攝影測(cè)量講稿

授課內(nèi)容備注、更新教研室主任抽查：年月日教研室主任抽查：年月日word文檔可自由復(fù)制編輯第一章緒論 §1－1攝影測(cè)量的定義和任務(wù) 一、什么是攝影測(cè)量？ 攝影測(cè)量與遙感乃是對(duì)非接觸式傳感器系統(tǒng)獲得的影像及其數(shù)字表 達(dá)進(jìn)行記錄量測(cè)和解譯，從而獲得自然物體和環(huán)境的可靠信息的一門科 學(xué)和技術(shù)(INTERNATIONALSOCIETYFORPHOTOGRAMMETRY ANDREMOTESENSING；ISPRS,1988) 教材攝影測(cè)量學(xué)定義：是利用光學(xué)攝影機(jī)拍攝像片，通過像片來研究和 確定被攝物體的形狀、大小、位置和相互關(guān)系的一門科學(xué)和技術(shù)。 科技內(nèi)容包括:影像信息獲??；影像信息處理；像信息表達(dá)；影像信息應(yīng)用。 二、攝影測(cè)量能做什么？（主要任務(wù)） 攝影測(cè)量目前的主要任務(wù)是： 1.測(cè)制各種比例尺的地形圖和專題圖； 2.建立地形數(shù)據(jù)庫； 3.為各種地理信息系統(tǒng)和土地信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 三、攝影測(cè)量有什么優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)？ 1.影像記錄目標(biāo)信息客觀、逼真、豐富； 2.測(cè)繪作業(yè)無需接觸目標(biāo)本身，不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制； 3.可測(cè)繪動(dòng)態(tài)目標(biāo)和復(fù)雜形態(tài)目標(biāo)； 4.影像信息可永久保存、重復(fù)量測(cè)使用；四、攝影測(cè)量的分類 1.按攝影距離分為: (1)航空攝影測(cè)量 為攝影測(cè)量生產(chǎn)、科研、教學(xué)的主流；成圖比例尺可覆蓋1：5百— 1：5萬；是測(cè)繪1：5百—1：5千地形圖的重要方法，是測(cè)繪1：1萬— 1：5萬地形圖的主要方法。 （2）航天攝影測(cè)量 用衛(wèi)星遙感影像測(cè)繪地形圖或?qū)ｎ}圖，或快速提取所需空間信息；成圖 比例尺已從1：5萬—1：100萬提高到1：5千左右（甚至1：1000左右）在一定條件下已可替代部分航空攝影測(cè)量。 （3）地面攝影測(cè)量 一般用于山區(qū)的工程勘察和補(bǔ)測(cè)航攝漏洞； （4）近景攝影測(cè)量* 一般用于拍攝距離<300米（或100米）的非地形目標(biāo)測(cè)繪. 2.按用途分為 （1）地形攝影測(cè)量 是攝影測(cè)量的主要任務(wù)，服務(wù)于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息需求，并廣泛應(yīng) 用于城建、環(huán)保、規(guī)劃、農(nóng)林、水利、電力、交通、地礦等眾多部門或 行業(yè)。 與用經(jīng)緯儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪方法相比，攝影測(cè)量測(cè)繪地形有以下優(yōu)點(diǎn)： a.作業(yè)速度快，成圖周期短； b.內(nèi)業(yè)作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度低；c．較大范圍作業(yè)時(shí)省經(jīng)費(fèi) d．成圖精度均勻 f.可生產(chǎn)影像測(cè)繪產(chǎn)品 （2）非地形攝影測(cè)量 是攝影測(cè)量的一個(gè)分支學(xué)科。其主要研究利用影像確定非地形目標(biāo) 物的形狀、大小及空間位置等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、建筑工程、生物 醫(yī)學(xué)及考古、變形觀測(cè)、公安偵破、事故勘察、彈道測(cè)量、爆破、礦山 工程等領(lǐng)域。 3.按影像信息處理的技術(shù)手段分為: （1）模擬攝影測(cè)量 （2）解析攝影測(cè)量 （3）數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 五、攝影測(cè)量與遙感的關(guān)系 1.共同之處 攝影測(cè)量學(xué)作為一個(gè)成熟的學(xué)科，已有一百五十年左右的發(fā)展史了。遙感作為現(xiàn)代高科技只有三、四十年左右的發(fā)展史。但兩者科技內(nèi)容（理論基礎(chǔ)，技術(shù)手段，生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)用目的等）已趨于一致，共同發(fā)展形 成影像信息科學(xué)。 2.差異之處 以航空攝影成像為主攝影測(cè)量以測(cè)繪大比例尺地形圖為主以影像幾何信息的處理為主以提供區(qū)域基礎(chǔ)地理信息服務(wù)為主以衛(wèi)星傳感器成像為主（具有宏觀特性，光譜特征，時(shí)相特征）遙感以編制中小比例尺專題圖為主以影像物理信息的處理為主以各行業(yè)、部門專業(yè)應(yīng)用為主。 §1-2攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展階段 一、攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展階段二、攝影測(cè)量的發(fā)展 §1-3影像信息學(xué)的形成和發(fā)展 一、影像信息科學(xué)的組成 目前看來影像信息科學(xué)是由攝影測(cè)量學(xué)、遙感、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、專家系統(tǒng)、空間技術(shù)和傳感器技術(shù)等相結(jié)合的一個(gè)邊緣學(xué)科。是基于影像認(rèn)識(shí)世界和改造世界的途徑。 二、影像信息學(xué)的定義是一門記錄、存儲(chǔ)、傳輸、量測(cè)、處理、解譯、分析和顯示由非接觸傳感器獲得的目標(biāo)及其環(huán)境信息的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)體。 三、影像信息科學(xué)的組成與相互關(guān)系見教材圖§1-4攝影測(cè)量學(xué)與測(cè)繪學(xué)科的關(guān)系 一、與大地測(cè)量學(xué)的關(guān)系二、與地圖制圖學(xué)的關(guān)系三、與工程測(cè)量學(xué)的關(guān)系四、與地籍測(cè)量學(xué)的關(guān)系五、與海洋、軍事測(cè)繪的關(guān)系影像獲取§2-1航空影像獲取攝影原理攝影機(jī)1、攝影物鏡1）攝影物鏡：相機(jī)上由凸透鏡或凹凸透鏡組合成的精密光學(xué)成像系統(tǒng)。2）組合透鏡成像分析方法：1、利用單個(gè)透鏡逐次成像；2、利用透鏡組的“等效透鏡”成像。3）等效透鏡的基本點(diǎn)、線、面主光軸：透鏡組諸透鏡球面曲率的中心連線。主焦點(diǎn)（F,F):平行于主光軸的光線通過透鏡組后與主光軸的交點(diǎn)。主平面（Q,Q):過等效折射點(diǎn)（h,h)且垂直于主光軸的平面。 主點(diǎn)（s,s)：主平面與主光軸的交點(diǎn)。主焦距：主焦點(diǎn)到主點(diǎn)間距離。節(jié)點(diǎn)（k,k）：主光軸上角的放大率為1的一對(duì)光學(xué)共軛點(diǎn)。（光線通過共軛節(jié)點(diǎn)時(shí)，角放大率為1；物方與像方同介質(zhì)時(shí)，k,k分別與s,s重合）。2、物鏡的成像公式高斯成像公式：牛頓成像公式：3、量測(cè)用攝影機(jī)1）航空攝影機(jī)航空攝影機(jī)特性：物鏡成像分解力高物鏡成像畸變差?。?）光學(xué)特性物鏡透光率高光學(xué)影像反差大焦面照度均勻（2）焦面上設(shè)置有框標(biāo)（3）有膠片壓平系統(tǒng)（4）像距為定值（主距）（5）有減震裝置三、什么是框標(biāo)？框標(biāo)：設(shè)置在攝影機(jī)焦平面（承影面）上位置固定的光學(xué)機(jī)械標(biāo)志，用于在焦平面上（亦即像片上）建立像方坐標(biāo)系。四、像片主距、視場(chǎng)、視場(chǎng)角、像場(chǎng)和像場(chǎng)角1.像片主距：航空攝影機(jī)物鏡中心至底片面的距離是固定值，稱為攝影機(jī)主距。2.視場(chǎng)：光線通過物鏡后，焦面上不均勻的光亮圓稱為鏡頭的視場(chǎng)。3.像場(chǎng)：影像相當(dāng)清晰的一部分視場(chǎng)內(nèi)的光亮圓稱為像場(chǎng)。4.視場(chǎng)角：由物鏡后節(jié)點(diǎn)向視場(chǎng)邊緣射出的光線所張開的角為視場(chǎng)角。5.像場(chǎng)角：由物鏡后節(jié)點(diǎn)向像場(chǎng)邊緣射出的光線所張開的角為視場(chǎng)角。五、航空攝影機(jī)分類見教材表2-1六、非量測(cè)相機(jī)課后自閱攝影測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)§3-1航空攝影一、航空攝影按像片傾斜分角為：垂直攝影和傾斜攝影（通常小于45度）。按攝影的實(shí)施方式分：?jiǎn)纹瑪z影、航線攝影和面積攝影按感光材料分類：分為全色黑白攝影、黑白紅外攝影、彩色攝影、彩色紅外攝影、多光譜攝影。攝影比例尺的選擇見教材表3-1航空攝影的基本要求1、航攝傾角航攝傾角（像片傾角）:攝影主光軸與鉛垂方向的夾角。<32、攝影比例尺即航片上某線段的長(zhǎng)度與地面相應(yīng)線段長(zhǎng)度之比。平坦地區(qū)、攝影時(shí)像片處于水平狀態(tài)（垂直攝影），則像片比例尺等于像機(jī)主距（f）與航高（H）之比。航高：攝影機(jī)相對(duì)某一水準(zhǔn)面的高度。相對(duì)航高：攝影機(jī)相對(duì)某一基準(zhǔn)面的高度。（通?；鶞?zhǔn)面取測(cè)區(qū)地表平均高程平面）絕對(duì)航高：攝影機(jī)相對(duì)平均海水面的高度。3、像片的重疊度像片的重疊度：當(dāng)相鄰的兩張像片拍攝景區(qū)有重疊時(shí)， 重疊部分占整張像片的比例。要求航向重疊度 旁向重疊度 4、航線彎曲度航線彎曲度：航線兩端像片的像主點(diǎn)間的直線距離L與偏離該直線最遠(yuǎn)的像主點(diǎn)到直線的距離之比。5、像片旋轉(zhuǎn)角像片旋轉(zhuǎn)角：相鄰兩張像片的像主點(diǎn)連線與像幅沿航線方向的兩框標(biāo)連線間的夾角?！?-2中心投影的基本知識(shí)中心投影與正射投影投影：用一組假想的直線將物體形狀向幾何面投影成像。中心投影：投影射線匯聚同一點(diǎn)的投影。投影中心S：中心投影射線的匯聚點(diǎn)。正射投影：投影射線相互平行且與投影平面正交的投影。二、航片是地面景物的中心投影航片是地面景物的中心投影；地形圖（包括影像地圖）是地面景物的正射投影；攝影測(cè)量的主要任務(wù)之一，即是把記錄在中心投影像片上的地面景物轉(zhuǎn)換成按圖比例尺的正射投影地圖。三、中心投影和正射投影的區(qū)別（1）攝影距離的影響正射投影比例尺和投影距離無關(guān)中心投影焦距固定，航高改變，其比例尺也隨之改變（2）投影面傾斜的影響正射投影總是水平的，不存在傾斜問題中心投影，若投影面傾斜，航片各部分的比例尺不同（3）地形起伏的影響地形起伏對(duì)正射投影無影響對(duì)中心投影引起投影差航片各部分的比例尺不同地面起伏不平時(shí)，同一張像片對(duì)應(yīng)地段高度不同，其比例尺有變化。四、像片與地形圖的區(qū)別比例尺：地圖有統(tǒng)一比例尺，航片無統(tǒng)一比例尺表示方法：地圖為線劃圖，航片為影像圖表示內(nèi)容：地圖需要綜合取舍幾何差異：航攝像片可組成像對(duì)立體觀察五、中心投影的正負(fù)、片位置投影平面與物點(diǎn)在投影中心的同一側(cè)，此時(shí)像片為正片。投影平面與物點(diǎn)在投影中心的異側(cè)，此時(shí)像片為負(fù)片?！?