第9章-像片糾正與正射影像圖

1、 數(shù)數(shù) 字字 攝攝 影影 測測 量量 第九章 像片糾正與正射影像圖9.1 數(shù)字微分糾正一、像片糾正的概念 像片平面圖或正射影像圖是地圖的一種，它是用像片上的影像表示地物的形狀和平面位置的地圖形式。利用中心投影的航攝像片編制像片平面圖或正射影像圖，是將中心投影轉(zhuǎn)變?yōu)檎渫队暗膯栴}。 當(dāng)像片水平且地面為水平的情況下，航攝像片就相當(dāng)于該地區(qū)比例尺為1：M(=f/H) 的平面（正射影像）圖。 將豎直攝影的航攝像片通過投影變換，消除像片傾斜引起的像點位移，并限制或消除地形起伏引起的像點位移，獲得相當(dāng)于航攝像機物鏡主光軸在鉛垂位置攝影的水平像片，同時改化規(guī)定的成圖比例尺，這種作業(yè)過程稱為像片糾正。 主要是

2、單張像片的像片糾正。（一）.光學(xué)機械糾正 對平坦地區(qū)像片，在光學(xué)糾正儀上經(jīng)透視投影變換實現(xiàn)糾正的技術(shù)。 理論上，只有真正平坦的地面所拍攝的航攝像片才適合于糾正，但實際作業(yè)時，任一點在規(guī)定比例尺的底圖上所產(chǎn)生的投影差h不超過0.4mm，就可采用光學(xué)機械糾正方法。在一張糾正像片的作業(yè)面積內(nèi)，如果任何像點的投影差都不超過此數(shù)值，這樣的地區(qū)就稱為平坦地區(qū)。 只要把傾斜誤差設(shè)法消除，即使忽略了投影誤差影響（實際上是限制在某一微小范圍內(nèi)）也依然能保證成圖精度。 像片上不同高度的點，應(yīng)分別選擇不同高度的投影面而進(jìn)行糾正，才能完全消除投影差。 二、像片糾正的原理與分類MHH像片糾正的概念S SA AB BC

3、CD D0A0B0C0D0a0b0c0dEa ab bc cd dP P原始水平像片（主距f，比例尺1/m）p上，所得正射像片（比例尺1/M）上，若取 h0.4（mm) （按地形圖精度）則有 h= 0.0004 (m) 得 高差限制 （m)HrhhhfMrMmhhrfMrfMhQ0008.021、平坦地區(qū)的高差限制、平坦地區(qū)的高差限制h為任一點在規(guī)定比例尺的底圖（正射像片（比例尺1/M） ）上所產(chǎn)生的投影差()hhHrRRmhhffH h ：向徑：向徑-象點到象主點象點到象主點o間間的距離的距離h：與某一平面的高差距：與某一平面的高差距-地形地形高差高差H：航高：航高-從基準(zhǔn)面算起的相從基準(zhǔn)面

4、算起的相對航高對航高R為任一點在地面對應(yīng)產(chǎn)生為任一點在地面對應(yīng)產(chǎn)生的投影差的投影差h= a0a對于投影差超過上述數(shù)值且屬丘陵地區(qū)，可以采用分帶糾正的方法，就是根據(jù)像片使用范圍內(nèi)的高差，將其分為不同高度的若干個帶，對不同高度的帶，分別采用不同的糾正比例尺，分別進(jìn)行糾正，使每一帶的所有點在底圖上的投影差都不會超過規(guī)定的0.4mm。 對山地的航攝像片采用光學(xué)微分糾正的方法。 2、光學(xué)機械糾正特點：、光學(xué)機械糾正特點：使用光學(xué)糾正儀作業(yè)；適用于平坦地區(qū)的影像作業(yè)；整張像片經(jīng)透視投影變換一次完成糾正；投影曬印得到的規(guī)定比例尺的正射影像分辨率高。 3 3、透視變換糾正所需的控制點及儀器自由度透視變換糾正所

5、需的控制點及儀器自由度 平坦地區(qū)的中心投影構(gòu)像方程式（透視變換）為：118765487321YAXAAYAXAyYAXAAYAXAx糾正對點糾正對點：在糾正儀上，運動在糾正儀上，運動儀器自由度，使像片控制點在儀器自由度，使像片控制點在承影面上的投影與圖底上相應(yīng)承影面上的投影與圖底上相應(yīng)點位重合，解算點位重合，解算8個參數(shù)（自個參數(shù)（自由度），建立像片與圖底透視由度），建立像片與圖底透視關(guān)系的技術(shù)過程。關(guān)系的技術(shù)過程。 在模擬攝影測量年代，都是通過所謂的在模擬攝影測量年代，都是通過所謂的“糾正儀糾正儀”來求解這八個參數(shù)，以來求解這八個參數(shù)，以實現(xiàn)像片糾正，其做法是選取至少四個地面控制點，將這些控

