《無人機測繪技能訓(xùn)練模塊》課件-模塊9：無人機解析空中三角測量

無人機解析空中三角測量無人機測繪技術(shù)DRONESCONTENTS目錄01解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)02解析空中三角測量03空中三角測量實操DRONES解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)01解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)為了用數(shù)學(xué)的方法建立物、像之間的關(guān)系，必須在像方空間與物方空間建起一些必要的坐標(biāo)系統(tǒng)。攝影測量常用坐標(biāo)系在像平面上用以表示像點位置的坐標(biāo)系叫做像平面坐標(biāo)系，通常是一個右手直角坐標(biāo)系。在攝影測量中稱攝影儀鏡頭的后節(jié)點（像方節(jié)點）為投影中心，投影中心向像面所做垂線的垂足則叫做像主點，通常記做o。像平面坐標(biāo)系就是以像主點o為原點，記做xoy。以像片中心點為原點、框標(biāo)連線為坐標(biāo)軸的像平面坐標(biāo)系稱為框標(biāo)坐標(biāo)系，記做x’o’y’。（1）像平面坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)像空間坐標(biāo)系用以表示像點在像方空間的位置。該坐標(biāo)系原點選在攝影（或投影）中心S上，x、y坐標(biāo)軸與以像主點為原點的像平面坐標(biāo)系相應(yīng)軸平行，z軸由右手規(guī)則確定的空間直角坐標(biāo)系，記做S-xyz。任一像點在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x，y，-f），其中（x，y）就是像點的像平面坐標(biāo)，f是投影中心S至像平面的垂距，即航攝儀的鏡頭焦距。（2）像空間坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)像空間輔助坐標(biāo)系是像空間與物空間之間的一種過渡性坐標(biāo)系，為了在同一條航線的不同像片間建立聯(lián)系。攝影中心S為坐標(biāo)原點，以向上的鉛垂線方向為Z軸的正向，以航線方向為X軸，通過右手系確定Y軸方向，Y軸方向與航線垂直，記做S-XYZ。（3）像空間輔助坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)地面攝影測量輔助坐標(biāo)系是一種物方坐標(biāo)系，用于描述地面點在地表三維模型上的位置，其實質(zhì)仍然是一種過渡性質(zhì)的坐標(biāo)系。地面攝影測量輔助坐標(biāo)系是將某一地面控制點M作為坐標(biāo)原點，3個坐標(biāo)軸分別平行于像空間輔助坐標(biāo)系或攝影測量坐標(biāo)系的各個軸，記做