-3航攝像片上的特殊點(diǎn)、線、面航攝像片上的特殊點(diǎn)、線、面點(diǎn)：攝影中心S；像主點(diǎn)o；地主點(diǎn)O；像底點(diǎn)n；地底點(diǎn)N；等角點(diǎn)c；地面等角點(diǎn)C；主合點(diǎn)i；遁點(diǎn)J。線：跡線TT；主光線SoO；主垂線SnN；攝影方向線VV；主縱線vv；等角線ScC；主合線hihi；主橫線hoho；等比線hchc。面：地面E；像片面P；主垂面W；真水平面Es。二、基本概念攝影方向線VV：主垂面w與地平面的交線。主縱線vv：主垂面w與像面的交線。等角點(diǎn)c：∠osn的角平分線與像平面的交點(diǎn)。合點(diǎn)i：地平面上（平行線組）無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的中心投影。跡點(diǎn)t：物像二重點(diǎn)。合線hihi：過投影中心s且平行與地面的水平面與像平面的交線（合點(diǎn)的集）。等比線hchc：過等角點(diǎn)c且平行于合線的直線主垂面：過主垂線和攝影機(jī)軸的垂面稱為主垂面。三、特殊點(diǎn)線的幾何關(guān)系 四、特殊點(diǎn)線的特征1、像底點(diǎn)特性鉛垂線在像平面上的構(gòu)像位于以像底點(diǎn)n為輻射中心的相應(yīng)輻射線上2、等角點(diǎn)特性在傾斜像片和水平地面上，由等角點(diǎn)c和C所引出的一對(duì)透視對(duì)應(yīng)線無方向偏差，保持著方向角相等。3、等比線特性等比線的構(gòu)像比例尺等于水平像片上的攝影比例尺，不受像片傾斜影響。§3-4攝影測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)一、像平面上的坐標(biāo)系1、框標(biāo)坐標(biāo)系(p-)原點(diǎn)：框標(biāo)連線交點(diǎn)P。x軸：航向框標(biāo)連線方向。y軸：旁向框標(biāo)連線方向。2、像平面坐標(biāo)系（O-xy）原點(diǎn)：像主點(diǎn)ox、y軸：分別平行于p-xy的坐標(biāo)軸二、像空間坐標(biāo)系（S-xyz）原點(diǎn)：投影中心Sx、y軸：分別平行于o-xy的坐標(biāo)軸z軸：主光軸方向（os方向?yàn)檎┤?、輔助坐標(biāo)系（S-XYZ）原點(diǎn)：投影中心SX、Y、Z軸：分別平行于地面攝影坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸 a（Xa,Ya,Za）S-XYZ也可根據(jù)需要設(shè)置（過渡性坐標(biāo)系統(tǒng)）四、地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系（D-X,Y,Z）原點(diǎn)：測(cè)區(qū)地面某點(diǎn)DX軸：大致平行航線方向Z軸：鉛垂向上A(X,Y,Z)五、地面測(cè)量坐標(biāo)系（T－XtYtZt） （大地坐標(biāo)系，國(guó)家高程基準(zhǔn)）左手系A(chǔ)（Xt，Yt，Zt）§3-5航攝像片的內(nèi)外方位元素方位元素：確定攝影時(shí)攝影中心、像片與地面三者之間相關(guān)位置關(guān)系的參數(shù)。內(nèi)方位元素確定攝影物鏡后節(jié)點(diǎn)（攝影中心）與像片之間相互位置關(guān)系的參數(shù)。內(nèi)方位元素（x0,y0,f）可恢復(fù)攝影光束。二、外方位元素確定攝影瞬間攝影中心和像片在地面直角坐標(biāo)系中空間位置和姿態(tài)的參數(shù)。共有6個(gè)元素，三個(gè)線元素（XS,YS,ZS），描述攝影中心的空間坐標(biāo)；另外有三個(gè)角元素，描述攝影瞬間像片的姿態(tài)。角元素有以下選擇方式：以Y軸為主軸的j-w-k轉(zhuǎn)角系統(tǒng)j—航向傾角w—旁向傾角k—像片旋角 以X軸為主軸的w’-j’-k’轉(zhuǎn)角系統(tǒng)w’—旁向傾角 j’—航向傾角k’—像片旋角3、以Z軸為主軸的A-a-kv轉(zhuǎn)角系統(tǒng)A—主垂面的方位角a—像片傾角kv—像片旋角上面三種角元素，模擬攝影測(cè)量?jī)x器單張測(cè)圖時(shí)，用A-a-kv系統(tǒng)；其它情況下則采用另兩種角元素系統(tǒng)?！?.6像點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)變換與中心投影構(gòu)像方程用像點(diǎn)坐標(biāo)解求相應(yīng)地面點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，需將各種情況下量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到像平面直角坐標(biāo)系中，在此基礎(chǔ)上，再將像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的像空間輔助坐標(biāo)，這就涉及到各種坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。像點(diǎn)的平面坐標(biāo)變換原點(diǎn)相同而軸向不一致的像平面坐標(biāo)系之間的變換。（在黑板畫圖）二、像點(diǎn)的空間坐標(biāo)變換在取得像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)后，加上z＝-f即可得到像點(diǎn)的像空間直角坐標(biāo)。像點(diǎn)的空間坐標(biāo)變換，通常是將像點(diǎn)的像空間直角坐標(biāo)（x，y，-f）變換為像空間輔助坐標(biāo)（X，Y，Z）。這是同一個(gè)像點(diǎn)在原點(diǎn)相同的兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換。因?yàn)閺囊粋€(gè)空間直角坐標(biāo)系旋至另一空間直角坐標(biāo)系時(shí)，可以分別采用不同的主軸系統(tǒng)。因而，九個(gè)方向余弦值亦可表達(dá)為不同轉(zhuǎn)角系統(tǒng)角元素的函數(shù)。1、以Y軸為主軸的φωκ系統(tǒng)的坐標(biāo)變換可把兩空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換分解成三次平面坐標(biāo)變換，從而利用平面坐標(biāo)變換公式，完成空間坐標(biāo)變換。上式中：把矩陣相乘后可得：2、以X軸為主軸的ω’φ’κ’系統(tǒng)的坐標(biāo)變換按上述方法可知ω’φ’κ’系統(tǒng)的像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)間的坐標(biāo)變換關(guān)系式為：上式中：其中：3、以Z軸為主軸的AακV系統(tǒng)的坐標(biāo)變換要注意A角為順時(shí)針方向?yàn)檎?，故：上式中：三、中心投影?gòu)像方程為了研究像點(diǎn)與地面相應(yīng)點(diǎn)的數(shù)學(xué)關(guān)系，必須建立中心投影的構(gòu)像方程。如課件圖所示，A-XYZ為選定的一個(gè)右手系地面直角坐標(biāo)系。地面點(diǎn)A和投影中心S在該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為XA，Y，Z和XS，Y，Z；A在像片上的構(gòu)像點(diǎn)a，在像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ和像空間坐標(biāo)系S-xyz中的坐標(biāo)分別為X，Y，Z和x，y，－f。坐標(biāo)系S-XYZ與A-XYZ的對(duì)應(yīng)軸平行。上述式子就是一般地區(qū)中心投影的構(gòu)像方程，又稱共線方程式。此式是攝影測(cè)量中重要的基本公式之一?！?.7航攝像片上的像點(diǎn)位移理論上講，理想像片可以作為地形圖直接使用。但是由于在實(shí)際航空攝影時(shí)，在中心投影的情況下，當(dāng)像片有傾斜，地面有起伏時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致地面點(diǎn)在航攝像片上構(gòu)像相對(duì)于在理想情況下的構(gòu)像，產(chǎn)生了位置的差異，這一差異稱為像點(diǎn)位移。由像點(diǎn)位移又導(dǎo)致了由像片上任一點(diǎn)引畫的方向線，相對(duì)于地面上相應(yīng)的水平方向線，產(chǎn)生了方向上的偏差。因此，一般攝影像片不能簡(jiǎn)單作為影像地圖使用。一、地面水平時(shí)像片傾斜引起的像點(diǎn)位移及方向偏差1、像片傾斜引起的像點(diǎn)位移（1）像片傾斜位移的概念某地面點(diǎn)在航攝像片上的構(gòu)像位置，相對(duì)于同攝站同攝影機(jī)攝取的水平像片上構(gòu)像位置的差異稱為因像片傾斜引起的像點(diǎn)位移。（2）像片傾斜位移的數(shù)學(xué)表達(dá)式以誤差值表示的嚴(yán)密公式：對(duì)于豎直攝影的航攝像片，像片傾角一般很小，分母中rcsinψsinα<<f，舍去該項(xiàng)可得近似公式：（3）傾斜像片上像點(diǎn)位移的特性①傾斜像片上像點(diǎn)位移δα出現(xiàn)在以等角點(diǎn)為中心的輻射線上。②當(dāng)ψ＝0°或180°時(shí)，像點(diǎn)位于等比線上，無像片傾斜像點(diǎn)位移。③傾斜像片的像點(diǎn)位移是以誤差值表示的，其值與sinψ的符號(hào)有關(guān)。2、像點(diǎn)傾斜引起的方向偏差設(shè)水平地面上任意兩點(diǎn)A、B在水平像片上的構(gòu)像為a°，b°，在航攝像片上由像片傾斜引起位移而構(gòu)像為a，b，則a，b連線方向相對(duì)于a°，b°連線方向偏離的角值εα，即為像片傾斜引起的方向偏差。二、像片水平時(shí)地形起伏引起的投影差、像點(diǎn)位移及方向偏差1、因地形起伏引起的投影差若將基準(zhǔn)面E上的投影差按圖比例尺1/M縮小在圖面E’上，多媒體圖中所示的Δh’，亦稱為圖面上的投影差。由上圖中的相似三角形關(guān)系可直接求得投影差的計(jì)算公式為：式中：h為地面上某點(diǎn)對(duì)所選基準(zhǔn)面的高差；H為所選基準(zhǔn)面的航高；R為圖面上某點(diǎn)至底點(diǎn)的實(shí)地距離。由此式可知，投影差Δh的符號(hào)與地面點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差符號(hào)一致。2、因地形起伏引起的像點(diǎn)位移這種像點(diǎn)位移，是因航攝像片上某地面點(diǎn)的像點(diǎn)相對(duì)于該地面點(diǎn)在所選基準(zhǔn)面上正射投影的像點(diǎn)之間的差異。由圖中所示的幾何關(guān)系可求得水平像片上計(jì)算像點(diǎn)位移的公式為：上式又稱像片上改投影差的公式，是為單張像片測(cè)圖的作業(yè)中，在航攝像片上計(jì)算改投影差的實(shí)用公式。由上所述，可歸納地形起伏像點(diǎn)位移的特征為：①地形起伏像點(diǎn)位移是地面點(diǎn)相對(duì)于所取基準(zhǔn)面的高差而引起的。②地形起伏像點(diǎn)位移以誤差值表示，表現(xiàn)在像底點(diǎn)為輻射中心的方向線上。③地形起伏像點(diǎn)位移的符號(hào)與該點(diǎn)的高差符號(hào)相同；正號(hào)高差引起的δh是由像點(diǎn)朝向像底點(diǎn)n引入δh之值來改正。④在保持像片攝影比例尺不變時(shí)，地形起伏像點(diǎn)位移之值隨航高的增大而減??；因此采用長(zhǎng)焦距攝影機(jī)以增大航高進(jìn)行空中攝影是有利的。⑤在航攝像片上由像底點(diǎn)引出的輻射線不會(huì)出現(xiàn)因地形起伏像點(diǎn)位移引起的方向偏差。⑥水平像片上存在有地形起伏像點(diǎn)位移δh。第四章雙像立體測(cè)圖基礎(chǔ)與立體測(cè)圖雙像立體測(cè)圖：利用一個(gè)立體像對(duì)重建立體幾何模型，量測(cè)該幾何模型，繪制地形圖。立體像對(duì)：相鄰兩站對(duì)同一地面景物攝取的有一定重疊的兩張像片?！?