《攝影測(cè)量坐標(biāo)系》課件

攝影測(cè)量坐標(biāo)系攝影測(cè)量坐標(biāo)系是攝影測(cè)量中使用的坐標(biāo)系，用于描述目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。它通常基于地球橢球體，并通過(guò)投影變換將三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維圖像坐標(biāo)。內(nèi)容提要坐標(biāo)系概述介紹攝影測(cè)量中使用的坐標(biāo)系。相機(jī)坐標(biāo)系描述相機(jī)鏡頭的位置和方向。地面坐標(biāo)系表示地面上的點(diǎn)的位置。投影關(guān)系解釋不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。坐標(biāo)系概述坐標(biāo)系是攝影測(cè)量中描述空間位置和方向的基準(zhǔn)。它是定義空間點(diǎn)位置的數(shù)學(xué)框架，為不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換提供依據(jù)。攝影測(cè)量中常用坐標(biāo)系包括相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系。相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于相機(jī)的光心，即透鏡的中心。X軸X軸與相機(jī)光軸平行，指向相機(jī)前方。Y軸Y軸垂直于相機(jī)光軸，指向相機(jī)右側(cè)。Z軸Z軸垂直于X軸和Y軸，指向相機(jī)上方。圖像坐標(biāo)系圖像坐標(biāo)系是二維平面直角坐標(biāo)系，用于描述圖像上的點(diǎn)的位置。圖像坐標(biāo)系以圖像的左上角為原點(diǎn)，x軸水平向右，y軸垂直向下。圖像坐標(biāo)系是攝影測(cè)量中常用的坐標(biāo)系，用于記錄圖像上的點(diǎn)的位置信息。地面坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系使用經(jīng)度和緯度來(lái)定義地球表面上的位置。平面直角坐標(biāo)系將地球表面投影到平面，使用X軸和Y軸來(lái)表示位置。高程坐標(biāo)系使用高程值來(lái)表示點(diǎn)相對(duì)于參考面的高度。投影關(guān)系相機(jī)投影相機(jī)鏡頭將三維世界中的物體投影到二維圖像平面上。這個(gè)過(guò)程類似于用投影儀將圖片投射到屏幕上。航空攝影投影航空攝影中，相機(jī)以一定高度拍攝地面，將三維地物投影到二維照片上。不同的航空攝影方式會(huì)產(chǎn)生不同的投影關(guān)系，例如正射投影、傾斜投影。數(shù)字?jǐn)z影投影數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，使用數(shù)字相機(jī)進(jìn)行攝影，并利用軟件進(jìn)行圖像處理和三維重建。數(shù)字相機(jī)采用不同的投影模型，如透視投影、正射投影等。航空攝影測(cè)量中的投影關(guān)系1影像航空攝影得到的影像2攝影機(jī)航空攝影使用的攝影機(jī)3地面被攝影的地面航空攝影測(cè)量中，影像、攝影機(jī)和地面之間存在著一定的投影關(guān)系。由于攝影機(jī)在空中飛行時(shí)，其位置和姿態(tài)不斷變化，因此影像與地面之間的投影關(guān)系也是不斷變化的。投影關(guān)系是航空攝影測(cè)量中非常重要的一個(gè)概念，它決定了影像與地面之間的幾何關(guān)系，是進(jìn)行影像測(cè)量和三維重建的基礎(chǔ)。數(shù)字圖像測(cè)量中的投影關(guān)系1透視投影攝像機(jī)鏡頭通過(guò)透視投影將三維世界映射到二維圖像平面，圖像平面上的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于三維世界中的點(diǎn)。2幾何模型數(shù)字圖像測(cè)量中，采用幾何模型描述攝影測(cè)量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。3參數(shù)求解通過(guò)對(duì)圖像中控制點(diǎn)的測(cè)量和計(jì)算，求解投影參數(shù)，建立圖像坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的關(guān)系。內(nèi)定向定義內(nèi)定向是指確定相機(jī)內(nèi)部幾何參數(shù)的過(guò)程，這些參數(shù)描述了相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成像特性。意義通過(guò)內(nèi)定向，可以建立相機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的精確關(guān)系，為后續(xù)的影像測(cè)量和三維重建奠定基礎(chǔ)。參數(shù)內(nèi)定向參數(shù)包括焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)和畸變系數(shù)等，這些參數(shù)決定了相機(jī)成像的幾何模型。內(nèi)定向的定義相機(jī)內(nèi)部參數(shù)內(nèi)定向是指確定相機(jī)內(nèi)部幾何參數(shù)的過(guò)程。這些參數(shù)描述了相機(jī)鏡頭和圖像傳感器之間的相對(duì)位置。幾何關(guān)系內(nèi)定向建立了相機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系，為后續(xù)的坐標(biāo)變換提供了基礎(chǔ)。內(nèi)定向的幾何意義內(nèi)定向是指確定相機(jī)內(nèi)部幾何參數(shù)的過(guò)程。通過(guò)內(nèi)定向，可以建立相機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。