攝影測量原理

定義分類平臺特點任務(wù)§1.1攝影測量學的定義與任務(wù)遙感影像地形圖傳統(tǒng)攝影測量學定義攝影測量學是利用光學攝影機獲取的像片，經(jīng)過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系的一門學科攝影測量與遙感定義1988年ISPRS在日本京都第16屆大會上定義：攝影測量與遙感是對非接觸傳感器系統(tǒng)獲得的影像及其數(shù)字表達進行記錄、量測和解譯，從而獲得自然物體和環(huán)境的可靠信息的一門工藝、科學和技術(shù)ISPRS(InternationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing)：PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandrepresentation.

攝影測量學：定義各種類型傳感器被攝物體影像通過量測和解譯過程自然物體及其環(huán)境的可靠信息DEMDLGDRGDOMRC30框幅式航攝儀ADS40數(shù)字航攝儀P31攝影經(jīng)緯儀近景影像航空光學影像ADS40數(shù)字航空影像正射影像圖三峽正射影象圖：七條航帶、175張航空影像三峽景觀圖：七條航帶、175張航空影像三維景觀圖攝影測量：分類航天攝影測量航空攝影測量地面攝影測量近景攝影測量顯微攝影測量地形攝影測量非地形攝影測量模擬攝影測量解析攝影測量數(shù)字攝影測量按距離遠近按用途按處理手段遙感平臺高度目的、用途其它航天飛機240～350km不定期地球觀測、空間實驗

無線電探空儀100m～100km各種調(diào)查（氣象等）

超高度噴氣機10000～12000m偵察、大范圍調(diào)查

中低高度飛機500～8000m各種調(diào)查、航空攝影測量

飛艇500～3000m空中偵察、各種調(diào)查

直升機100～2000m各種調(diào)查、航空攝影測量

無線遙探飛機500m以下各種調(diào)查、航空攝影測量飛機、直升機牽引飛機50～500m各種調(diào)查、航空攝影測量牽引滑翔機氣球800m以下各種調(diào)查

索道10～40m遺址調(diào)查

吊車5～50m地面實況調(diào)查

地面測量車0～30m地面實況調(diào)查車載升降臺攝影測量與遙感：平臺攝影測量：特點無需接觸物體本身獲得被攝物體信息由二維影象重建三維目標面采集數(shù)據(jù)方式同時提取物體的幾何與物理特性攝影測量：任務(wù)之一地形測量領(lǐng)域各種比例尺的地形圖、專題圖、特種地圖正射影像地圖、景觀圖建立各種數(shù)據(jù)庫提供地理信息系統(tǒng)和土地信息系統(tǒng)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)攝影測量：任務(wù)之二非地形測量領(lǐng)域生物醫(yī)學公安偵破古文物、古建筑建筑物變形監(jiān)測§1.2攝影測量學的發(fā)展歷程模擬攝影測量階段