－1立體視覺原理與立體量測(cè)一、立體視覺原理人眼的天然立體視覺：用雙眼同時(shí)觀察景物，才能分辨出物體的遠(yuǎn)近，得到景物的立體效應(yīng)。看到立體的根源：生理視差交會(huì)角r眼基線br視距L生理視差σ眼主距fr二、人造立體視覺人造立體視覺：空間景物在感光材料上構(gòu)像，人眼觀察構(gòu)像的像片產(chǎn)生生理視差，所產(chǎn)生的空間景物的立體視覺。所看到的立體模型稱為視模型。APAPP’B左眼右眼aba’,b’利用相鄰像片組成相對(duì)的相對(duì)，進(jìn)行雙眼觀察，同樣可獲得所攝地面的立體模型，這樣就奠定了立體攝影測(cè)量的基礎(chǔ)。人造立體觀察的條件：攝取立體像對(duì)分視：每只眼睛只能看一張像片兩像片上相同景物（同名像點(diǎn)）的連線與眼基線大致平行兩像片比例尺應(yīng)大致一致正立體：立體模型與實(shí)物相似。反立體：立體模型與實(shí)物相反（左眼-右片，右眼-左片；正立體效應(yīng)基礎(chǔ)上左右像片旋轉(zhuǎn)180°）。零立體：起伏的視模型變平(正立體效應(yīng)基礎(chǔ)上左右像片旋轉(zhuǎn)90°)。三、立體觀察與立體量測(cè)1、立體觀察方法1）立體境觀察方法橋式立體鏡：只適合觀察小象幅的像片對(duì)2）疊影影像的立體觀察疊影式立體觀察方法是用光線照射透明的左右像片，并使其影像疊眏在同一個(gè)承影面上，然后通過某種方式使得觀察者左右眼分別只看到一張像片的影像，從而得到立體效應(yīng)。3）雙目鏡觀測(cè)光路的立體觀察是用兩條分開的光路將來自左右像片的光線分開分別傳到觀察者的左右眼睛中，達(dá)到分橡目的，產(chǎn)生立體效應(yīng)。注意：以上的各種方法均是要達(dá)到每只眼睛只看一張像片的分橡目的。2、立體量測(cè)測(cè)標(biāo)：在攝影測(cè)量中利用測(cè)標(biāo)進(jìn)行立體量測(cè)。測(cè)標(biāo)形狀大多為點(diǎn)狀或線狀。雙測(cè)標(biāo)法：進(jìn)行立體量測(cè)的主要方法。利用放入光路中的兩個(gè)實(shí)測(cè)標(biāo)分別切準(zhǔn)立體像對(duì)的上的同名像點(diǎn)進(jìn)行立體量測(cè)。原理：同名像點(diǎn)：地面上一點(diǎn)在相鄰兩張像片上的構(gòu)像。兩單測(cè)標(biāo)相當(dāng)于同名像點(diǎn)，構(gòu)成立體測(cè)標(biāo)TT與立體模型表面M點(diǎn)重合§4－2立體像對(duì)與雙像立體測(cè)圖一、立體像對(duì)的點(diǎn)、線、面點(diǎn)：同名像點(diǎn)a1，a2核點(diǎn)k1，k2線：攝影基線B同名射線：AS1a1，AS2核線同名核線k1a1，k2面：核面WA面）垂核面二、雙像立體測(cè)圖概述一個(gè)立體像對(duì)，兩張影像重疊范圍內(nèi)的任意地面點(diǎn)在兩張像片上都有它們的同名像點(diǎn)，并于相應(yīng)的攝影中心組成同名射線，同名射線對(duì)對(duì)相交。因此，攝影時(shí)攝影基線、同名射線、同名像點(diǎn)與地面點(diǎn)之間有固有的機(jī)荷關(guān)系。1、立體測(cè)圖的關(guān)鍵：重建與實(shí)地相似的幾何模型恢復(fù)攝影時(shí)的空間方位內(nèi)方位元素：攝影中心與像片之間相關(guān)位置恢復(fù)像片對(duì)的外方位元素：像片在攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)內(nèi)方位元素：已知恢復(fù)兩張像片的相對(duì)位置（相對(duì)定向）立體模型外方位元素：未知模型的大小和空間位置是任意的恢復(fù)立體模型的大小和空間方位（絕對(duì)定向）2、立體測(cè)圖方法1）模擬法立體測(cè)圖特點(diǎn)：用光學(xué)像片及人工雙眼尋找同名像點(diǎn)。建立立體模型時(shí)不用解析計(jì)算方法解求像對(duì)相對(duì)定向與絕對(duì)定向元素，而完全是機(jī)械運(yùn)動(dòng)來模擬。測(cè)繪的地形圖是線劃圖，用于建立地理基礎(chǔ)信息庫時(shí)，還需將地圖進(jìn)行數(shù)據(jù)化。2）解析法立體測(cè)圖：特點(diǎn)：用光學(xué)像片及人工雙眼尋找同名像點(diǎn)。建立立體模型時(shí)按數(shù)學(xué)公式用解析計(jì)算方法解求像對(duì)相對(duì)定向與絕對(duì)定向元素，產(chǎn)品首先以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。3）數(shù)字化測(cè)圖特點(diǎn)：使用數(shù)字影像，利用數(shù)字相關(guān)技術(shù)代替人眼觀察，自動(dòng)尋找同名像點(diǎn)并量測(cè)坐標(biāo)。采用解析計(jì)算方法，建立數(shù)字立體模型，由此建立數(shù)字高程模型，自動(dòng)繪制等高線，制作正射影像圖。注意：無論采用哪種測(cè)圖方法，都要經(jīng)內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向及測(cè)圖等過程?！?－3立體像對(duì)的相對(duì)定向元素與模型的絕對(duì)定向元素恢復(fù)像片對(duì)的外方位元素要經(jīng)過兩個(gè)步驟：相對(duì)定向與絕對(duì)定向。立體像對(duì)相對(duì)定向元素相對(duì)定向：確定一個(gè)立體像對(duì)兩像片的相對(duì)位置。作用：用于建立立體模型。完成標(biāo)準(zhǔn)（唯一）：同名射線對(duì)對(duì)相交。相對(duì)定向元素：確定兩張像片相對(duì)位置關(guān)系得元素。確定兩張相對(duì)位置由兩種不同方法：（1）獨(dú)立像對(duì)相對(duì)定向系統(tǒng)（2）連續(xù)像對(duì)相對(duì)定向系統(tǒng)這兩種系統(tǒng)選取不同的像空間輔助坐標(biāo)系，因此有不同的相對(duì)定向元素。連續(xù)像對(duì)相對(duì)定向元素SHAPE連續(xù)像對(duì)：將左片置平，以左片的像空間輔助坐標(biāo)系作為本像對(duì)的像空間輔助坐標(biāo)系這樣的像對(duì)。以S1-U1V1W1作為本像對(duì)的像空間輔助坐標(biāo)系。則，S1在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Us1=Vs1=Ws1=0,φ1=ω1=к1=0S2在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Us2=bu，Vs2=bv，Ws2=bw，φ2,к2,ω2。其中bu，bv，bw為基線分量。由于bu只影響相對(duì)定向后的建立模型的大小而不影響模型建立，因此bv，bw，φ2,к2,ω2稱為連續(xù)相對(duì)定向的五個(gè)相對(duì)定向元素。單獨(dú)像對(duì)相對(duì)定向元素SHAPE單獨(dú)像對(duì)：將基線置水平，像空間輔助坐標(biāo)系選取S1作為坐標(biāo)原點(diǎn)，基線B作為U軸，垂直于左核面的軸為V軸構(gòu)成S1-U1V1W1空間輔助坐標(biāo)系。S1在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Us1=Vs1=Ws1=0,ω1=0，φ1，к1S2在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Us2=bu=b,s2=bv=0，Ws2=bw=0，φ2,к2,ω2。由于b只影響相對(duì)定向后的建立模型的大小而不影響模型建立，因此φ1，к1，φ2,к2,ω2稱為連續(xù)相對(duì)定向的五個(gè)相對(duì)定向元素。立體像對(duì)絕對(duì)定向元素絕對(duì)定向元素：是確定相對(duì)定向所建立的幾何模型的比例尺和模型空間方位的元素。也就是恢復(fù)模型的大小和空間位置的元素（相對(duì)定向后模型的大小和空間位置是任意的）。要把模型納入地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系D-XYZ中，需要借助于已知的地面控制點(diǎn)來進(jìn)行兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。在數(shù)學(xué)上是不同原點(diǎn)的三維空間相似變換，公式為：絕對(duì)定向元素：XS，YS，ZS，λ，Φ，Ω，K第五章攝影測(cè)量解析基礎(chǔ)地球空間信息是資源與環(huán)境信息的載體，是地理空間信息系統(tǒng)中的基礎(chǔ)信息。為了建立地理信息系統(tǒng)，人們需要在實(shí)地進(jìn)行調(diào)查與測(cè)繪。這種實(shí)地采集信息的方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，不適應(yīng)信息時(shí)代的要求?，F(xiàn)在已廣泛采用航空與航天的方法，獲取地面影像信息，在通過攝影測(cè)量與遙感圖像處理的方法，來獲取地面信息。雙像解析攝影測(cè)量，就是利用解析計(jì)算的方法來處理影像信息，從而獲得地面的基礎(chǔ)空間信息，確定資源與環(huán)境的空間位置，它重點(diǎn)解決影像信息中的幾何信息，建立地面數(shù)字模型。在前面的章節(jié)中，我們已經(jīng)定義了攝影測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)、單張像片的內(nèi)、外方位元素，并推導(dǎo)出了像點(diǎn)坐標(biāo)與相應(yīng)地面坐標(biāo)之間的關(guān)系式——共線條件方程式。如何從從該式出發(fā)，解求單張像片的外方位元素；對(duì)于一個(gè)立體像對(duì)而言，如何根據(jù)已知一對(duì)同名像點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)與各片的外方位元素，求出相應(yīng)點(diǎn)的模型坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)的空間坐標(biāo)等，這些問題都是攝影測(cè)量的解析基礎(chǔ)。用解析的方法處理立體像對(duì)，常用的方法有三種：后交-前交方法：利用像片的空間后方交會(huì)與前方交會(huì)來解求地面目標(biāo)的空間坐標(biāo)。相對(duì)定向-絕對(duì)定向方法：利用立體像對(duì)的內(nèi)在幾何關(guān)系，進(jìn)行相對(duì)定向，建立與地面相似的立體模型，計(jì)算出模型點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再通過絕對(duì)定向，將模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，把模型納入規(guī)定的坐標(biāo)系中，解求出地面目標(biāo)的空間坐標(biāo)。光束法：將待求點(diǎn)與已知外業(yè)控制點(diǎn)同時(shí)列出誤差方程式，統(tǒng)一進(jìn)行平差解求。§5－1解析內(nèi)定向要從影像中提取物體的空間信息，首先要確定與物點(diǎn)相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)。在傳統(tǒng)攝影測(cè)量中，是將像片放在儀器承片盤上進(jìn)行糧測(cè)，但此時(shí)量測(cè)得像點(diǎn)坐標(biāo)為影像架坐標(biāo)或儀器坐標(biāo)，隨后利用平面相似等公式，將影像架坐標(biāo)變換為以影像上像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，通常稱這種變換為影像內(nèi)定向。對(duì)于數(shù)字化影像，由于在掃描數(shù)字化過程中，影像在掃描儀上的位置通常也是任意放置的，因此所量測(cè)得像點(diǎn)坐標(biāo)也存在著從掃描坐標(biāo)到像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，這同樣也是影像內(nèi)定向。