第2章 單幅影像解析基礎(chǔ).ppt

1、河南理工大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)系攝影測量第二章單幅圖像分析基礎(chǔ)，主要包括：1 .航空攝影基礎(chǔ)知識。中心投影和透視變換。共線方程4。航空照片的像點位移和比例。單一圖像分析基礎(chǔ)，第2章。單幅圖像分析基礎(chǔ)2-1航空攝影基礎(chǔ)知識1。攝影原理：根據(jù)針孔成像原理，它被攝影物鏡代替攝影物鏡：攝影物鏡是一個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，被攝物體的圖像質(zhì)量主要取決于攝影物鏡的質(zhì)量。由于單透鏡有各種像差，一般的攝影物鏡由多個透鏡組成，透鏡的光軸應(yīng)重合為一，即物鏡的主光軸。如圖所示，ab是物體光線，AB是圖像光線，S和S分別稱為物體主點和圖像主點。物鏡的成像公式：從光學(xué)成像公式可知，它表示一個物點發(fā)出的所有投影光線，管理人員認(rèn)為物鏡

2、后面所有相應(yīng)的折射光線仍然會聚在一個像點上。為了在通過透鏡后獲得清晰的光學(xué)圖像，距離d應(yīng)該滿足上述成像公式。一種叫做圖像比例。成像公式也可以改變?nèi)缦拢簭墓街锌梢灾溃篴 .當(dāng)物距相同時，長焦距可以獲得較大的圖像，短焦距可以獲得較小的圖像。要得到同樣大小的圖像，當(dāng)物距大時使用長焦距，當(dāng)物距小時使用短焦距。物鏡的孔徑和孔徑數(shù)：實際使用的物鏡不理想，光線通過物鏡邊緣會造成較大的像差。為了限制物鏡邊緣部分的使用并控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入物鏡的光量，通常在物鏡的中間設(shè)置一個光圈。光圈示意圖。通常，光圈被放置在物鏡的透鏡組之間，以控制光束柱面的實際光圈，這被稱為有效光圈d。平行光束被成像在焦平面上，并且每單位面積

3、的圖像亮度與入射光束的柱面部分的面積成正比，即，與有效光圈d的平方成正比，與物鏡焦距f的平方成反比。因此，d與f的比值被認(rèn)為是控制圖像亮度的一個因素，它被稱為相對孔徑。相對孔徑通常小于1，因此使用相對孔徑的倒數(shù)更方便，該倒數(shù)稱為孔徑數(shù)K=F/d.焦平面上圖像的亮度與光圈數(shù)的平方成反比，通過選擇合適的光圈數(shù)和曝光時間可以獲得一定的曝光量。拍照時，取E1和t1得到最合適的曝光量H，然后當(dāng)曝光時間為t2時，得到相同的曝光量，有：H=E1t1=E2t2，然后有：E1/E2=t2/t1，因為圖像的亮度與光圈數(shù)的平方成反比，即E1/E2=K22/K12，然后T2/T1=(。這樣，如果曝光時間被改變?yōu)橐淮危?/p>

4、相應(yīng)的曝光時間比應(yīng)該加倍。因此，相機(jī)上曝光時間的刻度標(biāo)注是按倍數(shù)變化的，光圈上標(biāo)注的光圈數(shù)的排列順序是等比系列排列的。景深和無限起點：當(dāng)拍攝物距為D的物點A時，可以在物距為D的地方獲得清晰的像點A。物距大于或小于D的場景，如B和C，在像面上將是模糊的圓。由于人眼的分辨能力有限，當(dāng)模糊圓的直徑小到一定程度時，對人眼來說仍然像一個清晰的點。以這種方式，盡管照片指向A，但是對于遠(yuǎn)景區(qū)B和近景區(qū)C之間的部分中的所有風(fēng)景，仍然可以在圖像平面上獲得清晰的圖像.將攝影光線聚焦在遠(yuǎn)處景點B和近處景點C之間的深度距離上，稱為景深。景深的計算公式如下：景深與物距、光圈數(shù)和物距焦距有關(guān)，物距或光圈越大當(dāng)物鏡瞄準(zhǔn)無限