(1851-1970)解析攝影測量階段

(1950-1980)數(shù)字攝影測量階段

(1970-現(xiàn)在）攝影測量學的三個發(fā)展階段模擬攝影測量光學像片光學機械測圖儀器人工建立立體模型人工量測和解譯機械繪圖圖解線劃地圖像片影像地圖利用光學/機械投影方法實現(xiàn)攝影過程的反轉(zhuǎn)，用兩個/多個投影器模擬攝影機攝影時的位置和姿態(tài)構(gòu)成與實際地形表面成比例的幾何模型，通過對該模型的量測得到地形圖和各種專題圖光學糾正儀SEG-1HJ-24WildA10模擬立體測圖儀解析攝影測量1954年，第一臺電子計算機問世1957年，海拉瓦博士提出解析測圖儀的思想，標志著解析攝影測量的開始20世紀70年代末至90年代初，解析攝影測量發(fā)展的鼎盛時期解析攝影測量光學像片解析測圖儀器計算機建立立體模型人工量測和解譯自動記錄數(shù)字線劃地圖數(shù)字高程模型像片影像地圖以電子計算機為主要手段，通過對攝影像片的量測和解析計算方法的交會方式來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置、性質(zhì)及其相互關(guān)系，并提供各種攝影測量產(chǎn)品的一門科學解析空三解析測圖儀數(shù)控正射儀德國Zeiss廠C-100型解析測圖儀瑞士Kern廠DSR-1型解析測圖儀瑞士WILD廠OR-1型數(shù)控正射投影儀德國Zeiss廠Z-2型數(shù)控正射投影儀數(shù)字攝影測量計算機硬、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，使功能增強，成本降低，并為編制大型軟件提供平臺20世紀70年代：數(shù)字攝影測量萌芽階段20世紀80年代：數(shù)字攝影測量原型研究階段20世紀90年代：真正推出可用于生產(chǎn)的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)數(shù)字攝影測量數(shù)字影像數(shù)字測量攝影系統(tǒng)自動建立立體模型自動量測和解譯自動記錄數(shù)字線劃地圖數(shù)字高程模型數(shù)字影像地圖數(shù)據(jù)庫基于攝影測量的基本原理，通過對所獲取的數(shù)字/數(shù)字化影像進行處理，自動（半自動）提取被攝對象用數(shù)字方式表達的幾何與物理信息，從而獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和目視化產(chǎn)品計算機技術(shù)數(shù)字圖像處理影像匹配模式識別DPW3-DmouseCrystaleyesVirtualPhotogrammetrynowisavailableSupresoftVirtuoZoNTVirtuoZo數(shù)字攝影測量系統(tǒng)JX-4A數(shù)字攝影測量工作站發(fā)展階段原始資料投影方式儀器操作方式產(chǎn)品模擬攝影測量像片物理投影模擬測圖儀手工操作模擬產(chǎn)品解析攝影測量像片數(shù)字投影解析測圖儀機助作業(yè)員操作模擬產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字攝影測量數(shù)字化影像數(shù)字影像數(shù)字投影計算機自動化操作+作業(yè)員干預(yù)數(shù)字產(chǎn)品模擬產(chǎn)品攝影測量三個發(fā)展階段的特點攝影測量：基本關(guān)系式表達像點與地面點之間關(guān)系影像中的幾何信息地物幾何位置模型重建幾何量測xyXYZXYZa

(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)共線條件單像攝影測量：理論基礎(chǔ)xyXYZ已知量未知量共線方程立體攝影測量：目的x1y1XYZ已知量未知量x2y2共線條件方程主要內(nèi)容一、共線條件方程的一般形式二、共線條件方程的應(yīng)用三、共線條件方程的線性化像片的基本知識回顧什么是共線條件方程共線條件方程的簡單推導(dǎo)一、共線條件方程的一般形式中心投影內(nèi)外方位元素常用坐標系空間坐標變換基本知識回顧航攝儀sxyxyzMZYXAao共線條件xyzXYZAasXsYsZsNYXZXA-XsYA-Ys(x,y,-f)(XA,YA,ZA)MZtpYtpXtp共線條件方程求像底點坐標單像空間后方交會和多像空間前方交會攝影測量中的數(shù)字投影基礎(chǔ)航空影像模擬光束法平差的基本數(shù)學模型利用DEM制作數(shù)字正射影像圖利用DEM進行單張像片測圖二、共線條件方程的應(yīng)用求像底點坐標像片仿真已知內(nèi)、外方位元素地面點空間坐標DEMDOMXYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)單像測圖已知內(nèi)、外方位元素像點坐標DEMXYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2目的觀測值x,y未知數(shù)Xs,Ys,Zs,,,,

X,Y,Z,x0,y0,f泰勒級數(shù)展開三、共線條件方程的線性化單片空間后方交會主要內(nèi)容一、定義二、誤差方程和法方程三、計算過程一、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（已知其像點和地面點的坐標），利用共線條件方程求解像片外方位元素XYZaxyzs(Xs,Ys,Zs)ACBbc已知值x0,y0,f,m,X,Y,Z觀測值x,y未知數(shù)Xs,Ys,Zs,,,,泰勒級數(shù)展開二、誤差方程共線條件方程外方位元素的計算當一張像片上至少有三個控制點時，誤差方程矩陣形式獲取已知數(shù)據(jù)m,x0,y0,f

,Xtp,Ytp,Ztp量測控制點像點坐標x,y確定未知數(shù)初值Xs0,Ys0,Zs0,

0,

0,

0

組成誤差方程式并法化解求外方位元素改正數(shù)檢查迭代是否收斂三、計算過程立體像對前方交會主要內(nèi)容一、定義二、基本公式三、利用立體像對確定地面點一、定義由立體像對中兩張像片的內(nèi)、外方位元素和像點坐標來確定相應(yīng)地面點在物方空間坐標系中坐標的方法XYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2已知值x0,y0,f,m