內(nèi)定向：利用平面相似變換，將像片的影像架坐標(biāo)或變換為以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。內(nèi)定向問題需要借助影像的框標(biāo)來解決。為了進(jìn)行內(nèi)定向，必須量測(cè)影像框標(biāo)點(diǎn)的影像架坐標(biāo)或掃描坐標(biāo)，然后根據(jù)量測(cè)相機(jī)的鑒定結(jié)果所提供的框標(biāo)理論坐標(biāo)，用解析計(jì)算方法進(jìn)行內(nèi)定向，從而獲得所量測(cè)各點(diǎn)的影像坐標(biāo)。令所量測(cè)的框標(biāo)構(gòu)象的儀器坐標(biāo)或掃描坐標(biāo)為（x',y'）,并已知它們的理論影像坐標(biāo)（x，y），則可以在解析內(nèi)定向的過程中，一方面將量側(cè)坐標(biāo)歸算到所要求的像坐標(biāo)，另一方面也可部分改正底片變形誤差與光學(xué)畸變差。內(nèi)定向通常采用多項(xiàng)式變換公式，用矩陣表示的一般形式為：其中為x為變換后的像點(diǎn)坐標(biāo)，x'為儀器坐標(biāo)或掃描坐標(biāo)，A為變換矩陣，t為變換參數(shù)。常用的多項(xiàng)式公式有：正形變換（4個(gè)參數(shù)）仿射變換（6個(gè)參數(shù)）雙線性變換（8個(gè)參數(shù)）仔實(shí)際作業(yè)中，若僅量測(cè)3個(gè)框標(biāo)，則采用第一個(gè)式子；若僅量測(cè)4個(gè)框標(biāo)，則采用第二個(gè)式子；若僅量測(cè)8個(gè)框標(biāo)，則采用第三個(gè)式子。§5－２單像空間后方交會(huì)獲取六個(gè)外方位元素的方法?雷達(dá)、GPS、INS、星象相機(jī)地面控制點(diǎn)反算（單像空間后方交會(huì)）POS系統(tǒng)一、空間后方交會(huì)的定義根據(jù)影像覆蓋范圍內(nèi)一定數(shù)量的分布合理的地面控制點(diǎn)（已知其像點(diǎn)和地面點(diǎn)的坐標(biāo)），利用共線條件方程求解像片外方位元素。二、基本關(guān)系式共線方程：已知值x0,y0,f,m,X,Y,Z觀測(cè)值x,y待求Xs,Ys,Zs,j,w,k線性化：按泰勒公式展開，取小值一次項(xiàng)（x），（y）像點(diǎn)坐標(biāo)近似值，將外方位元素的初始值代入共線條件方程的計(jì)算值為偏導(dǎo)數(shù)，系數(shù)為外方位元素初始值的改正數(shù)一個(gè)控制點(diǎn)可以列兩個(gè)方程，至少要三個(gè)控制點(diǎn)解六個(gè)外方位元素，有多余觀測(cè)用平差的方法計(jì)算。三、誤差方程式和法方程式(通常在像片的四個(gè)角上選取四個(gè)地面控制點(diǎn))1、誤差方程的建立將控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)視為真值，而相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)視為觀測(cè)值，加入相應(yīng)的改正數(shù)vx，vy，按觀測(cè)值+觀測(cè)值改正數(shù)=近似值+近似值改正數(shù)原則有：列出誤差方程：表示成矩陣形式：若有n個(gè)控制點(diǎn)，則按上式列出n個(gè)誤差方程，構(gòu)成總的誤差方程式：2、系數(shù)的確定一般情況下：在豎直攝影的情況下，角元素都很?。?lt;3度），垂直攝影情況下，可取j＝w=k＝0，各系數(shù)可簡(jiǎn)化為：3、法方程式（最小二乘原理）4、計(jì)算外方位元素（最小二乘原理，逐步趨近計(jì)算）四、空間后方交會(huì)的解算過程五、空間后方交會(huì)精度未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣：未知數(shù)的中誤差：§5－3立體像對(duì)的前方交會(huì)一、立體像對(duì)前方交會(huì)的定義由立體像對(duì)中兩張像片的內(nèi)、外方位元素和像點(diǎn)坐標(biāo)來確定相應(yīng)地面點(diǎn)在物方空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)的方法。二、立體像對(duì)前方交會(huì)基本關(guān)系式要確定像點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如圖所示，D-XYZ為地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系，S1-U1V1W1及S2-U2V2W2分別為左右像片的像空間輔助坐標(biāo)系，且兩個(gè)像空間輔助坐標(biāo)系的三個(gè)軸系分別與D-XYZ三軸平行。設(shè)地面點(diǎn)A在D-XYZ中的坐標(biāo)為（X，Y，Z），在S1-U1V1W1及S2-U2V2W2分別為（U1，V1，W1），（U2，V2，W2）。A對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)a1,a2,的像空間坐標(biāo)為（x1，y1，-f），（x2，y2，-f），像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)為（u1，v1，w1），（u2，v2，w2）。有：，S2在S1-U1V1W1中的坐標(biāo)為Bu，Bv，Bw投影系數(shù)投影系數(shù)，一般計(jì)算Ｙ坐標(biāo)應(yīng)取均值一般計(jì)算Ｙ坐標(biāo)應(yīng)取均值三、立體像對(duì)前方交會(huì)解算過程獲取已知數(shù)據(jù)x0,y0,f,XS1,YS1,ZS1,j1,w1,k1,XS2,YS2,ZS2,j2,w2,k2量測(cè)像點(diǎn)坐標(biāo)x1,y1,x2,y2由外方位線元素計(jì)算基線分量Bu,Bv,Bw由外方位角元素計(jì)算像空間輔助坐標(biāo)u1,v1,w1,u2,v2,w2計(jì)算點(diǎn)投影系數(shù)N1,N2計(jì)算地面坐標(biāo)X,Y,Z三、立體像對(duì)后交－前交方法步驟：野外像片控制測(cè)量量測(cè)像點(diǎn)坐標(biāo)空間后方交會(huì)計(jì)算兩像片的外方位元素空間前方交會(huì)計(jì)算待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)§5－４立體像對(duì)的解析法相對(duì)定向一、解析法相對(duì)定向原理解析法相對(duì)定向是通過計(jì)算相對(duì)定向元素建立地面立體模型。同名射線對(duì)對(duì)相交于核面。共面條件方程：1、連續(xù)法解析相對(duì)定向原理連續(xù)像對(duì)相對(duì)定向以左像空間坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，求出右像片相對(duì)于左像片的相對(duì)方位元素Bu，Bv，j2，w2，k2。（1）基本關(guān)系式如右圖所示，共面條件方程式的坐標(biāo)表達(dá)式有：式中：，R2是右片相對(duì)于像空間輔助坐標(biāo)系的三個(gè)角元素j2，w2，k2的函數(shù)。線性化各偏導(dǎo)數(shù)的值為：將五個(gè)偏導(dǎo)數(shù)代入線性化方程得：在僅考慮一次小值項(xiàng)的情況下，上式中x2,y2可用像空間輔助坐標(biāo)系u2，v2取代并近似的認(rèn)為：式中，連續(xù)法相對(duì)定向中Q的幾何意義：Q為定向點(diǎn)上模型上下視差當(dāng)一個(gè)立體像對(duì)完成相對(duì)定向，Q＝0當(dāng)一個(gè)立體像對(duì)未完成相對(duì)定向，即同名光線不相交，Q≠0量測(cè)5個(gè)以上的同名點(diǎn)可以按最小二乘平差法求相對(duì)定向元素，有多余觀測(cè)的話，將Q視為觀測(cè)值。（2）誤差方程及法方程的建立2、單獨(dú)法解析相對(duì)定向原理式中：按照連續(xù)像對(duì)的推演方法，得單獨(dú)相對(duì)定向的誤差方程式：二、相對(duì)定向元素解算過程連續(xù)像對(duì)相對(duì)定向元素計(jì)算流程圖輸入像點(diǎn)坐標(biāo)（x輸入像點(diǎn)坐標(biāo)（x1,y1），（x2,y2）確定初始值φ2=ω2=k2=μ==0計(jì)算右片方向余玄值計(jì)算像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)（u1v1w1）,（u2v2w2）計(jì)算bv、bw和Ｎ1、Ｎ2逐點(diǎn)計(jì)算誤差方程式的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)逐點(diǎn)計(jì)算誤差方程式的法化并累加所有定像點(diǎn)是否計(jì)算完否否解法方程，求改正數(shù)求未知數(shù)新值改正數(shù)是否小于限差否計(jì)算完畢三、模型坐標(biāo)的解求按前方交會(huì)的方法，計(jì)算模型點(diǎn)的在像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。設(shè)模型點(diǎn)在像空間輔助坐標(biāo)系Ｓ1-U1V1W1中的坐標(biāo)為（U，V，W），計(jì)算過程為：根據(jù)相對(duì)定向元素，計(jì)算像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)。計(jì)算左右像片的投影系數(shù)N1，N2求模型點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)§5－5立體模型的解析法絕對(duì)定向一、絕對(duì)定向的概念要確定模型點(diǎn)的大地坐標(biāo)，需要對(duì)立體模型作三維的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放，確定立體模型的在大地坐標(biāo)系中的方位和大小，這一過程稱為模型的絕對(duì)定向。注意：絕對(duì)定向時(shí)，為了計(jì)算方便，要求變換前后兩坐標(biāo)系得對(duì)應(yīng)軸系得方向大致相同。由于大地坐標(biāo)系是左手系，它的Xt,Yt與對(duì)應(yīng)的攝影測(cè)量坐標(biāo)系的XY之間的角度不是小角度，不便于兩者之間直接換算。因此，在絕對(duì)定向之前，應(yīng)先將控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)換算為地面攝影測(cè)量坐標(biāo)；然后利用這些控制點(diǎn)，在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)和空間輔助坐標(biāo)之間，進(jìn)行絕對(duì)定向，計(jì)算出模型點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)；最后，將模型點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)換算為大地坐標(biāo)。實(shí)際上絕對(duì)定向的主要工作是把模型點(diǎn)的空間輔助坐標(biāo)變換為地面的攝影測(cè)量坐標(biāo)。二、絕對(duì)定向的基本關(guān)系式（空間相似變換公式）要把模型納入地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系D-XYZ中，需要借助于已知的地面控制點(diǎn)來進(jìn)行兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放。公式為：絕對(duì)定向元素：XS，YS，ZS，λ，Φ，Ω，Kλ——縮放系數(shù)Φ，Ω，K——兩坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角XS，YS，ZS——坐標(biāo)原點(diǎn)平移量由于這種變換前后圖形的幾何形狀相似，所以又稱空間相似變換。