6、制點按照圖比例實現(xiàn)像片糾正，其做法是選取至少四個地面控制點，將這些控制點按照圖比例尺刺在圖底上，然后通過人工移動，旋轉(zhuǎn)圖底以及一些機械動作使得四個以上尺刺在圖底上，然后通過人工移動，旋轉(zhuǎn)圖底以及一些機械動作使得四個以上圖底點與其所對應(yīng)的像點完全重合，此時便實現(xiàn)了像片糾正。圖底點與其所對應(yīng)的像點完全重合，此時便實現(xiàn)了像片糾正。Z-ZS=-H4 4、糾正儀上糾正對點技術(shù)、糾正儀上糾正對點技術(shù)糾正儀：糾正儀：通過透視投影變換實現(xiàn)像片糾正的專門光學(xué)儀器。投影縮放方向傾斜承影面方向傾斜承影面方向平移像片方向平移像片或投影縮放承影面傾斜方向平移像片方向平移像片像片轉(zhuǎn)換儀器的自由度為vyxyxxxvyyxx

7、kEyExppepp在糾正儀上，運動儀器自由度，使像片控制點在承影面上的投影與圖底上相應(yīng)點位重合，建立像片與圖底透視關(guān)系的技術(shù)過程。1 1）、像片平面圖的制作）、像片平面圖的制作a、圖底準(zhǔn)面繪制圖底；按圖比例尺展繪控制點A、B、C、D；整飾b、糾正對點使像片上a、b、c、d點的投影與A、B、C、D重合誤差0.4mmc、投影曬像承影面上放上像紙，經(jīng)曝光、攝影處理后得到按成圖比例尺的正射像片d、像片鑲嵌若干張正射像片割去重疊部分，按圖幅拼接成像片平面圖2 2）、像片平面圖的質(zhì)量評定）、像片平面圖的質(zhì)量評定影像清晰、色調(diào)均勻、反差適中鑲嵌線密合（無影像重復(fù)或丟失）整飾、注記完整控制點上糾正對點誤差0

8、.4mm鑲嵌線上地物銜接誤差 1mm光學(xué)鑲嵌切割鑲嵌方法上5、像平面圖的制作過程、像平面圖的制作過程s sZ ZD DX XY YXAXAYAYAZAZAXAXA小面元小面元P P（二）、光學(xué)微分糾正（也稱之為正射投影技術(shù)） 對于所有點在底圖上的投影差超過規(guī)定的0.4mm且屬山地的航攝像片，可采取一定程度的近似，即使用一小塊面積作為一個糾正單元進(jìn)行糾正，這種糾正方法稱為光學(xué)微分糾正，又稱為正射投影技術(shù)。即： 對山地影像，在正射投影儀上，將影像分解成小面元的集合，以小面元為糾正單元，按小面元的斷面高程來控制糾正元素，經(jīng)投影變換實現(xiàn)糾正的技術(shù)。通常由立體測圖儀提供（小面元a 對應(yīng)的)地面單元物方坐

9、標(biāo)A(X,Y,Z），由已建立的物像關(guān)系保證A，a對應(yīng)，根據(jù)（X,Y）及像片上小面元a內(nèi)的影像灰度，依比例尺曬印出正射影像。光學(xué)微分糾正特點光學(xué)微分糾正特點：使用正射投影儀作業(yè)；適用于起伏地區(qū)（消除傾斜位移及高差位移）；作業(yè)依賴于立體測圖儀或DEM提供的地面幾何模型；成果為逐面元曬印得到規(guī)定比例尺的正射影像（三）、數(shù)字糾正對各類地區(qū)，在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上，以數(shù)字圖像的像元為糾正單元，根據(jù)已建立的物像關(guān)系及DEM，逐像元的經(jīng)數(shù)字投影變換實現(xiàn)糾正的技術(shù)。數(shù)字糾正的特點：使用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)作業(yè)；適用于各類地區(qū)，是逐像元的嚴(yán)格糾正；作業(yè)所需DEM可在同一系統(tǒng)中自動生成；成果為數(shù)字正射影像。1、數(shù)字微分

