第3章攝影測量基礎(chǔ)知識

1、第三章第三章 攝影測量基礎(chǔ)知識攝影測量基礎(chǔ)知識v 3.1 航空攝影v 3.2 中心投影的基本知識v 3.3 航攝像片上特殊的點、線、面v 3.4 攝影測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)v 3.5 航攝像片上的內(nèi)、外方位元素v 3.6 像點的空間直角坐標(biāo)變換v 3.7 中心投影構(gòu)像方程v 3.8 航攝像片上的像點位移3.1 航空攝影航空攝影一、航空攝影前的準(zhǔn)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(jù)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、及航攝成果的驗收綜合法測圖長焦距窄角全能法測圖中焦距常角或?qū)捊瞧教沟貐^(qū)大比例尺測圖非平坦地區(qū)v綜合法測圖 【plan

2、imetric photo】指的是航空攝影和普通測量相結(jié)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)。v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(yán)格定義：Llm1攝影比例尺是像片的平均比例尺Hfm1攝影比例尺定義：航攝像片上影像線段的長地面上對應(yīng)線段的水平距離f : 攝影機主距 H：攝影航高，以攝區(qū)內(nèi)的平均高程面作為攝影基準(zhǔn)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(zhǔn)面或某一點的

3、高度均為相對航高。）3 3、攝影比例尺的選擇、攝影比例尺的選擇 攝影比例尺越大，像片地面的分辨率越攝影比例尺越大，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，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，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(jù)測繪地形圖的精所以，攝影比例尺要根據(jù)測繪地形圖的精度要求與獲取地面信息的需要來確定。度要求與獲取地面信息的需要來確定?？紤]因素：成圖比例尺、測圖方法、成考慮因素：成圖比例尺、測圖方法、成圖精度、經(jīng)濟性等因素，以及經(jīng)濟性和航圖精度、經(jīng)濟性等因素，以及經(jīng)濟性和航攝像片以后的使用可能性。攝像片以后的使用可能

4、性。航攝比例尺與成圖比例尺之間的關(guān)系：影像地面分辨率影像地面分辨率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(nèi)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)“馬賽克”圖案，影響成圖質(zhì)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(jīng)出現(xiàn)了地圖綜合，某些地物的表現(xiàn)已經(jīng)不能用符號表示，只能用點線面

5、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(chǔ)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(yán)格測繪地物的方式。 4 4、 攝影航高的確定攝影航高的確定航高：航攝飛機在攝影瞬間相對與地面的高度。航高：航攝飛機在攝影瞬間相對與地面的高度。l 相對航高：相對于某一基準(zhǔn)面或某一點的高度。相對航高：相對于某一基準(zhǔn)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。攝影航高：相對于攝區(qū)平均高程面的高度。l

6、 絕對航高：攝影瞬間攝影機物鏡中心相絕對航高：攝影瞬間攝影機物鏡中心相 對于平均海平面的航高對于平均海平面的航高fmH當(dāng)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(nèi)，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(dāng)一條航線不能覆蓋該地域的話，我們要飛機轉(zhuǎn)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，所以要求兩相鄰的照片要有重疊，重疊

7、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(guān)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(guān)系？想想：攝影基線和像片的重疊度有什么關(guān)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v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(zhì)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。v傾斜航空攝

8、影： 其像片傾角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(biāo)判讀特別有利。 豎豎直直航航空空攝攝影影豎直航空攝影包括：l 面積航空攝影：主要用于測繪地形圖，或進行大面積資源調(diào)查。在指定攝區(qū)內(nèi)布設(shè)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。 l 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。 l獨立地塊航空攝影：主要用于大型工程建設(shè)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 1、影像的色調(diào)、影像的色調(diào)影像清晰、色調(diào)一致、反差適中，無防礙測圖影像

9、清晰、色調(diào)一致、反差適中，無防礙測圖的陰影。的陰影。2 2、像片傾角、像片傾角像片傾斜角的要求，一般為像片傾斜角的要求，一般為2-32-3度之間。度之間。三、攝影測量生產(chǎn)對攝影資料的基本要求三、攝影測量生產(chǎn)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。v航向重疊度與旁向重疊度航向重疊：同一航線內(nèi)相鄰像片應(yīng)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(yīng)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1:1000

