第八章、數(shù)字攝影測量

第八章數(shù)字攝影測量數(shù)字攝影測量的來歷無論是模擬攝影測量還是解析攝影測量都需要人工量測像點坐標，并需要人眼在立體觀察情況下尋找同名像點。計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展使得以上工作可以借助于計算機自動完成，也即利用數(shù)字影像的灰度信號，采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)尋找并量測同名像點，在此基礎(chǔ)上通過解析計算，進行相對定向和絕對定向，建立數(shù)字立體模型，從而建立數(shù)字高程模型，繪制等高線圖、制作正射影像圖以及為地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息，這就是數(shù)字攝影測量。數(shù)字攝影測量的定義兩種觀點：一是認為數(shù)字攝影測量是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等多學(xué)科的理論與方法、提取所攝對象用數(shù)字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量學(xué)的分支學(xué)科。這種定義在美國等國家稱為軟拷貝攝影測量（softcopy-Photogrammetry）．中國著名攝影測量學(xué)者王之卓教授稱之為全數(shù)字攝測量（AlldigitalPhotogrammetry）．這種定義認為，在數(shù)字攝影測量中，不僅其產(chǎn)品是數(shù)字的，而且其中間數(shù)據(jù)的記錄以及處理的原始資料均是數(shù)字的，所處理的原始資料自然是數(shù)字影像。另一種廣義的數(shù)字攝影測量定義則只強調(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)字攝影測量是基于攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機技術(shù)，從影像（包括硬拷貝與數(shù)字影像或數(shù)字化影像）提取所攝對象用數(shù)字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量分支學(xué)科。這種定義的數(shù)字攝影測量包括計算機輔助測圖（常稱為數(shù)字測圖）與影像數(shù)字化測圖。