10、糾正的基本原理數(shù)字糾正: 像素的幾何位置和灰度 x = fx (X，Y) ； y = fy (X，Y) X = x (x，y)； Y = y (x，y) 反解法數(shù)字微分糾正與光學(xué)微分糾正一樣，是實現(xiàn)兩個二維圖像之間的幾何變換 正解法 在在已知像片內(nèi)定向參數(shù)，外方位元素以及數(shù)字高程模型的前提已知像片內(nèi)定向參數(shù)，外方位元素以及數(shù)字高程模型的前提下下，按一定的數(shù)學(xué)模型用控制點解算，按一定的數(shù)學(xué)模型用控制點解算2、反解法（間接法）數(shù)字微分糾正在已知像片內(nèi)定向參數(shù)，外方位元素以及數(shù)字高程模型的前提下，可以進(jìn)行數(shù)字微分糾正的反解算法，其步驟如下：（1）首先，按照圖比例尺的要求將作業(yè)范圍內(nèi)的地面模型格網(wǎng)的間

11、隔X和Y的值重新確定，根據(jù)地面模型格網(wǎng)縮小圖比例尺大小，即可得到糾正影像的格網(wǎng)。（2）、計算地面點坐標(biāo)設(shè)正射影像上任意一點（象素中心）P的坐標(biāo)為(X,Y)。由正射影像左下角圖廓點坐標(biāo)(X0,Y0)與正射影像比例尺分母M，計算P點所對應(yīng)的地面坐標(biāo)(X,Y)。X X0 + M X Y Y0 + M Y DEM(X0,Y0) （3）、計算像點坐標(biāo)(x,y)或像點掃描坐標(biāo)（I，J） )()()()()()()()()()()()(33322203331110ssssssssssssZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxxDEM(X0,Y0)應(yīng)用共線方程求解原

12、始圖像上相應(yīng)像點坐標(biāo)(x,y)：式中，Z是P點的高程，由DEM內(nèi)插得到。需要注意的是這里算得的坐標(biāo)不是以行列號表示的掃描坐標(biāo)，因此還應(yīng)由內(nèi)定向?qū)呙枳鴺?biāo)轉(zhuǎn)換為原始圖像的像點坐標(biāo)。在所有理論討論中均取用像片坐標(biāo)系中的像點坐標(biāo)值在所有理論討論中均取用像片坐標(biāo)系中的像點坐標(biāo)值x、y。原始數(shù)字影像像元素的位置是以原始數(shù)字影像像元素的位置是以“掃描坐標(biāo)系掃描坐標(biāo)系”行行J（步進(jìn)方向）、列（步進(jìn)方向）、列I（掃描方向）為計量，為此，應(yīng)利用像片坐標(biāo)與掃描坐標(biāo)之關(guān)系，求得（掃描方向）為計量，為此，應(yīng)利用像片坐標(biāo)與掃描坐標(biāo)之關(guān)系，求得相應(yīng)的掃描坐標(biāo)相應(yīng)的掃描坐標(biāo)I、J，也可直接由，也可直接由X、Y、Z求解求解I

13、、J。由于在象片掃描。由于在象片掃描的數(shù)字化過程中，其掃描坐標(biāo)系一般只是大致平行于象片坐標(biāo)系，所以的數(shù)字化過程中，其掃描坐標(biāo)系一般只是大致平行于象片坐標(biāo)系，所以同一點的象片坐標(biāo)同一點的象片坐標(biāo)x、y與其掃描坐標(biāo)與其掃描坐標(biāo)I、J不相等。由于影像數(shù)字化過程不相等。由于影像數(shù)字化過程中可能產(chǎn)生的仿射變形，所以由下式中可能產(chǎn)生的仿射變形，所以由下式fJJIInnmmZZYYXXcbacbacbafyyxxSSS0021213332221110010000得到： 11111098765111094321ZLYLXLLZLYLXLJZLYLXLLZLYLXLI式中的系數(shù)式中的系數(shù)L1、L2L11是內(nèi)定向