10、0，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、航線彎曲v航線彎曲：把一條航線內(nèi)的像片根據(jù)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 v航線彎曲度：一條航線內(nèi)各張像片主點至首尾兩張像主點連線的最大偏離度L5、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(biāo)連線之間的夾角像片旋角過大會像片旋角過大會減小立體相對的減小立體相對的有效觀察范圍有效觀察范圍6、對航高差的要求航高差：空中攝影時飛行航高的變化

11、量HH%5四、空中攝影質(zhì)量的評定（1）負片上影像是否清晰、框標(biāo)影像是否齊全、像幅四周指示器件的影像（如水準(zhǔn)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(rèn)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(shù)指標(biāo)。 3.2 3.2 中心投影的基本知識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

12、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(xué)影像和數(shù)碼影像的投影面分別是什么？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三、中心投影的正片位置與負片位置3.3 航攝像片上特殊的點、線、航攝像片上特殊的點、線、面面 航攝像片成像的過程是小孔成像，在解析幾何里已經(jīng)學(xué)過，

13、小孔成像其實就相當(dāng)于解析幾何中的透視變換。透視變換的特性v同素性：幾何元素的種類不發(fā)生變化。v互換性：像與物互為投影。v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。重要的點線面2、重要點、線滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系：sin2sin2HiVSJHtgCNHtgONfciSifctgoiftgocftgon 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(nèi)業(yè)測量轉(zhuǎn)化為內(nèi)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 3.4 攝影測量中常用的坐標(biāo)系攝影測量中常用的坐標(biāo)系攝影測

14、量中常用的坐標(biāo)系有兩大類： 一類是描述像點的位置，稱為像方坐標(biāo)系；一類用于描述地面點的坐標(biāo)，稱為物方坐標(biāo)系。 00yyyxxxpxyoxy像平面坐標(biāo)系：框標(biāo)坐標(biāo)系像主點坐標(biāo)系輔助點坐標(biāo)系:就是在框標(biāo)連線交點飛行方向的附近找一明顯的地物點，連接框標(biāo)連線交點和地物點作為x軸，按照右手系確定y，這個坐標(biāo)系不是我們攝影測量要用到的坐標(biāo)系，我們一般要通過內(nèi)定向的方法將它轉(zhuǎn)化到像主點坐標(biāo)系。應(yīng)用于比較低精度的像點坐標(biāo)的量測。主縱線坐標(biāo)系：根據(jù)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(biāo)系，所不同的是坐標(biāo)原點不一樣。（注意：以主縱線作為y軸，以主橫線為x軸

15、的坐標(biāo)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(biāo)系）xyoPsyzx-f為了進行像點的空間坐標(biāo)變換，需要建立起描述像點在像空間位置的坐標(biāo)系，既像空間坐標(biāo)系像空間輔助坐標(biāo)系S-uvw 像點的像空間坐標(biāo)系可以直接從像平面坐標(biāo)系得到，但由于各片的像空間坐標(biāo)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(biāo)系，稱為像空間輔助坐標(biāo)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(biāo)系D-XYZ，右手直角坐標(biāo)系。oSu (x)w (z)v (y)o1S1u wv S2BTYtXtZt設(shè)立原因：設(shè)立原因：攝影測量坐標(biāo)系采用的是右手系，而地面測量攝影測量坐標(biāo)系采用的是右手系，而地

16、面測量坐標(biāo)系采用的是左手系，這給由攝影測量坐標(biāo)到地面測量坐標(biāo)系采用的是左手系，這給由攝影測量坐標(biāo)到地面測量坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換帶來了困難。為此，在攝影測量坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換帶來了困難。為此，在攝影測量坐標(biāo)系與地面測量坐標(biāo)系之間建立一種過渡性的坐標(biāo)系，稱為地面攝影測量坐標(biāo)系之間建立一種過渡性的坐標(biāo)系，稱為地面攝影測量坐標(biāo)系。測量坐標(biāo)系。地面攝影測量坐標(biāo)系地面攝影測量坐標(biāo)系：其坐標(biāo)原點在測區(qū)內(nèi)的某一地面其坐標(biāo)原點在測區(qū)內(nèi)的某一地面點上，點上，X X軸與航線方向大致一致，但為水平軸與航線方向大致一致，但為水平Z Z鈾鉛垂，構(gòu)鈾鉛垂，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。成右手直角坐標(biāo)系。3.5 航攝像片的內(nèi)、外方位元素航攝