M-XtPYtPZtP。（4）地面攝影測量輔助坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)2000國家大地坐標(biāo)系，是我國當(dāng)前最新的國家大地坐標(biāo)系，英文名稱為ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文縮寫為CGCS2000。2000國家大地坐標(biāo)系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心。2000國家大地坐標(biāo)系的Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。（5）大地測量坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)框標(biāo)坐標(biāo)系是依像片上相應(yīng)框標(biāo)連線作為基準(zhǔn)建立直角坐標(biāo)。對于框標(biāo)設(shè)在像幅四邊中央的像片，通常依航線方向兩邊對應(yīng)框標(biāo)連線作為x軸，旁向兩邊對應(yīng)框標(biāo)連線作為y軸，兩連線的交點P作為坐標(biāo)原點,如圖(a)所示。對于框標(biāo)設(shè)在像幅四角處的像片，以相對框標(biāo)連線的交點P作為坐標(biāo)原點，取兩對相對框標(biāo)連線在航線方向夾角的平分線作為x軸，垂直于x軸的方向作為y軸，如圖(b)所示。坐標(biāo)軸的正方向都按右手定則確定。（6）框標(biāo)坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)將像空間輔助坐標(biāo)系S-uvw沿著w軸反方向平移至地面點P得到的坐標(biāo)系P-XpYpZp稱為攝影測量坐標(biāo)系。由于它與像空間輔助坐標(biāo)系平行，因此很容易由像點的像空間輔助坐標(biāo)求得相應(yīng)的地面點的攝影測量坐標(biāo)。（7）攝影測量坐標(biāo)系攝影測量常用坐標(biāo)系解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（1）內(nèi)方位元素單張航攝像片基本理論用以確定攝影中心與像片平面相關(guān)位置的數(shù)據(jù)。內(nèi)方位元素的作用是確定或恢復(fù)攝影光束形狀的要素，包括3個數(shù)據(jù)（f、x0、y0）。目前在航攝儀鑒定時可以提供，所以在航測應(yīng)用中，內(nèi)方位元素一般是已知數(shù)據(jù)。解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（2）外方位元素確定攝影光束在空間的位置及其姿態(tài)的數(shù)據(jù)。航攝像片的外方位元素共有6個，其中3個用來確定攝影光束在空間位置的數(shù)據(jù)稱為直線元素。另外3個用來確定攝影光束在空間姿態(tài)的數(shù)據(jù)稱為角元素。單張航攝像片基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（3）共線條件方程在理想情況下，攝影瞬間像點、投影中心、物點位于同一條直線上，描述這三點共線的數(shù)學(xué)表達式稱之為共線條件方程。x、y為像點在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；X、Y、Z為相應(yīng)地面點在地面輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；XS、YS、ZS為攝影中心S在地面輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；ai、bi、ci為與航攝像片的外方位元素有關(guān)的系數(shù)項，稱為方向余弦。單張航攝像片基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（4）單像空間后方交會利用一定數(shù)量的地面控制點空間坐標(biāo)以及相應(yīng)的像點坐標(biāo)，根據(jù)共線條件方程，反求像片6個外方位元素，這種方法稱為單像空間后方交會。單張航攝像片基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（1）航攝像對從兩相鄰攝站對同一地區(qū)所攝取的，具有一定重疊度的兩張像片稱為航攝像對，也稱立體像對。航攝像對基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（2）特征點與同名點特征點是指在無人機獲取的影像中圖像灰度值發(fā)生劇烈變化的點或者圖像邊緣上曲率較大的點（即兩個邊緣的交點）。通常是一些測區(qū)范圍內(nèi)的明顯地物點、地物角點、交叉點等，在航片中色彩（灰度值）發(fā)生明顯變化的點位。影像特征點能夠反映影像的本質(zhì)特征，能夠標(biāo)識影像中的目標(biāo)物體，通過特征點匹配能夠完成影像之間的匹配，進而進行影像拼接。同名點即同名像點，是同一地物點在不同影像上成的像點。立體像對重疊范圍內(nèi)，左右像片上同一物點所構(gòu)成的像稱為同名像點。航攝像對基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（3）航攝像對空間前方交會航攝像對基本理論在攝影測量中，應(yīng)用單像空間后方交會求得外方位元素后，僅靠單張像片仍無法確定地面點的三維坐標(biāo)，因為單張像片只能確定出一條經(jīng)過投影中心連向地面的方向線。而使用立體像對上的同名像點，可以得到兩條同名光線，兩條同名光線在空間上一定相交，其交點即為地面點的準(zhǔn)確位置。如果已知立體像對兩張像片的內(nèi)、外方位元素，利用左右像片上的同名像點坐標(biāo)a1（x1，y1）與a2（x2，y2）可分別列出2個共線條件方程，一共可以列出4個方程式，就可以解算出對應(yīng)地面點的三維坐標(biāo)（XYZ）。這種由立體像對中兩張像片的內(nèi)、外方位元素和同名像點的坐標(biāo)來確定相應(yīng)地面點坐標(biāo)的方法，稱為航攝像對空間前方交會。解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（4）相對定向元素確定一個立體像對的兩張像片相對位置關(guān)系所需要的元素叫做相對定向元素。它是描述立體像對中兩張像片的相對位置與姿態(tài)關(guān)系的參數(shù)。一個立體像對相對定向元素有5個。較為常用的相對定向元素表達形式是連續(xù)像對相對定向元素，以左像片像空間坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，確定右像片相對于左像片的相對方位。