內(nèi)定向的幾何意義在于將圖像上的點(diǎn)與相機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)建立聯(lián)系，為后續(xù)的外定向和空間坐標(biāo)變換提供基礎(chǔ)。內(nèi)定向參數(shù)11.焦距焦距是相機(jī)鏡頭的重要參數(shù)，它決定了影像的放大倍率。22.主點(diǎn)坐標(biāo)主點(diǎn)坐標(biāo)是指鏡頭光軸與像平面交點(diǎn)的坐標(biāo)，是影像幾何中心的重要參考。33.畸變系數(shù)畸變系數(shù)反映了鏡頭成像的非線性誤差，主要包括徑向畸變和切向畸變。44.其他參數(shù)其他參數(shù)還包括像元大小、傳感器尺寸等，它們共同影響著影像的幾何精度。內(nèi)定向的確定方法1測(cè)量精確測(cè)量相機(jī)內(nèi)部參數(shù)2標(biāo)定利用標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定3計(jì)算使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)4驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)精度內(nèi)定向過(guò)程通常需要使用專門的標(biāo)定設(shè)備，例如標(biāo)定板或三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，可以得到相機(jī)的內(nèi)方位元素，例如焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)和畸變系數(shù)等。內(nèi)定向參數(shù)的精度直接影響著攝影測(cè)量的精度，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和校準(zhǔn)。外定向定義外定向是指確定相機(jī)在拍攝時(shí)刻的空間位置和姿態(tài)的過(guò)程。幾何意義將相機(jī)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系建立聯(lián)系，確定相機(jī)在拍攝時(shí)刻的空間方位。參數(shù)外定向參數(shù)包括三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，共六個(gè)參數(shù)。確定方法通過(guò)地面控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，確定相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于地面坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。外定向的定義11.相機(jī)位置外定向是指確定相機(jī)在拍攝瞬間的空間位置和姿態(tài)。22.相機(jī)姿態(tài)相機(jī)姿態(tài)是指相機(jī)在空間中的方向，通常用三個(gè)角度來(lái)描述。33.坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換外定向可以將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)圖像與現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)關(guān)系。外定向的幾何意義外定向是指將攝影像機(jī)在攝影時(shí)所處的位置和姿態(tài)確定下來(lái)。它決定了影像空間位置和方向。通過(guò)外定向參數(shù)，可以將影像上的點(diǎn)與地面點(diǎn)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是攝影測(cè)量中重要的環(huán)節(jié)。外定向參數(shù)旋轉(zhuǎn)參數(shù)描述相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。平移參數(shù)描述相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于地面坐標(biāo)系原點(diǎn)的平移關(guān)系。比例尺參數(shù)描述圖像坐標(biāo)與地面坐標(biāo)之間的比例關(guān)系。外定向的確定方法1直接線性變換法直接利用影像坐標(biāo)和地面坐標(biāo)建立線性關(guān)系，解算外方位元素。2共線方程法利用攝影機(jī)、像點(diǎn)和地面點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，建立共線方程組，解算外方位元素。3空間后方交會(huì)法利用多幅影像的幾何關(guān)系，通過(guò)空間后方交會(huì)，確定攝影機(jī)的空間位置和姿態(tài)。4其他方法包括最小二乘法、卡爾曼濾波等方法，可用于提高外定向精度。坐標(biāo)變換圖像坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系圖像坐標(biāo)系是二維平面坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系是三維空間坐標(biāo)系，需要將圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。相機(jī)坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系相機(jī)坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系是不同的坐標(biāo)系，需要通過(guò)外方位元素進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。從圖像坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系1圖像坐標(biāo)系圖像坐標(biāo)系是以像點(diǎn)為原點(diǎn)，以像主點(diǎn)為坐標(biāo)中心，以像主點(diǎn)與像點(diǎn)連線方向?yàn)閤軸方向，與x軸垂直的方向?yàn)閥軸方向。