17、像片的內(nèi)、外方位元素xypSfox0y0像片內(nèi)方位元素的作用：建立起來的攝影光束與攝影時的光束相似XYZASXsYsZs2、外方位角元素、外方位角元素 轉(zhuǎn)角的正負號，國際規(guī)定繞軸逆時針旋轉(zhuǎn)為正（從旋轉(zhuǎn)軸的正向的一端面對著坐標(biāo)原點看），反之為負。我國習(xí)慣規(guī)定航向傾角順時針方向旋轉(zhuǎn)為正， 、 角逆時針方向旋轉(zhuǎn)為正。1）以v軸為主軸的、 、 XYZAXsYsZsOOxuvwNS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 在解析攝影測

18、量中，為了利用像點坐標(biāo)計算相應(yīng)的地面點坐標(biāo)，首先要建立像點在不同的空間坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，我們主要介紹像點在像空間坐標(biāo)系與像空間輔助坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，也稱為像點空間直角坐標(biāo)的像點空間直角坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換。旋轉(zhuǎn)變換。 由高等數(shù)學(xué)知道，空間直角坐標(biāo)變換是正交變換，一個坐標(biāo)系按照某種順序依次的旋轉(zhuǎn)三個角度即可變換為另一個同原點的坐標(biāo)系。3.6 像點坐標(biāo)變換像點坐標(biāo)變換fyxcccbbbaaafyxRRRZYX321321321a1 = coscos - sinsinsina2 = -cossin sinsincosa3 = -sincosb1= cossinb2 = coscos b3 =

19、-sinc1 = sincos+ cossinsinc2 = -sinsin + cossincosc3 = coscos 3）以w軸為主軸的Av系統(tǒng)的坐標(biāo)變換3213213211000cossin0sincoscossin0sincos00011000cossin0sincoscccbbbaaavvvvAAAARRRRvAfyxRfyxRRRZYXvAxyozxysuvw1、像點的空間坐標(biāo)變換fyxcccbbbaaafyxRwvu321321321wvucbacbacbawvuRwvuRfyxT33322211111）以、系統(tǒng)表示方向余弦S-uvw繞v軸旋轉(zhuǎn)角到S-XYZZYXZYXRwvu

20、cos0sin010sin0cosXZauv (Y)wS2 、方向余弦的確定S-XYZ繞X軸旋轉(zhuǎn)角到S-XYZ1000cossin0sincosXXXYRYYZZZY ZaXYZSS-XYZ繞Z軸旋轉(zhuǎn)角到S-XYZ(s-xyz)cossin0sincos0001XxxYRyyZffZYX SXYuxxvR R RyRywff 3213213211000cossin0sincoscossin0sincos0001cos0sin010sin0coscccbbbaaaRRRR2）以u軸為主軸的，、，、，系統(tǒng)的坐標(biāo)變換fyxRfyxRRRwvuZYXRwvucossin0sincos0001RvwSu

21、YZaZYXRZYXcos0sin010sin0cosRaXZXZSY ZYXRZYX1000cossin0sincosRXYXz SYa3213213211000cossin0sincoscos0sin010sin0coscossin0sincos0001cccbbbaaaRRRRa1 = coscosa2 = -cossin a3 = -sinb1= cossin sin sincos b2 = coscos+ sin sinsin b3 = -sin cosc1 = sinsin+ cossincosc2 = sincos- cossinsinc3 = coscos 3）以w軸為主軸的A

22、v系統(tǒng)的坐標(biāo)變換3213213211000cossin0sincoscossin0sincos00011000cossin0sincoscccbbbaaavvvvAAAARRRRvAfyxRfyxRRRwvuvAa1 = 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(gòu)像方程一、公式推導(dǎo)(Xs, Ys, Zs)1SASASAZZwYYvXXufyxcccbbbaaafyxRwvu321321321fyxcccbbbaaaZZYYXXSSS3213213211SSSZZYYXXwvu1SSSSSSSSS