這種相對定向元素能夠連續(xù)地恢復(fù)相鄰或一條航線上所有投影光束之間的相對方位，通過同名光線相交可以構(gòu)建出整個區(qū)域與實地相似的立體幾何模型。航攝像對基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（5）絕對定向元素相對定向元素能夠連續(xù)地恢復(fù)相鄰或一條航線上所有投影光束之間的相對方位，通過同名光線相交可以構(gòu)建出整個區(qū)域與實地相似的立體幾何模型。確定立體幾何模型在地面攝影測量坐標(biāo)系中的正確方位和比例尺所需的元素，稱為立體像對的絕對定向元素。模型的絕對定向元素有7個，用于確定模型像對地面測量坐標(biāo)系的平移（3個）、旋轉(zhuǎn)（3個）與縮放（1個）。航攝像對基本理論解析空中三角測量相關(guān)理論基礎(chǔ)（5）絕對定向元素相對定向元素與絕對定向元素相當(dāng)于把立體像對兩張像片的12個外方位元素劃分成兩部分，一部分為確定兩張像片相對位置關(guān)系（5個相對定向元素），構(gòu)建一個與實地相似立體模型。另一部分為確定立體模型在地面測量坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置、姿態(tài)與比例（7個絕對定向元素），構(gòu)建出與實地相一致的立體環(huán)境。航攝像對基本理論DRONES解析空中三角測量02解析空中三角測量空中三角測量基本原理無人機航空攝影測量空中三角測量（簡稱：空三加密）是利用無人機連續(xù)拍攝，具有一定重疊度像片內(nèi)在的幾何特性，依據(jù)少量野外地面控制點，以攝影測量方法建立起一個同實地完全一致的數(shù)字模型，從而獲得更多加密點的三維坐標(biāo)信息。無人機航飛獲取的影像本質(zhì)上是空間的一個平面，因此每張影像的定向至少需要3個控制點。如果一次飛行了1萬張影像，按照每張影像需要3個控制點就需要3萬個控制點，這樣就會給外業(yè)工作帶來巨大的工作量，攝影測量的意義將會大打折扣，那有沒有辦法減少外業(yè)控制點的測量工作呢？這個好比在墻上安裝很多小塊木板的工作，單獨作業(yè)則每個小木板需要3個釘子釘?shù)綁ι?。但我們也可以先在地上將木板拼合在一起，形成一個大木板，然后再用3個釘子將拼合好的大木板釘?shù)綁ι?。空中三角測量就是用這個原理來減少控制點的。解析空中三角測量空中三角測量基本原理在進行空中三角測量作業(yè)時，先將所有影像進行相對定向，形成自由網(wǎng)，然后再用一些地面控制點進行絕對定向，最終求解出每張影像的位置和姿態(tài)即外方位元素。在空中三角測量過程中需要加入一些連接點，連接點的作用是將影像相互連接到一起，當(dāng)空中三角測量完成后，這些連接點的地面坐標(biāo)被求解出來，變?yōu)榱艘阎跋裎恢煤妥鴺?biāo)的點，因此在后續(xù)的生產(chǎn)中可以當(dāng)作控制點使用。這些通過空中三角測量處理生產(chǎn)的控制點稱為加密點，可見通過空中三角測量作業(yè)可以節(jié)省大量的外業(yè)控制工作，對攝影測量作業(yè)有非常重要的意義。解析空中三角測量是指航空攝影測量中利用像片內(nèi)在的幾何特性，在室內(nèi)加密控制點的方法。即利用連續(xù)攝取的具有一定重疊的航攝像片，依據(jù)少量野外控制點，以攝影測量方法建立同實地相應(yīng)的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型（光學(xué)的或數(shù)字的），從而獲取加密點的平面坐標(biāo)和高程，主要用于測地形圖。解析空中三角測量空中三角測量基本原理（1）解析空中三角測量定義（2）解析空中三角測量優(yōu)點不觸及被量測目標(biāo)即可測定其位置和幾何形狀?？煽焖俚卦诖蠓秶鷥?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。解析空中三角測量空中三角測量基本原理（3）解析空中三角測量分類按平差模型：航帶法、獨立模型法、光束法。按加密區(qū)域：單航帶法、區(qū)域網(wǎng)法。區(qū)域網(wǎng)法：航帶法區(qū)域網(wǎng)平差、獨立模型法區(qū)域網(wǎng)平差、光束法區(qū)域網(wǎng)平差。解析空中三角測量空中三角測量基本原理（4）解析空中三角測量應(yīng)用為測繪地形圖、制作正射影像圖提供定向控制點和像片內(nèi)、外方位元素。取代大地測量方法，進行三、四等或等外三角測量的點位測定（要求精度為厘米級）。用于地籍測量以測定大范圍內(nèi)界址點的統(tǒng)一坐標(biāo)。解析近景攝影測量和非地形攝影測量，用于建筑物變形測量、工業(yè)測量等。解析空中三角測量空中三角測量基本原理DRONES空中三角測量實操03空中三角測量實操空中三角測量過程解析通過影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入中相機參數(shù)設(shè)置與相應(yīng)處理操作，即完成內(nèi)定向處理。實現(xiàn)對無人機原始影像的像片畸變糾正與構(gòu)建攝影瞬間的投影光束。匹配連接點相當(dāng)于進行相對定向過程，首先對影像數(shù)據(jù)進行特征點提取，然后對提取的不同影像上的特征點進行特征匹配，特征點匹配實質(zhì)上是進行同名像點的尋找，也就是找到影像與影像之間的連接點（同名像點），連接點匹配過程就是相對定向過程，通過同名像點坐標(biāo)解算出兩張影像之間的相對定向元素，完成相對定向元素解算即可構(gòu)建出與實地相似的立體模型。空中三角測量實操空中三角測量過程解析通過影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入中相機參數(shù)設(shè)置與相應(yīng)處理操作，即完成內(nèi)定向處理。實現(xiàn)對無人機原始影像的像片畸變糾正與構(gòu)建攝影瞬間的投影光束。接著進行像片控制點導(dǎo)入與編輯處理，實現(xiàn)影像上的像點與對應(yīng)地面點的相互關(guān)聯(lián)。通過空中三角測量平差處理，實現(xiàn)解析法絕對定向，解析計算出相對定向完成后的與實地相似模型的絕對定向，解算出絕對定向元素，構(gòu)建出與實地相一致的立體模型，也計算出在像控點所在坐標(biāo)系下每張像片的準(zhǔn)確位置與姿態(tài)（外方位元素）。接著由空中三角測量結(jié)果導(dǎo)出立體模型，即可進行無人機航空攝影測量內(nèi)業(yè)立體測圖工作。空中三角測量實操空中三角測量操作流程利用DoubleGrid軟件進行空中三角測量過程實踐操作，過程如下：（1）新建工程根據(jù)無人機原始影像屬性判斷無人機POS高程記錄是否準(zhǔn)確，若存在誤差即按照如下步驟進行，若無誤差即進入第5步。鼠標(biāo)左鍵點擊DoubleGrid界面【POS修正】