2相機(jī)坐標(biāo)系相機(jī)坐標(biāo)系是以相機(jī)光心為原點(diǎn)，以相機(jī)光心到像主點(diǎn)的連線方向?yàn)閦軸方向，與z軸垂直且與x軸平行方向?yàn)閤軸方向。3坐標(biāo)變換通過(guò)內(nèi)方位元素將圖像坐標(biāo)系中的像點(diǎn)坐標(biāo)變換到相機(jī)坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)。從相機(jī)坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣使用旋轉(zhuǎn)矩陣將相機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到地面坐標(biāo)系中。平移向量使用平移向量將旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)平移到地面坐標(biāo)系原點(diǎn)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將相機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系中的點(diǎn)。綜合坐標(biāo)變換過(guò)程1圖像坐標(biāo)系圖像平面上的點(diǎn)坐標(biāo)2相機(jī)坐標(biāo)系相機(jī)光心為原點(diǎn)3地面坐標(biāo)系地面上的點(diǎn)坐標(biāo)綜合坐標(biāo)變換將圖像坐標(biāo)系上的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地面坐標(biāo)系上，需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：首先將圖像坐標(biāo)系上的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到相機(jī)坐標(biāo)系上，然后將相機(jī)坐標(biāo)系上的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地面坐標(biāo)系上。坐標(biāo)變換的應(yīng)用實(shí)例坐標(biāo)變換在攝影測(cè)量中至關(guān)重要，它將圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三維空間信息的獲取。例如，在航空攝影測(cè)量中，通過(guò)坐標(biāo)變換可以將航空照片上的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地形圖制作、三維模型重建等應(yīng)用。地形圖制作三維模型重建攝影測(cè)量中的坐標(biāo)系應(yīng)用地形測(cè)繪利用攝影測(cè)量技術(shù)獲取地面高程數(shù)據(jù)，創(chuàng)建數(shù)字高程模型，用于地形圖制作和工程建設(shè)。三維模型重建將多張照片的信息整合，生成三維模型，用于城市規(guī)劃、文物保護(hù)、考古研究等領(lǐng)域?？臻g信息提取通過(guò)影像分析和解譯，提取土地利用、植被覆蓋、水體分布等信息，用于資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等。航空攝影測(cè)量中的坐標(biāo)系應(yīng)用地形圖測(cè)繪航空攝影測(cè)量可以用于生成高精度地形圖。利用航空攝影數(shù)據(jù)，可以獲取地面特征的精確三維坐標(biāo)，并生成數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）。城市規(guī)劃航空攝影測(cè)量可以幫助城市規(guī)劃師了解城市發(fā)展情況，進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。例如，利用航空攝影數(shù)據(jù)，可以生成城市三維模型，用于城市規(guī)劃和土地利用管理。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的坐標(biāo)系應(yīng)用1三維模型重建數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量通過(guò)多幅圖像的幾何關(guān)系，構(gòu)建真實(shí)世界的三維模型，在城市規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。2目標(biāo)定位利用圖像信息和坐標(biāo)系變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)定位，廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、資源調(diào)查等領(lǐng)域。3變化監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期的圖像數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)目標(biāo)的變化情況，例如地質(zhì)災(zāi)害、土地利用變化等。4場(chǎng)景理解將圖像信息與空間信息結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的理解，在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域有重要作用。小結(jié)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換攝影測(cè)量中，不同坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，需要準(zhǔn)確理解各個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。參數(shù)確定內(nèi)定向參數(shù)和外定向參數(shù)是攝影測(cè)量