,Xs,Ys,Zs,,,

觀測值x,y未知數(shù)

X,Y,Z泰勒級數(shù)展開二、基本公式共線條件方程獲取已知數(shù)據(jù)x0,y0,f

,XS1,YS1,ZS1,

1,

1,

1,XS2,YS2,ZS2,

2,

2,

2量測像點坐標

x1,y1,

x2,y2由外方位線元素計算基線分量

BX,BY,BZ由外方位角元素計算像空間輔助坐標

X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2計算點投影系數(shù)N1,N2計算地面坐標XA,YA,ZA計算過程解析法相對定向主要內(nèi)容一、相對定向元素二、解析相對定向原理三、相對定向元素計算四、模型點坐標計算

描述立體像對兩張像片相對位置和姿態(tài)關(guān)系的參數(shù)一、相對定向元素以左像空間坐標系為基礎(chǔ)，右像片相對于左像片的相對方位元素稱～X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2BBzBxBy

連續(xù)法相對定向元素：By，

Bz，，，連續(xù)法相對定向元素單獨法相對定向元素

2單獨法相對定向元素：

1

，

1，2，2，2

1X1x1Y1Z1S1y1Y2Z2S2y2X2x2B在以左攝影中心為原點、左主核面為XZ平面、攝影基線為X軸的右手空間直角坐標系中，左右像片的相對方位元素稱～

2

2

1二、解析相對定向原理同名光線對對相交于核面內(nèi)XYZa1(x1,y1)x1y1z1S1A(X,Y,Z)a2(x2,y2)z2y2x2S2誤差方程及法方程的建立量測5個以上的同名點可以按最小二乘平差法求相對定向元素o1o2135246獲取已知數(shù)據(jù)x0,y0,f

確定相對定向元素的初值

＝

＝

＝

＝

＝0

由相對定向元素計算像空間輔助坐標

X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2計算誤差方程式的系數(shù)和常數(shù)項解法方程，求相對定向元素改正數(shù)計算相對定向元素的新值判斷迭代是否收斂三、相對定向元素計算模型點坐標解析法絕對定向主要內(nèi)容一、絕對定向元素二、解析絕對定向原理三、絕對定向元素計算四、地面坐標計算

描述立體像對在攝影瞬間的絕對位置和姿態(tài)的參數(shù)稱～通過將相對定向模型進行縮放、平移和旋轉(zhuǎn)，使其達到絕對位置一、絕對定向元素X1Y1Z1PZpYpXpX2Y2Z2Aa1s1a2s2MZtpYtpXtpX0Y0Z0絕對定向元素：，X0，

Y0，

Z0，，，絕對定向元素MZtpYtpXtpX0Y0Z0絕對定向公式PYpXpAZp絕對定向元素：，X0，

Y0，

Z0，，，解析絕對定向誤差方程記獲取控制點的兩套坐標Xp,Yp,Zp,Xtp,Ytp,Ztp給定絕對定向元素的初值

＝1,

＝

＝

＝

0,X0,Y0,Z0三、絕對定向元素的計算計算重心化坐標計算誤差方程式的系數(shù)和常數(shù)項解法方程，求絕對定向元素改正數(shù)計算絕對定向元素的新值判斷迭代是否收斂四、地面點坐標計算解析空中三角測量概述主要內(nèi)容一、解析空中三角測量的意義二、解析空中三角測量的目的三、解析空中三角測量的分類四、解析空中三角測量的信息五、影像連接點的類型與設(shè)置不觸及被量測目標即可測定其位置和幾何形狀可快速地在大范圍內(nèi)同時進行點位測定，以節(jié)省野外測量工作量不受通視條件限制區(qū)域內(nèi)部精度均勻，且不受區(qū)域大小限制一、解析空中三角測量的意義為測繪地形圖提供定向控制點和像片定向參數(shù)測定大范圍內(nèi)界址點的統(tǒng)一坐標單元模型中大量地面點坐標的計算解析近景攝影測量和非地形攝影測量二、解析空中三角測量的目的三、解析空中三角測量的分類單模型法航帶法區(qū)域網(wǎng)法按平差范圍航帶法獨立模型法光線束法按數(shù)學模型四、解析空中三角測量的信息非攝影測量信息：像片上量測的像點坐標攝影測量信息：大地測量觀測值距離角度天文經(jīng)緯度局部坐標像片外方位元素高差儀記錄攝站坐標像片姿態(tài)攝站坐標差相對控制條件湖面等高平面圓周共線五、影像連接點的類型與設(shè)置人工轉(zhuǎn)刺點儀器轉(zhuǎn)刺點標志點明顯地物點數(shù)字影像相關(guān)轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)刺點標志點明顯地物點像點坐標與地面攝影測量坐標的獲取主要內(nèi)容一、解析內(nèi)定向二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正