按鈕打開ImagePosTool.exe執(zhí)行程序?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程鼠標(biāo)左鍵單擊影像目錄后的【瀏覽】，在彈出的選擇文件夾界面選擇影像數(shù)據(jù)文件夾，鼠標(biāo)左鍵單擊【選擇文件夾】。修改高程偏移量后方的高程（根據(jù)組委會現(xiàn)場提供的地面平均高計算），鼠標(biāo)左鍵單擊【批量修改高程】，直至運行完成彈出完成對話框，點擊確定。鼠標(biāo)左鍵點擊DoubleGrid界面【DoubleGrid】打開DPGrid.exe執(zhí)行程序。空中三角測量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【文件】，選擇【新建】。

彈出新建工程窗口?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程鼠標(biāo)左鍵單擊工程路徑后的【瀏覽】，彈出瀏覽文件夾界面?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程鼠標(biāo)左鍵選擇盤符（例如：E盤），單擊【新建文件夾】，按要求命名文件（注意：不能是中文、空格等特殊符號），鼠標(biāo)左鍵點擊【確定】。鼠標(biāo)左鍵單擊ImageName下的【添加影像】，彈出SelectImages界面?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程彈出SelectImages界面，選擇航飛獲取的原始影像文件夾，將影像數(shù)據(jù)全部選中，鼠標(biāo)左鍵單擊【打開】，軟件回到新建工程界面。空中三角測量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程將新建工程界面右下角航高改為實際航飛高度，勾選【去除轉(zhuǎn)彎片】，點擊【投影坐標(biāo)系】

進行坐標(biāo)系設(shè)置，設(shè)置完成后點擊【確認(rèn)】?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（1）新建工程點擊新建工程界面【OK】開始處理?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作刪除不屬于規(guī)劃航帶上的影像

，單擊鼠標(biāo)左鍵，單擊鍵盤上【Delete】，彈出確認(rèn)要移除影像界面，單擊【是】。以此刪除不屬于規(guī)劃航帶上的影像，鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【文件】，先選擇【保存】，再選擇【同步】。鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【定向生產(chǎn)】，選擇【空中三角測量】下的【匹配連接點】

（或鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的匹配連接點），進入到ExtractTiePoints界面?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作在ExtractTiePoints界面中勾選【粗略匹配】、【精細匹配】、【自動平差】，其它保持默認(rèn)，鼠標(biāo)左鍵單擊【確認(rèn)】，直至運行完成后自動退出界面?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【文件】，選擇【地面控制點】

，彈出地面控制點參數(shù)窗口?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊【引入】，選擇組委會提供的控制點文件，點擊【打開】，鼠標(biāo)左鍵單擊【保存】?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【定向生產(chǎn)】，選擇空中三角測量下的【平差與編輯】

（或鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的平差與編輯），進入到TMAtEdit界面?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的【匹配加連接點】功能?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作根據(jù)提供的控制點信息，在圖上用鼠標(biāo)左鍵雙擊控制點附近位置，彈出精調(diào)界面，若不可見控制點點位，可鼠標(biāo)左鍵單擊菜單中的像點，選擇點位再選擇（或鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的點位再選擇），單擊【保存】?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作精細調(diào)整控制點點位，并確認(rèn)控制點點號及保存（至少添加5個控制點）?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中的【處理】，選擇【平差方式】中的【平差軟件iBundle】?？罩腥菧y量實操空中三角測量操作流程（2）空三制作鼠標(biāo)左鍵單擊菜單欄中