解析絕對(duì)定向，就是利用已知的地面控制點(diǎn)，從絕對(duì)定向的關(guān)系式出發(fā)，解求七個(gè)絕對(duì)定向元素。三、絕對(duì)定向公式的線性化由于Φ，Ω，K均為小角度絕對(duì)定向的基本關(guān)系式近似值可表示為：四、絕對(duì)定向元素的解算平高控制點(diǎn)：已知平面坐標(biāo)和高程的控制點(diǎn)。高程控制點(diǎn)：僅已知高程的控制點(diǎn)。一個(gè)平高點(diǎn)可以出三個(gè)方程，因此至少需要兩個(gè)平高控制點(diǎn)和一個(gè)高程控制點(diǎn)，且三點(diǎn)不要在一條直線上。實(shí)際作業(yè)時(shí)，一般在模型四角布設(shè)四個(gè)控制點(diǎn)，用間接平差方法解求絕對(duì)定向元素。將像空間輔助坐標(biāo)（U，V，W）視為觀測(cè)值。由于Φ，Ω，K均為小角度且λ0≈1,所以，即相應(yīng)法方程為由于絕對(duì)定向的誤差方程式是一次項(xiàng)近似公式，因此絕對(duì)定向元素的解算需要迭代。五、采用重心化坐標(biāo)解求絕對(duì)定向元素目的：減少模型點(diǎn)坐標(biāo)在計(jì)算過程中的有效位數(shù)，以保證計(jì)算的精度使法方程的系數(shù)簡(jiǎn)化，個(gè)別項(xiàng)數(shù)值變?yōu)榱悖蕴岣哂?jì)算速度單元模型中全部控制點(diǎn)的空間輔助坐標(biāo)和地面攝影測(cè)量坐標(biāo)的重心坐標(biāo)：相應(yīng)的重心化坐標(biāo)將重心化坐標(biāo)代入絕對(duì)定向的基本關(guān)系式：△Ｘ，△Ｙ，△Ｚ，為重心平移的近似值絕對(duì)定向元素的解求是一個(gè)逐漸趨近的過程。求出絕對(duì)定向元素后，將待定點(diǎn)的重心化坐標(biāo)按公式求出待定點(diǎn)的重心化地面攝影測(cè)量坐標(biāo)，再加上重心坐標(biāo)，求得地面攝影測(cè)量坐標(biāo)，最后再轉(zhuǎn)換成地面測(cè)量坐標(biāo)。六、絕對(duì)定向元素的計(jì)算步驟獲取控制點(diǎn)的兩套坐標(biāo)X,Y,ZＵ,Ｖ,Ｗ給定相似變換參數(shù)的初值l＝1,F＝W＝K＝0,△X＝0,△Y＝0,△Z＝0計(jì)算重心化坐標(biāo)計(jì)算誤差方程式的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)解法方程，求相似變換參數(shù)改正數(shù)計(jì)算計(jì)算絕對(duì)定向元素的新值判斷迭代是否收斂七、雙像解析的相對(duì)定向－絕對(duì)定向法用連續(xù)像對(duì)或單獨(dú)像對(duì)的相對(duì)定向元素的誤差方程式解求相對(duì)定向元素；由相對(duì)定向元素組成左右像片的旋轉(zhuǎn)矩陣，并利用前方交會(huì)公式求出模型點(diǎn)在像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；根據(jù)已知地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)，按絕對(duì)定向的誤差方程式求出立體模型的絕對(duì)定向元素。按絕對(duì)定向公式，將所有待定點(diǎn)坐標(biāo)納入地面攝影測(cè)量坐標(biāo)?！?－5雙像解析的光束法嚴(yán)密解雙像解析攝影測(cè)量，可分為用已知點(diǎn)解求像片的外方位元素，再用前方交會(huì)的方法解求待定點(diǎn)坐標(biāo)，也可以相對(duì)定向-絕對(duì)定向計(jì)算步驟來解求。光束法是把上述的分步方法，變?yōu)橐粋€(gè)整體，用已知的少數(shù)控制點(diǎn)以及待求得地面點(diǎn)，在像對(duì)內(nèi)，同時(shí)解求兩張像片的外方位元素與待定點(diǎn)坐標(biāo)。這種方法理論嚴(yán)密，精度較高。一立體像對(duì)光速法嚴(yán)密解1、基本關(guān)系式共線方程：未知數(shù)：六個(gè)外方位元素和待求點(diǎn)地面攝影測(cè)量坐標(biāo)已知數(shù)：內(nèi)方位元素觀測(cè)值：像點(diǎn)坐標(biāo)2、建立誤差方程和法方程：式中顯然對(duì)控制點(diǎn)而言：與上式對(duì)應(yīng)的法方程式：消除待定點(diǎn)的一組坐標(biāo)改正數(shù)，形成改化法方程，求解外方位元素改正數(shù)：二雙像解析攝影測(cè)量三種解法的比較、方法嚴(yán)密性控制點(diǎn)要求使用場(chǎng)合后交－前交法點(diǎn)位精度決定于外方位元素精度沒有利用多余條件3個(gè)平高點(diǎn)已知像片外方位元素，確定少量待定點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)定向－絕對(duì)定向法點(diǎn)位精度決定于相對(duì)定向－絕對(duì)定向精度不能嚴(yán)格表達(dá)影像的外方位元素2個(gè)平高點(diǎn)＋1個(gè)高程點(diǎn)航帶法加密一步定向法理論最嚴(yán)密精度最高2個(gè)平高點(diǎn)＋1個(gè)高程點(diǎn)光束法加密第六章解析空中三角測(cè)量§6－1概述一、解析空中三角測(cè)量的概念根據(jù)航攝像片確定地面點(diǎn)的空間位置，一般都需要四個(gè)（或以上）地面控制點(diǎn)。這些控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)雖然可以全部在野外實(shí)測(cè)得到，但這種方法工作量大、效率低，在某些地區(qū)甚至難以實(shí)現(xiàn)。能否只要在一條航帶內(nèi)十幾個(gè)像對(duì)中，或幾條航帶構(gòu)成的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，只測(cè)量少量的外也控制點(diǎn)，在內(nèi)業(yè)按一定的數(shù)學(xué)模型平差計(jì)算出雙像測(cè)圖所必需的控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)呢？答案是肯定的，解析空中三角測(cè)量就是為解決這個(gè)問題而提出的方法。通常，把野外實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)叫做像片控制點(diǎn)，通過空中三角測(cè)量所得到控制點(diǎn)叫做加密點(diǎn)。利用計(jì)算的方法，根據(jù)航攝像片上所量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)以及極少量的地面控制點(diǎn)求出地面加密點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，稱之為解析空中三角測(cè)量。俗稱攝影測(cè)量加密。二、解析空中三角測(cè)量的意義不觸及被量測(cè)目標(biāo)即可測(cè)定其位置和幾何形狀可快速地在大范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)定，以節(jié)省野外測(cè)量工作量不受通視條件限制攝影測(cè)量平差時(shí)，區(qū)域內(nèi)部精度均勻，且不受區(qū)域大小限制三、空中三角測(cè)量的分類1、按發(fā)展階段：（1）模擬空中三角測(cè)量：早期的空中三角測(cè)量，由于受到計(jì)算工具的限制，一般采用圖解法或光學(xué)機(jī)械法，在全能型立體測(cè)圖儀上根據(jù)攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)原理建立航帶模型，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的加密。（2）解析空中三角測(cè)量：利用電子計(jì)算機(jī)，根據(jù)人工觀測(cè)方法在坐標(biāo)量測(cè)儀或解析測(cè)圖儀上量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)，采用一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)。（3）數(shù)字空中三角測(cè)量（自動(dòng)空中三角測(cè)量）：直接在數(shù)字影像上，自動(dòng)或半自動(dòng)地采集加密點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)。注意：當(dāng)前數(shù)字空中三角測(cè)量以成為主流作業(yè)方式，但是數(shù)字空中三角測(cè)量仍然沿用解析空中三角測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。2、按平差計(jì)算范圍的大小:（1）單模型空中三角測(cè)量：雙像解析攝影測(cè)量就是單模型的解析空中三角測(cè)量。在單個(gè)立體像對(duì)中加密大量的點(diǎn)或用解析法高精度地測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。（2）單航帶空中三角測(cè)量：是以一條航帶為加密單元進(jìn)行平差計(jì)算。（3）區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量：是以若干條航線作為加密區(qū)域，按最小二乘法進(jìn)行整體平差運(yùn)算，以取得加密點(diǎn)的最或是值。3、按平差的數(shù)學(xué)模型:(1)航帶法空中三角測(cè)量：是以一條航帶作為平差的基本單元。(2)獨(dú)立模型法空中三角測(cè)量：以單元模型作為平差的基本單元。(3)光束法空中三角測(cè)量：是以每張像片組成的一束光線作為平差基本單元?！?－２解析空中三角測(cè)量簡(jiǎn)介一、航帶法解析空中三角測(cè)量(1)基本思想把許多立體像對(duì)構(gòu)成的單個(gè)模型連結(jié)成一個(gè)航帶模型，將航帶模型視為單元模型進(jìn)行解析處理，通過消除航帶模型中累積的系統(tǒng)誤差，將航帶模型整體納入到測(cè)圖坐標(biāo)系中，從而確定加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)。(2)基本流程像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)與系統(tǒng)誤差預(yù)改正。得到像控點(diǎn)和加密點(diǎn)的以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面直角坐標(biāo)。立體像對(duì)相對(duì)定向。對(duì)航帶中每個(gè)像對(duì)進(jìn)行連續(xù)法相對(duì)定向，建立立體模型，此時(shí)，每個(gè)像對(duì)相對(duì)定向以左像片為基準(zhǔn)，求右像片相對(duì)左像片的相對(duì)定向元素，以航帶中第一張像片的像空間坐標(biāo)作為像空間輔助坐標(biāo)系，對(duì)第一個(gè)像對(duì)進(jìn)行相對(duì)定向。之后，保持左片不動(dòng)，即以第一像對(duì)右片的相對(duì)角方位作為第二像對(duì)左片的相對(duì)角方位元素，為已知值，對(duì)第二像對(duì)進(jìn)行連續(xù)法相對(duì)定向，求出第三張像片相對(duì)于第二張像片的相對(duì)定向元素，如此下去，直到完成所有像對(duì)的相對(duì)定向。這時(shí)整條航帶像空間輔助坐標(biāo)系均化為統(tǒng)一的像空間輔助坐標(biāo)系。模型連接構(gòu)建自由航帶網(wǎng)。由于各像對(duì)的基線是任意給的，因此各模型的比例尺不一致，為此，利用相鄰模型公共點(diǎn)像空間輔助坐標(biāo)應(yīng)相等為條件，進(jìn)行模型連接，構(gòu)成航帶模型。航帶網(wǎng)的概略絕對(duì)定向。