14、是內(nèi)定向參數(shù)參數(shù)m1、m2、n1、n2，像主點坐標(biāo)，像主點坐標(biāo)I0、J0，旋轉(zhuǎn)矩陣元素，旋轉(zhuǎn)矩陣元素ai、bi、ci以及攝站以及攝站坐標(biāo)坐標(biāo)XS、YS、ZS的函數(shù)。的函數(shù)。 根據(jù)上式即可由糾正后影像坐標(biāo)根據(jù)上式即可由糾正后影像坐標(biāo)X、Y、Z直接獲得數(shù)字化影像的像元素掃直接獲得數(shù)字化影像的像元素掃描坐標(biāo)描坐標(biāo)I、J。（4）、灰度內(nèi)插（插值） 由于所求得的原始圖像上的像點坐標(biāo)不一定正好落在其掃描采樣的點子上，以此，這個像點的灰度值不能直接讀出，必須進(jìn)行灰度內(nèi)插，一般采用雙線性內(nèi)插方法求得像點p的灰度值g(x,y)。 優(yōu)點優(yōu)點：由于此法是從輸出的某一個有規(guī)律的數(shù)字地面模型的：由于此法是從輸出的某一個

15、有規(guī)律的數(shù)字地面模型的節(jié)點（節(jié)點（X，Y）出發(fā)，反算其相應(yīng)的輸入影像點的點位（）出發(fā)，反算其相應(yīng)的輸入影像點的點位（x，y），），此時數(shù)字地面模型上的節(jié)點高程此時數(shù)字地面模型上的節(jié)點高程Z是已知的，故可以直接使用。是已知的，故可以直接使用。 缺點缺點：由于反算而得的在原始影像上的象元素，一般不會正：由于反算而得的在原始影像上的象元素，一般不會正好落在其掃描采樣的點子上，則這點的灰度值不能直接讀取，好落在其掃描采樣的點子上，則這點的灰度值不能直接讀取，還需進(jìn)行內(nèi)插求得，這個過程叫重采樣。最后進(jìn)行賦值。還需進(jìn)行內(nèi)插求得，這個過程叫重采樣。最后進(jìn)行賦值。（5）、灰度賦值）、灰度賦值 最后將原始圖像上

16、像點最后將原始圖像上像點p的灰度值賦給糾正后的正射影像上相的灰度值賦給糾正后的正射影像上相應(yīng)的像元素應(yīng)的像元素P， 即即G(X,Y)=g(x,y) 依次對每個糾正像元素進(jìn)行上述運算，即能獲得糾正的數(shù)字依次對每個糾正像元素進(jìn)行上述運算，即能獲得糾正的數(shù)字圖像，該方法稱之為數(shù)字微分糾正的反解算法。圖像，該方法稱之為數(shù)字微分糾正的反解算法。反解法解算流程XY糾正影像原始影像xy灰度內(nèi)插反算3、正解法（直接法）數(shù)字微分糾正fcycxcfbybxbZYfcycxcfayaxaZX321321321321原始影像正射影像Z?對于單張未知外方位元素的航攝像片而言， a. 進(jìn)行單張像片空間后方交會：即根據(jù)一張

17、航攝像片上不在一條直線上的三個以上已知點的地面坐標(biāo)，建立攝影中心、像方點、地物點三點共線的共線方程計算該像片6個外方位元素。)()()()()()()()()()()()(33322203331110SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx b. 量測像點坐標(biāo)（x、y） c. 取一高程近似值Z。 d. 將（x、y）及Z，代入共線方程式，計算出地面平面坐標(biāo)近似值（X1，Y1）。e. 將（X1、Y1）及DEM內(nèi)插出高程Z1。f. 重復(fù)（d、e）兩步驟，直至（Xi+1,Yi+1,Zi+1）與（Xi,Yi,Zi）之差小于給定的限差。用

18、單張像片與DEM制作正射影像是一個迭代求解過程 fcycxcfbybxbZYfcycxcfayaxaZX321321321321g. 灰度賦值灰度賦值 最后將原始圖像上像點最后將原始圖像上像點p的灰度值賦給糾正后的正射影像上相的灰度值賦給糾正后的正射影像上相應(yīng)的像元素應(yīng)的像元素P， 即即G(X,Y)=g(x,y) 對于這樣所取點的高程Zp必須用一種方法獲得，一般是通過在規(guī)則點位的數(shù)字地面模型中內(nèi)插而得。優(yōu)點：可以直接使用磁帶上并存儲在一組存儲地址內(nèi)的象元素。缺點：它輸出的糾正后的象點不保持為等距離間隔的點子，為非規(guī)則排列，有的像元素內(nèi)可能空白（無像點），有的可能重復(fù)（多個像點），因此難以實現(xiàn)灰