全數(shù)字攝影測量的若干典型問題一輻射信息在解析攝影測量中，一個目標點向量是三維的，即而在全數(shù)字攝影測量中。目標點向量變?yōu)樗木S，即

其中D是該點的輻射量（影像的密度或灰度值），集合｛D｝就構(gòu)成了數(shù)字影像?，F(xiàn)在我們可以利用各種傳感器精確獲取多種頻帶多時域的輻射信息，即直接獲取數(shù)字影像；也可利用影像數(shù)字化儀將像片上的影像數(shù)子化獲取數(shù)字化影像。由于數(shù)字影像的運用，許多在傳統(tǒng)攝影測量中很難甚至不可能實現(xiàn)的處理，在全數(shù)字攝影測量中都能夠處理甚至變得極為簡單．如消除影像的運動模糊、按所需要的任務(wù)方式進行糾正、反差增強、多影像的分析與模式識別等。由于數(shù)字攝影測量直接使用的原始資料是數(shù)字影像。因此其硬件系統(tǒng)只是一個計算機。一、數(shù)字影像的獲取與采樣1.影像數(shù)字化過程將透明正片（或負片）放在影像數(shù)字化器上，把像片上像點灰度值用數(shù)字形式記錄下未，此過程稱為影像數(shù)字化。影像的灰度又稱為光學(xué)密度。透明像片（正片或負片）影像的灰度值，反映了它透明的程度，即透光的能力。設(shè)投影在透明像片上的光通量為F0，而透過透明像片后的光通量為F，則F與F0之比稱為透過率T，F(xiàn)與F0之比稱為不透過率O，有:因此，像點愈黑，則透過的光通量愈小，不透過率愈大，所以。透過率和不透過率都可以說明影像黑白的程度。但是人眼對明暗程度的感覺是按對數(shù)關(guān)系變化的。為了適應(yīng)人眼的視覺，在分析影像的性能時，不直接用透過率或不透過率表示其黑白程度，而用不透過率的對數(shù)值表示：D稱為影像的灰度，當光線全部透過時，即透過率等于1，則影像的灰度等于0，當光通量僅透過百分之一，即不透過率是100時，則影像的灰度是2，實際的航空底片的灰度一般在0.3到1.8范圍之內(nèi)。2.采樣，重采樣與量化影像數(shù)宇化過程包括采樣與量化兩項內(nèi)容。像片上像點是連續(xù)分布的，但在影像數(shù)字化過程中不可能將每一個連續(xù)的像點全部數(shù)字化，而只能每隔一個間隔Δ讀一個點的灰度值，這個過程稱為采樣，Δ稱為采樣間隔。采樣后是不連續(xù)的等間隔序列，采樣過程會給影像的灰度帶來誤差．例如相鄰兩個點的影像被丟失，亦即影像的細部受到損夫，若要減少損失．則采樣間隔越小越好。但是采樣間隔越小，數(shù)據(jù)量越大，增加了運算工作量和提高了對設(shè)備的耍求。究竟如何確定采樣間隔，應(yīng)根據(jù)精度要求和影像分解力，另外還要考慮到數(shù)據(jù)量和存貯設(shè)備的容量。通過上述采樣過程得到每個點的灰度值不是整數(shù)，這對于計算很不方便，為此，應(yīng)將各點的灰度值取為整數(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行等分，等分的數(shù)目稱為“灰度等級”；然后將每個點的灰度值在其相應(yīng)的灰度等級內(nèi)取整，取整的原則是四舍五入。由于計算機中數(shù)字均用二進制表示，因此灰度等級一般都取為（m是正整數(shù)）。當m=1時，灰度只有黑白兩級，當m=8時，則得256個灰度級，0為黑，255為白，每個像元素得灰度值占8bit，即一個字節(jié)。量化過程會給影像得灰度帶來四舍五入的湊整誤差，例如：將最大密度范圍0-3劃分為64級，最大量化誤差為由此可以看出，量化誤差與密度等級有關(guān)，密度等級越大，量化誤差越小。當欲知不位于矩陣（采樣）點上的原始函數(shù)g(x,y)的數(shù)值時就需要進行內(nèi)插，此時稱為重采樣(Resampling)，意即在原采樣的基礎(chǔ)上再一次采樣。每當對數(shù)字影像進行幾何處理時總會產(chǎn)生這項問題，例如，核線排列，數(shù)字糾正等。一般重采樣可采樣雙線性插值法，即用欲重采樣的點P鄰近的4個原始像元來參加計算。其公式為例如：3.數(shù)字影像的構(gòu)成經(jīng)過影像數(shù)字化以后得到的數(shù)字影像是一個二維的數(shù)字矩陣矩陣的每一個元素稱為像元素（Pixel）。對各個像元素所賦予的灰度值g(m,n)一般是0－255之間的某個整數(shù)。矩陣的每一行對應(yīng)于一個掃描行。數(shù)字化像元素的點位坐標可由像元素在矩陣中所在行、列號m,n來表示：該坐標通常稱為掃描坐標。二、數(shù)字影像的定向1.數(shù)字影像的內(nèi)定向在攝影測量中常用像平面坐標系來建立像點與地面點的坐標關(guān)系，但像片掃描數(shù)字化后，像片的掃描坐標系與像平面坐標系不再相同，此時需要進行兩個坐標系的換算。如圖中，o-cr為影像掃描坐標系，e-xy為框標坐標系，o-xy為像平面坐標系，S－xyz為像空間坐標系。數(shù)字影像內(nèi)定向的過程可以表示為如圖所示的一個過程：一般認為同一像點的像平面坐標x,y與其掃描坐標之間存在仿射變換，即：式中，稱為內(nèi)定向參數(shù)，其數(shù)值由像片上四個框標的掃描坐標及其相應(yīng)的像平面坐標（視為理論值）組成誤差方程式，用平差方法求得。先把影像圖像二值化，然后自動識別框標，為了確定框標中心位置．一個簡單而有效的方法是計算二值圖的重心坐標：2.數(shù)字影像的相對定向用兩個相互重疊的立體像對構(gòu)成立體模型是進行三維信息提取和數(shù)字攝影測量的基礎(chǔ)，而立體模型的建立則必須進行相對定向，相對定向的目的就是恢復(fù)兩個影像在空中成像時的相對方位，使同名光線對對相交。在豎直航空攝影或已知傾角近似值的傾斜投影中，相對定向一般采用迭代解，但是當不知道這些值時，需要進行相對定向的直接求解。自動相對定向的關(guān)鍵是自動識別定向所需要的同名點對，在解析攝影測量中，一般用6個以上的同名點對來計算相對定向元素，在數(shù)字攝影測量中，則具有很大的靈活性，可以利用影像相關(guān)來識別足夠多的同名點．使得相對定向達到高精度。相對定向可以有下列方式實現(xiàn)。（1）標準點相對定向（2）興趣點相對定向3.數(shù)字影像的絕對定向自動相對定向目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，但是數(shù)字影像的絕對定向仍需要借助人工完成，現(xiàn)階段主要由人工在左（右）影像定位控制點，由最小二乘影像匹配確定同名點，然后計算絕對定向參數(shù)

三、影像相關(guān)技術(shù)立體測圖的關(guān)鍵就是已知同名像點在左、右像片上的位置。對于全數(shù)字攝影測量而言，如何由計算機自動從左、右影像中尋找同名像點，也即數(shù)字影像的相關(guān)或匹配是數(shù)字攝影測量的核心問題。影像相關(guān)是利用兩個信號的相關(guān)函數(shù)，評價它們的相似性以確定同名點，即首先取出以待定點為中心的小區(qū)域中的影像信號，然后取出其在另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號，計算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值的相應(yīng)區(qū)域中心點為同名點，即以影像信號分布最相似的區(qū)域為同名區(qū)域。同名區(qū)域的中心點為同名點，這就是自動化立體量測的基本原理。（一）定向參數(shù)的計算1．內(nèi)定向內(nèi)定向的目的是利用框標點的像