根據(jù)控制點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)，將整個(gè)航帶模型進(jìn)行絕對(duì)定向，使整條航帶網(wǎng)的在航帶空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)納入到地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中，得到模型點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)。航帶模型非線性改正。由于在建立航帶沒模型的過程中不可避免地有誤差存在，同時(shí)還要受到誤差累積的影響，致使航帶或區(qū)域網(wǎng)產(chǎn)生非線性變形，為此需要根據(jù)地面控制點(diǎn)按變形規(guī)律進(jìn)行改正。加密點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。二、獨(dú)立模型法解析空中三角測(cè)量(1)基本思想基于單獨(dú)法相對(duì)定向建立單個(gè)單元模型。把一個(gè)單元模型（可以有一個(gè)立體像對(duì)或兩個(gè)立體像對(duì)，甚至三個(gè)立體像對(duì)組成）視為剛體，利用各單元模型彼此間的公共點(diǎn)連成一個(gè)區(qū)域，在連接過程中，每個(gè)單元模型只能做平移、縮放、旋轉(zhuǎn)（因?yàn)樗鼈兪莿傮w），這樣的要求只能通過單元模型的三維線性變換（空間相似變換）來完成。在變換中要使模型間公共點(diǎn)的坐標(biāo)盡可能一致，控制點(diǎn)的計(jì)算坐標(biāo)應(yīng)與其地面攝測(cè)坐標(biāo)盡可能一致，同時(shí)觀測(cè)值改正數(shù)的平方和最小，在滿足這些條件的情況下，按最小二乘法原理求得待定點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)。(2)基本流程1、單獨(dú)法相對(duì)定向建立單元模型，獲取各單元模型的模型坐標(biāo)，包括攝站點(diǎn)。2、利用相鄰模型之間的公共點(diǎn)和所在模型的控制點(diǎn)，對(duì)每個(gè)模型各自進(jìn)行空間相似變換，列出誤差方程及法方程式。3、建立全區(qū)域的改化法方程式，并按循環(huán)分塊法來解求，求得每個(gè)模型點(diǎn)的七個(gè)絕對(duì)定向元素。4、按平差后求得的七個(gè)絕對(duì)定向元素，計(jì)算每個(gè)單元模型中待定點(diǎn)的坐標(biāo)，若為相鄰的模型公共點(diǎn)，取均值作為最后結(jié)果。三、光束法解析空中三角測(cè)量(1)基本思想以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地納入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而確定加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)及像片的外方位元素(2)基本流程1、各影像外方位元素和地面點(diǎn)坐標(biāo)近似值的確定?？梢岳煤綆Х▍^(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量方法提供影像外方位元素和地面點(diǎn)坐標(biāo)近似值；在豎直的情況下，也可以設(shè)φ=ω=0，k的值和地面點(diǎn)坐標(biāo)的近似值可以在舊地形圖中讀出。2、逐點(diǎn)建立誤差方程式和改化法方程。從每幅影像上的控制點(diǎn)和待定點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)出發(fā)，按每條攝影光線的共線方程理出誤差方程式。3、利用邊法化邊消元循環(huán)分塊法解求改化法方程。4、求出每張像片的外方位元素。5、空間前方交會(huì)求得待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)，對(duì)像片公共連接點(diǎn)取其均值作為最后的成果。四、三種區(qū)域網(wǎng)平差方法比較航帶法的數(shù)學(xué)模型是航帶坐標(biāo)的非線性多項(xiàng)式改正公式，觀測(cè)值是自由航帶中各點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)，平差單元為航帶。整體平差未知數(shù)是各航帶的多項(xiàng)式改正數(shù)。顯然這種平差方法的特點(diǎn)是未知數(shù)少，解算方便和快速，但精度不高。所謂的觀測(cè)值，即航帶坐標(biāo)并不是真正的原始觀測(cè)值，故彼此并不獨(dú)立，因此不是嚴(yán)密的平差方法。目前該方法主要用于為嚴(yán)密的平差提供初始值和小比例尺低精度點(diǎn)位加密。獨(dú)立模型法數(shù)學(xué)模型是單元模型的空間相似變換公式，觀測(cè)值是模型坐標(biāo)，平差單元式獨(dú)立模型。未知數(shù)是各模型空間相似變換的7個(gè)參數(shù)和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)。該方法未知數(shù)較多，如果能顧及模型坐標(biāo)之間的相關(guān)特性，獨(dú)立模型法在理論上與光束法同樣的嚴(yán)密。光束法區(qū)域網(wǎng)平差數(shù)學(xué)模型是共線條件方程式，平差單元式單個(gè)光束，每幅影像的像點(diǎn)坐標(biāo)為原始觀測(cè)值，未知數(shù)是各影像的外方位元素和所有待求點(diǎn)的地面坐標(biāo)。它是最嚴(yán)密的一種解法。誤差方程式直接對(duì)原始觀測(cè)值列出，能最方便的顧及影像系統(tǒng)誤差的影響，最便于引入非攝影測(cè)量附加觀測(cè)值，如導(dǎo)航數(shù)據(jù)和地面測(cè)量觀測(cè)值。第七章數(shù)字地面模型簡(jiǎn)介一、地形表達(dá)方式自古以來人類就時(shí)自身所處的地表環(huán)境信息感興趣，利用各仲方法測(cè)定地表形態(tài)并加以描述。繪畫是古老的方法之一，它是對(duì)繪畫對(duì)像作了藝術(shù)的概括但它沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和特有的地圖符號(hào)。主要表達(dá)了對(duì)象的形態(tài)特征和色彩特征。另一種古老但非常有效并一直沿用到現(xiàn)代的精確表達(dá)地表現(xiàn)象的方式是地圖。地圖實(shí)現(xiàn)了在各種二維介質(zhì)平面上描述實(shí)際地形表面的三維信息。地圖實(shí)質(zhì)上就是按一定的數(shù)學(xué)法則，運(yùn)用符號(hào)系統(tǒng)．概括地將地球上各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象縮小表示在平面上的圖形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展以及生產(chǎn)實(shí)踐的要求，人們開始利用數(shù)字形式表示地表信息，以住傳統(tǒng)產(chǎn)品正逐漸被數(shù)字產(chǎn)品所取代．其中典型產(chǎn)品有數(shù)字地圖與數(shù)字地面模型(DTM)。二、數(shù)字地面模型的應(yīng)用領(lǐng)域在測(cè)繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖等。在遙感作為分類的輔助數(shù)據(jù)，它是地理信息系統(tǒng)得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀分析，合理規(guī)劃及洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等等。在軍事上可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)等。三、數(shù)字地面模型的發(fā)展過程數(shù)字地面模型最初是美國(guó)麻省理工學(xué)院Miller教授為了高速公路的自動(dòng)設(shè)計(jì)與1956年提出的。此后被用于各種線路（鐵路、公路、輸電線路）的設(shè)計(jì)及各種工程的面積體積、坡度的計(jì)算等等。數(shù)字地面模型的理論由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用三部分組成。對(duì)它的研究經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期。20世紀(jì)50年代末，概念的形成時(shí)期。60~70年代初，對(duì)DTM的內(nèi)插問題進(jìn)行大量的研究。70年代中后期，對(duì)采樣方法進(jìn)行了研究。80年代以來，對(duì)DTM的研究涉及到DTM的各個(gè)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在著名的DTM軟件包四、著名的DTM軟件包Munich大學(xué)研制的HIFI程序Hannover大學(xué)研制的TASH程序奧地利Vienna工業(yè)大學(xué)研制SORA程序瑞士Zurich工業(yè)大學(xué)研制的CIP程序五、數(shù)字地面模型的概念數(shù)字地面模型DTM是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示。DTM是定義在某一區(qū)域D上的m維向量有限序列：{Vi,i=1,2,…,n}其向量Vi的分量為地形Xi，Yi，Zi（（Xi，Yi）∈D）、資源、環(huán)境、土地利用、人口分布等多種信息的定量或定性描述。若只考慮DTM的地形分量，我們通常稱其為數(shù)字高程模型（DEM）。數(shù)字高程模型DEM（DigitalElevationModel）或DHM(DigitalHeightModel)是表示區(qū)域D上地形的三維向量有限序列｛Vi=（Xi，Yi，Zi），i=1，2，…n｝其中（Xi，Yi）∈D是平面坐標(biāo)，Zi是（Xi，Yi）對(duì)應(yīng)的高程。六、數(shù)字高程模型DEM表示形式1、規(guī)則矩形格網(wǎng)利用一系列在X，Y方向上都是等間隔排列的地形點(diǎn)的高程Z表示地形，形成一個(gè)矩形格網(wǎng)DEM。矩形格網(wǎng)DEM中任意格網(wǎng)點(diǎn)的(Xi,Yi)坐標(biāo)可由起始點(diǎn)（一般為左下角）坐標(biāo)X0Y0及其所在列、行數(shù)推導(dǎo)出來。設(shè)DEM格網(wǎng)在X、Y方向間隔為△X、△Y，總列、行數(shù)為m、n，則任意格網(wǎng)點(diǎn)Pij的平面坐標(biāo)為Xi=X0+i*△X（i=0，1，···，NX－1）Yi=Y0+j*△Y（j=0，1，···，NY－1）特點(diǎn)：存貯量最小、便于使用管理。缺點(diǎn)是有時(shí)不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)與細(xì)部。2、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN若將按地形特征采集的點(diǎn)按一定規(guī)則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的許多三角形，構(gòu)成一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)TIN表示的DEM,通常稱為三角網(wǎng)DEM或TIN。特點(diǎn)：能較好地顧及地貌特征點(diǎn)、線，表示復(fù)雜地形表面比矩形格網(wǎng)精確。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用與管理也較復(fù)雜。