)需沖洗無(wú)需掃描為攝影測(cè)量應(yīng)急響應(yīng)提供了基礎(chǔ)無(wú)壓平誤差無(wú)顆粒噪聲為攝影測(cè)量高精度提供了基礎(chǔ)無(wú)需沖洗、無(wú)需掃描；無(wú)壓平誤差；無(wú)顆粒噪聲。數(shù)碼相機(jī)為多視覺攝影提供了實(shí)際的可能Twinviewmatchisanill-posedproblem,thereisnoredundancyineachobservation。（雙視圖匹配是一個(gè)病態(tài)的問(wèn)題，在每個(gè)觀察有沒有多余觀測(cè)值。）Multiviewmatch

隨著數(shù)字相機(jī)的應(yīng)用，大重疊度航空攝影已成為密集點(diǎn)云

匹配的發(fā)展方向多視匹配--增加匹配的可靠性左左中中右中右例如航向80％重疊，同一地物同時(shí)出現(xiàn)在5張影像上重疊度p與影像數(shù)n(同一地物出現(xiàn)的影像數(shù))大重疊度左右5

張影像旁向重疊為70％上下3

條不同航帶總數(shù)達(dá)3×5張影像15(5)攝影測(cè)量與智慧城市攝影測(cè)量為智慧城市提供基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)字《迪拜》6.攝影測(cè)量與嫦娥工程嫦娥一號(hào)首繪完整三維月球圖像為獲得三維月球圖像在“嫦娥一號(hào)”上安裝一臺(tái)三線陣相機(jī)三線陣相機(jī)三線陣相機(jī)的影像第一幅月面圖像局部區(qū)域的假彩色地形圖三個(gè)視角影像處理形成的數(shù)字高程模型圖正規(guī)影像與數(shù)字高程模型處理形成的正射影像圖正射影像與數(shù)字高程模型處理形成的數(shù)字高程色彩編碼地形圖航空三線陣相機(jī)——工作原理三條線——

三個(gè)眼睛的“視網(wǎng)膜”從不同的視點(diǎn)觀察物體(7)計(jì)算機(jī)的發(fā)展當(dāng)年，1978王之卓先生提出《全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)》當(dāng)時(shí)，我們使用的TQ16－－晶體管計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展為攝影測(cè)量開辟了難以預(yù)料的空間20世紀(jì)80年代NOVA3/1264K內(nèi)存10余萬(wàn)美金20世紀(jì)90年代SGI工作站64M內(nèi)存4萬(wàn)美金21世紀(jì)初PC機(jī)4G內(nèi)存<1萬(wàn)人民幣計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、集群處理，特別是