1、攝影材料變形改正2、攝影機物鏡畸變差改正3、大氣折光差改正4、地球曲率改正三、物空間坐標近似坐標變換

1、平面坐標變換2、高程改正影像框標點光學框標機械框標一、解析內(nèi)定向利用平面相似變換，將像片架坐標變換為以像主點為原點的框標坐標系坐標xy正形變換仿射變換二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正（攝影材料變形）四個框標位于像片的四個角隅時可用仿射變換四個框標位于像片的中央時可用比例縮放二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正（攝影機物鏡畸變差）攝影機鑒定時提供物鏡畸變差參數(shù)攝影機鑒定時提供各向徑物鏡畸變差值二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正（大氣折光差改正）大氣折光引起像點在徑向的變形saAa’大氣折光引起像點在坐標向的變形二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正（地球曲率）地球曲率引起像點在徑向的變形地球曲率引起像點在坐標向的變形oA二、像片系統(tǒng)誤差預(yù)改正內(nèi)定向并經(jīng)系統(tǒng)誤差預(yù)改正后的像點坐標內(nèi)定向鏡頭畸變大氣折光地球曲率三、物空間坐標近似坐標變換(平面)正變換（由大地坐標系到攝影測量坐標系的坐標變換）YtXt1XpYp三、物空間坐標近似坐標變換(平面)逆變換（由攝影測量坐標系到大地坐標系的坐標變換）航帶法空中三角測量主要內(nèi)容一、基本思想與流程二、自由航帶網(wǎng)的構(gòu)建三、單航帶空中三角測量四、航帶法區(qū)域網(wǎng)平差

一、基本思想與流程把許多立體像對構(gòu)成的單個模型連結(jié)成一個航帶模型，將航帶模型視為單元模型進行解析處理，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圖坐標系中，從而確定加密點的地面坐標基本思想一、基本思想與流程像點坐標系統(tǒng)誤差預(yù)改正立體像對相對定向模型連接構(gòu)建自由航帶網(wǎng)航帶模型絕對定向航帶模型非線性改正加密點坐標計算基本流程二、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)（連續(xù)法相對定向）歸化系數(shù)135246a135246bXYZ2as1s2s31b二、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)

（帶模型連接條件的連續(xù)法相對定向）135246a135246bXYZsi-1sisi+1aiA(N1X1,

N1Y1,

N1Z1)ai+1(X2,

Y2,

Z2)BxBzBy連接點的模型坐標攝站坐標二、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)

（帶模型連接條件的連續(xù)法相對定向）非連接點的模型坐標三、航帶模型非線性改正1、二次多項式用一個多項式曲面擬合航帶網(wǎng)復(fù)雜的變形曲面，使該曲面經(jīng)過航帶網(wǎng)已知點時，所求得坐標變形值與它們實際的變形值相等或使其殘差的平方和為最小三、航帶模型非線性改正2、二次正形變換多項式用一個二次正形變換多項式曲面擬合航帶網(wǎng)的變形曲面，使該曲面經(jīng)過航帶網(wǎng)已知點時，所求得坐標變形值與它們實際的變形值相等或使其殘差的平方和為最小，并且由多項式曲面上一點變換到航帶網(wǎng)無變形曲面上相應(yīng)點時應(yīng)保持該點處在極小范圍內(nèi)相應(yīng)線段的夾角不變（保角變換）四、航帶法區(qū)域網(wǎng)平差按照單航帶法構(gòu)成自由航帶網(wǎng)利用本航帶的控制點及與上一航帶的公共點進行三維空間相似變換，將整區(qū)各航線納入統(tǒng)一的坐標系中同時解求各航帶非線性變形改正系數(shù)計算各加密點坐標1234567891011121