3、Grid-TIN混合網(wǎng)德國(guó)Ebner教授等提出了Grid-TIN混合形式的DEM,一般地區(qū)使用矩形網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沿地形特征則附加三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第八章數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量8.1概述目前，世界上對(duì)于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的定義，主要有兩種觀點(diǎn)。1、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于數(shù)字影象和攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖象處理、影象匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對(duì)象以數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科。美國(guó)等國(guó)稱之為軟拷貝攝影測(cè)量，我國(guó)王之卓教授稱為全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。這種定義認(rèn)為，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量過程中，不僅產(chǎn)品是數(shù)字的，而且中間數(shù)據(jù)的記錄以及處理的原始資料均是數(shù)字的。2、另一種定義，則只強(qiáng)調(diào)其中間數(shù)據(jù)記錄及最終產(chǎn)品是數(shù)字形式的，即數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從影像（包括硬拷貝，數(shù)字影像或數(shù)字化影像）提取所攝對(duì)象以數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量分支學(xué)科。8.2數(shù)字影像采樣及重采樣數(shù)字影像是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)。因此，關(guān)于數(shù)字影像、影像的灰度影像的采祥及重采樣等都是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量最基本的概念。一、光學(xué)影像和數(shù)字影像傳統(tǒng)的攝影機(jī)用光學(xué)影像記錄景物的幾何與物理信息．景物的輻射強(qiáng)度（亮度〕在光學(xué)影像上，反映為影像的黑白程度．稱為影像的灰度或光學(xué)密度。在透明像片〔正片成負(fù)片）上灰度表現(xiàn)為影像的透明程度．即透光的能力。如圖所示，設(shè)投射在底片上的光通量為F0,經(jīng)底片吸收后而通過底片的光通量為F，則透光率為：透光率的倒數(shù)為阻光率O,則阻光率越大，說明底片阻光本領(lǐng)就越大，底片吸收的光就越多，變黑的程度就大。但人眼對(duì)明暗的感覺是按對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，取阻光率的對(duì)數(shù)為影像的光學(xué)密度或灰度。航攝底片的實(shí)際灰度值一般在0.3~1.8范圍之類。注意：光學(xué)影像在像幅的幾何空間和灰度空間上是連續(xù)的。數(shù)字影像是一個(gè)灰度矩陣：矩陣中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)于被攝物體或光學(xué)影像的一個(gè)微小區(qū)城稱為像元或像素，它是數(shù)宇影像的最小的整本單元。矩陣的每一行對(duì)應(yīng)于一個(gè)掃描行．像素的點(diǎn)位坐標(biāo)用行列號(hào)表示．稱為掃描坐標(biāo)。二、影像數(shù)字化數(shù)字影象可直接從裝在飛行器上的傳感器產(chǎn)生,記錄在磁介質(zhì)上;也可以利用影像數(shù)字化器對(duì)攝取的光學(xué)影像掃描來獲取,即把原來模擬方式的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信息。影像掃描數(shù)字化過程包括采樣與量化兩項(xiàng)內(nèi)容。光學(xué)影像上的像點(diǎn)是連續(xù)分布的，但在數(shù)字化過程中不可能將每一個(gè)連續(xù)的像點(diǎn)全部數(shù)字化．而只能每隔一個(gè)間隔△獲取一個(gè)微小區(qū)城的灰度值．這個(gè)過程稱為采樣．△稱為采樣間隔。采樣時(shí)所取的區(qū)域通常是正方形的微小影像塊．即像素。影像塊的大小通常等于采樣間隔．也等于像素的尺寸。通過上述采樣過程得到的每個(gè)區(qū)域的灰度值常不是整數(shù)不便于實(shí)際計(jì)算。為此，應(yīng)將各區(qū)城的灰度值取為整數(shù)這一過程稱為影像灰度的量化。其方法是將透明像片有可能出現(xiàn)的最大灰度變化范圍進(jìn)行等分，等分的數(shù)目稱為灰度等級(jí)，然后將每個(gè)區(qū)域的灰度值在其對(duì)應(yīng)的灰度等級(jí)內(nèi)取整．取整的原則是四舍五入。由于計(jì)算饑中數(shù)字均用二進(jìn)制表示．因此灰度等級(jí)一般都取為2m（m是正整丘）。當(dāng)后m＝1時(shí)，灰度只有黑白兩級(jí)，即二值圖像。通常取m=8此時(shí)有256個(gè)灰度級(jí)．其級(jí)數(shù)是介于0與255之問的一個(gè)整數(shù)，0為黑，255為白，每個(gè)像元素的灰度值占8bit，即一個(gè)字節(jié)三、數(shù)字影像重采樣在對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行幾何處理，如旋轉(zhuǎn)、核線排列、數(shù)字糾正時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變換后影像的像素灰度取值問題。當(dāng)變換后影像對(duì)應(yīng)的原始影像位置正好位于整數(shù)（矩陣）點(diǎn)上時(shí)，直接取原始影像的像素值為變換后影像的像素值。但是．當(dāng)算得的原始影像不位于整數(shù)點(diǎn)上時(shí)．并無現(xiàn)成的灰度值存在。此時(shí)就必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ言擖c(diǎn)周圍整數(shù)點(diǎn)位上灰度值對(duì)該點(diǎn)的灰度貢獻(xiàn)積累起來．構(gòu)成該點(diǎn)位新的灰度值這個(gè)過稱為數(shù)字影像灰度的重采樣。也就是說，當(dāng)預(yù)知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)g(x,y)的數(shù)值時(shí)就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)稱為重采樣，意即在原采樣的基礎(chǔ)上再一次采樣。常用的重采樣方法有雙線性插值法、雙三次卷積法和最鄰近像元法。四、雙線性插值法雙線性插值法的卷積核（權(quán)函數(shù)）是一個(gè)三角形函數(shù)表達(dá)式為：此時(shí)需要采樣點(diǎn)P附近的四個(gè)原始像素參加計(jì)算計(jì)算可沿x方向和y方向分別進(jìn)行。先沿y方向分別對(duì)點(diǎn)a,b的灰度值進(jìn)行重采樣．再利用這兩點(diǎn)沿x方向?qū)點(diǎn)重采樣。實(shí)際上將上述運(yùn)算過程經(jīng)整理歸納后，可以把兩個(gè)方向的計(jì)算合為一個(gè)．可直接計(jì)算出四個(gè)原始點(diǎn)對(duì)點(diǎn)P所作貢獻(xiàn)的權(quán)值．以構(gòu)成一個(gè)2x2的二維卷積核W（權(quán)矩陣〕,把它與四個(gè)原始像元灰度值構(gòu)成的2x2灰度矩陣I，作哈達(dá)瑪積運(yùn)算得出一個(gè)新的矩陣．然后把這新的矩陣元素累加起來即可得到重采樣點(diǎn)P的灰度值IP。數(shù)字影像重采樣常用三種方法中，最鄰近像元法最簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快且能不破壞原始影像的灰度信息。但其幾何精度較差，。前兩種方法幾何精度較好，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，特別是雙三次卷積法較費(fèi)時(shí)，在一般值情況下用雙線性插值法較宜。8.2核線相關(guān)一、核線的概念通過攝影基線與地面所作的平面稱為核面。核面與影像面交線稱為核線。同名像點(diǎn)必定在同名核線上。二、同名核線的確定在影像數(shù)字化過程中，像元是按矩陣形式規(guī)則排列的，掃描行不是核線方向。因此進(jìn)行核線相關(guān)，必須先找到核線，建立核線影像。同名核線的確定常用兩種方法：一種是基于數(shù)字影像的幾何糾正；另一種是基于共面方程?；跀?shù)字影像幾何糾正的核線關(guān)系一般情況下，核線在傾斜像片上是互不平行的，它們相交于核點(diǎn)，只有像片平行于攝影基線時(shí)，像片與攝影基線相交在無窮遠(yuǎn)處，所有核線才相互平行，且平行于像片x軸。正是“水平”的影像具有這一特性，我們就有可能在“水平”像片上建立規(guī)則格網(wǎng)，它的行就是核線，核線上的像元素的灰度可由它對(duì)應(yīng)的實(shí)際像片上的像元素灰度重采樣獲得。如圖所示，P,P0分別傾斜的像片和水平的像片，設(shè)傾斜像片上的像點(diǎn)坐標(biāo)(xy)，水平像片上坐標(biāo)為（xt,yt）則兩者之間關(guān)系為：式中：ai,bi,ci九個(gè)方向余弦是該像片外方位元素的函數(shù)，f是像片主距。顯然在水平像片上，同一核線的像點(diǎn)坐標(biāo)值yt為常數(shù)，令yt=c代入上式得：是否是采樣點(diǎn)若在“水平”像片上等間隔取一系列xt=k△,可求得一系列像點(diǎn)坐標(biāo)(x1,y1),(x2y2),(x3y3)……這些像點(diǎn)位于傾斜像片p的核線上。是否是采樣點(diǎn)水平影像傾斜影像同理將y’t=c代入另一張像片，由此可得到同名核線。基于共面方程的核線幾何關(guān)系從核線定義出發(fā)，直接在傾斜影像上獲取同名核線。如圖所示，在左片目標(biāo)區(qū)選定一個(gè)像點(diǎn)a(xa,ya)，如何確定過a點(diǎn)的核線l和右片搜索區(qū)的同名核線l’？要確定l，需要再定出l上另一個(gè)點(diǎn)b(xb,yb)；要確定l’，需確定其上兩個(gè)點(diǎn)a’(x’a,y’a)和b(x’b,y’b)，這里不要求a,a’或b,b’是同名像點(diǎn)。左核線的確定：當(dāng)給定xb，由上式求得對(duì)應(yīng)的yb，因此就可確定右核線的確定：三、核線重采樣8.3數(shù)字影像匹配原理在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中是以影像匹配是以影像匹配代替人工觀測(cè)，來達(dá)到自動(dòng)確定同名像點(diǎn)的目的。最初的影像匹配是利用相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此影像匹配也稱為影像相關(guān)。注意：影像相關(guān)只是影像匹配的一個(gè)方面，影像匹配包括影像相關(guān)，但涵蓋的范圍更廣泛。一、數(shù)字影像相關(guān)原理通過取出以待定點(diǎn)為中心的左影像的小區(qū)域的影像信號(hào)與右影像上相應(yīng)區(qū)域的影像信號(hào)，計(jì)算它們的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的右影像區(qū)域的中心即為待定點(diǎn)的同名點(diǎn)，這種求解同名點(diǎn)的過程就叫影像相關(guān)。即以影像信號(hào)分布最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域，同名區(qū)域的中心為同名點(diǎn)。