19、度內(nèi)插獲得規(guī)則排列的糾正數(shù)字影像。 Zp是Xp和Yp的函數(shù)，所以需逐漸趨近。正解法實際上是由一個二維圖像（x，y）變換到三維空間（X，Y，Z）的過程。正解法解算流程xy XY原始影像糾正影像 非規(guī)則排列的 二維圖像 三維空間 迭代求解正解法正解法缺點4、數(shù)字糾正實際解法以“面元素”作為“糾正單元” )()()(1),()()()(1),(3421234212ijyjyinyjniyjninnjiyijxjxinxjnixjninnjix反算公式計算該糾正單元4個“角點”的像點坐標(biāo)，而糾正單元內(nèi)的坐標(biāo)則用雙線性內(nèi)插求得；求得像點坐標(biāo)后，再由灰度雙線性內(nèi)插求其灰度值。三、 航測綜合法測圖 國家平高

20、控制 像片聯(lián)測 航空攝影控制點加密 像片糾正制作 像片平面圖 像片平面圖調(diào)繪及 地貌測繪（外業(yè)） 制作影像地形圖綜合法測圖作業(yè)流程綜合法測圖作業(yè)流程1、適用于地面較平坦的地區(qū)；2、相對經(jīng)緯儀測量方法而言，綜合法作業(yè)速度快，勞動強度低；3、相對立體測圖方法而言，綜合法仍有二次外業(yè)，作業(yè)效率不高（是攝影測量方法與經(jīng)緯儀測量方法相結(jié) 合的作業(yè)方式）；9.2 數(shù)字正射影像圖的制作方法 n 數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）是以航攝像片或遙感影像(單色彩色)為基礎(chǔ)，經(jīng)掃描處理并經(jīng)逐像元進(jìn)行輻射改正、微分糾正和鑲嵌，按地形圖范圍裁剪成的影像數(shù)據(jù)。并將地形要素的信息以符號

21、、線畫、注記、公里格網(wǎng)、圖廓(內(nèi)外)整飾等形式填加到該影像平面上，形成以柵格數(shù)據(jù)形式存儲的影像數(shù)據(jù)庫。n它具有地形圖的幾何精度和影像特征。n數(shù)字正射影像圖具有精度高、信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)實性強等優(yōu)點。n可作為背景控制信息評價其他數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)實性和完整性；可從中提取自然信息和人文信息，并派生出新的信息和產(chǎn)品，為地形圖的修測和更新提供良好的數(shù)據(jù)和更新手段。n由于獲取制作正射影像的數(shù)據(jù)源不同，以及技術(shù)條件和設(shè)備的差異，所以，數(shù)字正射影像圖的制作有多種方法9.2 數(shù)字正射影像圖的制作方法1全數(shù)字?jǐn)z影測量方法 通過數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)來實現(xiàn)，即對數(shù)字影像對進(jìn)行內(nèi)定向、相對定向、絕對定向后，形成DEM，按

22、反解法（間接法）做單元數(shù)字微分糾正，將單片正射影像進(jìn)行鑲嵌，最后按圖廓線裁切得到一幅數(shù)字正射影像圖，并進(jìn)行地名注記、公里格網(wǎng)和圖廓整飾等。經(jīng)過修改后，繪制成DOM或刻錄光盤保存。2單片數(shù)字微分糾正 如果一個區(qū)域內(nèi)已有DEM數(shù)據(jù)以及像片控制成果，就可以直接使用該成果數(shù)據(jù)制作DOM。 主要流程是對航攝負(fù)片進(jìn)行影像掃描后，根據(jù)控制點坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)字影像內(nèi)定向，再由DEM成果做數(shù)字微分糾正，其余后續(xù)過程與上述方法相同。9.2 數(shù)字正射影像圖的制作方法3正射影像圖掃描 若已有光學(xué)投影制作的正射影像圖，可直接對光學(xué)正射影像圖進(jìn)行影像掃描數(shù)字化，再經(jīng)幾何糾正就能獲取數(shù)字正射影像的數(shù)據(jù)。幾何糾正是直接針對掃描圖像變換進(jìn)行數(shù)字模擬，掃描圖像的總體變形過程可以看做是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲等基本變形的綜合作用結(jié)果。糾正前后同名像點之間的坐標(biāo)關(guān)系式可以用一個適當(dāng)?shù)亩囗検絹肀磉_(dá)， x、y為像素點的像點坐標(biāo)； X、Y為同名像素點的地面(或圖面)坐標(biāo)； 對每一個控制點，已知其地面坐標(biāo)及像點