1、二維影像相關(guān)二維影像相關(guān)時(shí)，先在左影像上取以待定點(diǎn)（目標(biāo)點(diǎn)）為中心的目標(biāo)區(qū)，其大小為m×n（通常m=n），粗略估計(jì)其同名點(diǎn)在右影像上可能存在的區(qū)域，在右影像上取搜索區(qū)大小為k×l（k>m，l>n），依次取搜索區(qū)中與目標(biāo)區(qū)大小相同的窗口，并計(jì)算其與目標(biāo)區(qū)的相關(guān)系數(shù)，比較所有的相關(guān)系數(shù)，取其最大值或者最小值（依算法而定）對(duì)應(yīng)的搜索區(qū)中所取區(qū)域的中心為待定點(diǎn)的同名點(diǎn)。2、一維影像相關(guān)一維影像相關(guān)大也稱核線相關(guān)。立體像對(duì)相對(duì)定向后，建立了核線影像。由于同名像點(diǎn)必然在同名核線上，此時(shí)同名像點(diǎn)只需在一個(gè)方向上搜索，只進(jìn)行一維影像相關(guān)。理論上目標(biāo)區(qū)和搜索區(qū)可以是一維窗口，但是為了保證相關(guān)結(jié)果的可靠性，提高精度，通常用較多的像素參加計(jì)算。因此取待定點(diǎn)為中心的目標(biāo)區(qū)，大小為m×n，搜索區(qū)大小為為m×l(l>n)搜索只在一個(gè)方向進(jìn)行，并計(jì)算其與目標(biāo)區(qū)的相關(guān)系數(shù)，比較所有的相關(guān)系數(shù)，取其最大值或者最小值（依算法而定）對(duì)應(yīng)的搜索區(qū)中所取區(qū)域的中心為待定點(diǎn)的同名點(diǎn)。3、分頻道影像相關(guān)（金字塔影像相關(guān)）從粗到精的相關(guān)策略。即先通過低通濾波，，得到降低分辨率的數(shù)字影像，以便在在大的范圍內(nèi)，進(jìn)行初相關(guān)，找到同名點(diǎn)的粗略位置，作為預(yù)測(cè)值；然后逐漸采用較高分辨率的影像，在逐漸變小的搜索區(qū)中進(jìn)行相關(guān)；最后用原始分辨率影像進(jìn)行相關(guān)，以得到做好額精度。這就是分頻道影像相關(guān)的方法。在分頻道相關(guān)時(shí)，需要獲得不同等級(jí)分辨率的數(shù)字影像。這些影像采用逐次低通濾波，并增大采樣間隔方式，得到一個(gè)像元素總數(shù)逐漸變小的影像序列，將這些影像疊置起來頗像一座金字塔，因而稱之為金字塔影像結(jié)構(gòu)。對(duì)于實(shí)際的二維相關(guān)，通過2×2（或3×3）個(gè)像元平均為一個(gè)像元構(gòu)成第二級(jí)影像，再在第二級(jí)影像基礎(chǔ)上構(gòu)成第三級(jí)影像，依次類推，構(gòu)成金字塔影像。二、數(shù)字影像匹配基本算法1、相關(guān)系數(shù)法相關(guān)系數(shù)十標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)方差函數(shù)，協(xié)方差除以兩信號(hào)的方差即為相關(guān)函數(shù)。函數(shù)和的相關(guān)系數(shù)為：若r（p0,q0）＞r（p,q）（p1p0，q1q0），則p0,q0為搜索區(qū)影像相對(duì)于目標(biāo)區(qū)影像的位移參數(shù)。對(duì)于一維相關(guān)應(yīng)有qo0對(duì)于離散灰度數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)公式為相關(guān)系數(shù)的實(shí)用公式為：2、協(xié)方差法與相關(guān)系數(shù)法基本相同，不同之處僅在于采用的相關(guān)性的判據(jù)不同，這里采用協(xié)方差作為相似性判據(jù)。3、最小二乘影像匹配（高精度影像匹配）德國(guó)Ackermann教授提出了一種新的影像匹配方法——最小二乘影像匹配（LeastSquaresImageMatching）。影像匹配可以達(dá)到1/10甚至1/100像素的高精度。1）優(yōu)點(diǎn)如下：（1）最小二乘影像匹配中可以非常靈活地引入各種已知參數(shù)和條件（如共線方程等幾何條件，已知控制點(diǎn)坐標(biāo)），從而可以進(jìn)行整體平差。（2）解決“單點(diǎn)”的影像匹配問題，以求其“視差”；也可以直接解求其空間坐標(biāo)。（3）同時(shí)解決“多點(diǎn)”影像匹配或“多片”影像匹配。（4）引入“粗差檢測(cè)”，從而大大地提高影像匹配的可靠性。2）最小二乘影像匹配原理：該方法根據(jù)相關(guān)影像灰度差的平方和最小的原理，進(jìn)行平差計(jì)算?！盎叶炔畹钠椒胶妥钚　币虼?，它與最小二乘的原則是一致的。影像灰度存在偶然誤差與系統(tǒng)誤差。偶然誤差也稱隨機(jī)噪聲。系統(tǒng)變形有兩大類：輻射畸變；幾何畸變。在影像匹配中引入偶然誤差和變形參數(shù)，同時(shí)按最小二乘的原則，解求這些參數(shù)，就是最小二乘影像匹配的基本思想。第九章像片糾正與正射影像圖9.1像片糾正的概念與分類一、像片平面圖與像片糾正的概念像片糾正：攝影測(cè)量工作中，消除攝影時(shí)像片傾斜引起的像點(diǎn)位移，并限制或消除地形起伏引起的像點(diǎn)位移，同時(shí)歸化為成圖比例尺的技術(shù)和過程。像片平面圖：按圖幅的具有規(guī)定比例尺的（地面）物體的正射投影影像。二、像片糾正的原理與分類1、透視變換糾正（光學(xué)糾正）對(duì)平坦地區(qū)的像片，在光學(xué)糾正儀上經(jīng)透視變換實(shí)現(xiàn)的糾正的技術(shù)方法。注意：（1）所謂的平坦地區(qū)現(xiàn)在的測(cè)圖規(guī)范規(guī)定投影差不得超過圖上±04mm。（2）對(duì)水平地面提取的水平像片的影像即是地面的正射影像。（3）對(duì)平坦地區(qū)（地面起伏引起的像點(diǎn)位移可以忽略不計(jì)）只需消除像片傾斜引起的像點(diǎn)位移，即可得到正射影像。透視變換糾正特點(diǎn)：（1）使用光學(xué)糾正儀作業(yè)；（2）適用于平坦地區(qū)的影像作業(yè)；（3）整張像片經(jīng)透視變換一次完成；（4）投影曬印得到的規(guī)定比例尺的正射影像分辨率高。2、光學(xué)微分糾正光學(xué)微分糾正：對(duì)起伏地區(qū)，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，經(jīng)投影變換實(shí)現(xiàn)糾正的技術(shù)方法。通常由立體測(cè)圖儀提供（小面元a所對(duì)應(yīng)的）地面單元物方坐標(biāo)A（X,Y,,Z）由以建立的物像關(guān)系保證A,a對(duì)應(yīng)，根據(jù)（X,Y）和小面元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(diǎn)：（1）使用專門的正射投影儀作業(yè)；（2）適用于起伏地區(qū)的（消除傾斜位移和高差位移）；（3）作業(yè)依賴于立體測(cè)圖儀或DEM提供的地面幾何模型；（4）成果為逐像元曬印得到規(guī)定比例尺的正射影像。3、數(shù)字微分糾正對(duì)各類地區(qū)，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)上，以數(shù)字圖像的像元為糾正單元，根據(jù)以建立的物像關(guān)系及DEM，逐像元經(jīng)數(shù)字投影變換實(shí)現(xiàn)糾正的技術(shù)方法。也可以說：根據(jù)參數(shù)與數(shù)字高程模型，利用相應(yīng)的構(gòu)像方程式，或按一定的數(shù)學(xué)模型用控制點(diǎn)解算，從原始非正射投影的數(shù)字影像獲取正射影像，這種過程是將影像化為很多微小的區(qū)域逐一進(jìn)行數(shù)字微分糾正特點(diǎn)：（1）使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)；（2）適用于各類地區(qū)，為逐像元的嚴(yán)格糾正；（3）作業(yè)用的DEM可以在同一系統(tǒng)中自動(dòng)生成；（4）成果為數(shù)字正射影像。9.2數(shù)字微分糾正一、基本原理和解算方案基本任務(wù)：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維圖像之間的幾何變換。設(shè)任意像元在原始圖像與糾正后圖像中的坐標(biāo)分別為(x,y)和(X,Y)，它們存在映射關(guān)系，即反解法反解法正解法正解法數(shù)字糾正:像素的幾何位置和灰度二、反解法（間接法）數(shù)字微分糾正1、計(jì)算地面點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)正射影像任意一點(diǎn)像點(diǎn)P的坐標(biāo)為（X’，Y’）,由正射影像左下角圖廓點(diǎn)地面坐標(biāo)（X0，Y0）與正射影像比例尺分母M計(jì)算p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)2、計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)DEMDEMZ是P點(diǎn)的高程，由DEM內(nèi)插求得。3、灰度內(nèi)插4、灰度賦值5、灰度內(nèi)插二、正解法（直接法）數(shù)字微分糾正直接法數(shù)字糾正公式：直接法數(shù)字糾正實(shí)際上是由二維影像坐標(biāo)變換到三維空間坐標(biāo)的迭代解算過程。利用上述直接法公式進(jìn)行解算時(shí)．必須事先知道地面點(diǎn)高程Z，但Z又是地面平面坐標(biāo)(X,Y）的函數(shù)．因此，由原始像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)解算(X.Y)。必須先假定近似高程Z0，第一次求得地面坐標(biāo)(X1,Y1）再由數(shù)字高程模型內(nèi)抽出該點(diǎn)的高程Z1。重復(fù)上述步驟直列滿足精度為止。此外，由于糾正后影像上所得的像點(diǎn)不是規(guī)則排列的．可能出現(xiàn)空白，或重復(fù)像素．因此難以實(shí)現(xiàn)灰度內(nèi)描獲得規(guī)則排列的正射數(shù)字影像。由于直接解法的上述缺點(diǎn)，數(shù)字影像糾正一般采用間接方法。9.3數(shù)字正射影像圖的制作方法隨著測(cè)繪技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合與不斷發(fā)展。地圖不在局限與以往的模式，現(xiàn)代數(shù)字地圖主要由DOM(數(shù)字正射影像圖)、DEM(數(shù)字高程模型)、DRG(數(shù)字柵格地圖)、DLG(數(shù)字線劃地圖)以及復(fù)合模式組成。一、4D產(chǎn)品基本概念

DEM(數(shù)字高程模型)

數(shù)字高程模型是以高程表達(dá)地面起伏形態(tài)的數(shù)字集合?？芍谱魍敢晥D、斷面圖，進(jìn)行工程土石方計(jì)算、表面覆蓋面積統(tǒng)計(jì)，用于與高程有關(guān)的地貌形態(tài)分析、通視條件分析、洪水淹沒區(qū)分析。

DRG(數(shù)字柵格地圖)

數(shù)字柵格地圖是紙制地形圖的柵格形式的數(shù)字化產(chǎn)品。可作為背景與其他空間信息相關(guān)，用于數(shù)據(jù)采集、評(píng)價(jià)與更新，與DOM、DEM集成派生出新的可視信息。

DLG(數(shù)字線劃地圖)

現(xiàn)有地形圖上基礎(chǔ)地理要素分層存儲(chǔ)的矢量數(shù)據(jù)集。數(shù)字線劃圖既包括空間信息也包括屬性信息，可用于建設(shè)規(guī)劃、資源管理、投資環(huán)境分析等各個(gè)方面以及作為人口、資源、環(huán)境、交通、治安等各專業(yè)信息系統(tǒng)的空間定位基礎(chǔ)。DOM(數(shù)字正射影像圖)。二、數(shù)字正射影像圖的概念數(shù)字正射影像圖(DOM,DigitalOrthophotoMap)