5、遠(yuǎn)時，像距幾乎等于物鏡的焦距，而遠(yuǎn)處的風(fēng)景點是無限遠(yuǎn)，那么假設(shè)像面上某一點的模糊圓與物距d等于允許的極限值，所有比物距遠(yuǎn)的景物都可以在面向無限遠(yuǎn)的像面上獲得清晰的圖像。能夠在焦平面上形成清晰圖像的最近物距稱為無限起點，這取決于光圈數(shù)等。在攝影中，對焦和瞄準(zhǔn)光線后，選擇光圈數(shù)，相機(jī)的景深標(biāo)志指出前景區(qū)和后景區(qū)之間的距離，即景深范圍。照相機(jī)快門：用來控制曝光時間的照相機(jī)設(shè)備。從快門打開到關(guān)閉的時間稱為曝光時間或快門速度。物鏡筒上有一個控制曝光時間的環(huán)，其上刻有曝光時間數(shù)據(jù)。這些值是曝光時間的倒數(shù)，單位為秒，例如，2表示0.5秒。2.航空攝像機(jī)1。光學(xué)相機(jī)：要求物鏡畸變差小，分辨率高，透光強(qiáng)，機(jī)械結(jié)

6、構(gòu)穩(wěn)定可靠，攝影過程自動化程度高。拍攝時，物鏡固定并聚焦在無窮遠(yuǎn)處，像距是一個恒定值，幾乎等于拍攝物鏡的焦距。所獲得的是光學(xué)模擬圖像。光學(xué)航空相機(jī)拍攝的圖像是正方形的，尺寸通常是18厘米18厘米，23厘米23厘米和30厘米。位于每邊中點的框架標(biāo)記稱為機(jī)械框架標(biāo)記，位于四角的框架標(biāo)記稱為光學(xué)框架標(biāo)記。光學(xué)航空照片可以同時有8幀。幀的線應(yīng)該是正交的，并且交點應(yīng)該盡可能與主光軸和像平面的交點重合?？梢砸钥蚣苓B接的交點為原點建立框架坐標(biāo)系。相機(jī)的主光軸與像平面的交點稱為照片的主點，從相機(jī)物鏡的后節(jié)點到照片的主點的垂直距離稱為相機(jī)主距離，也稱為照片的主距離，用f表示。 框架坐標(biāo)系的原點與圖像的主點不完全

7、重合，框架坐標(biāo)系中主點的坐標(biāo)不為零，即x0和y0。內(nèi)部取向元素以及f、x0和y0被稱為照片或照相機(jī)的內(nèi)部取向元素。內(nèi)部方位元素通常是已知的，它決定了攝影物鏡和像平面之間的相對位置。根據(jù)物鏡的焦距和像角，航空相機(jī)可分為短焦距航空相機(jī)、焦距F100中焦距航空相機(jī)、150毫米300毫米像角270，2。數(shù)字航空相機(jī)出現(xiàn)在2000年的國際攝影測量與遙感學(xué)會大會上，并逐漸取代光學(xué)航空相機(jī)成為獲取航空影像數(shù)據(jù)的主要傳感器。數(shù)字航空相機(jī)可以直接獲取數(shù)字圖像，計算機(jī)可以直接對其進(jìn)行處理。目前生產(chǎn)的航空數(shù)碼相機(jī)可分為單面航空數(shù)碼相機(jī)、多面航空數(shù)碼相機(jī)和直線航空數(shù)碼相機(jī)。單面航空數(shù)碼相機(jī)通常獲取4k*4k或3k*4

8、.5k的彩色圖像，這些圖像具有高地面分辨率、無幀標(biāo)記和規(guī)則的像素行和列。下表顯示了美國EQ-90毫米CLR相機(jī)的相關(guān)參數(shù)。目前，大多數(shù)大面積數(shù)字航空相機(jī)由多個小面積陣列組成。代表性產(chǎn)品是碳酸二甲酯。DMC由四個黑白全色相機(jī)和四個多光譜相機(jī)組成。攝像機(jī)傾斜排列，獲得的四幅圖像有一定程度的重疊。最后，將校正和拼接的圖像提供給用戶。三線式航空數(shù)碼相機(jī)ADS40 ADS40是根據(jù)線性掃描成像原理設(shè)計的。它有三組全色波段的電荷耦合器件陣列，波段范圍為465680納米，按前視圖、底視圖和后視圖排列。每組有12，000個平行排列的像素，每個像素的大小為6.5。ADS40有四個多光譜CCd，包括藍(lán)色波段430

9、-490納米、綠色波段535-585納米、紅色波段610-60納米和紅外波段835-885納米，每個波段有12，000個像素。ADS40的焦距被校準(zhǔn)為62.5毫米，觀看航空攝影為了繪制地形圖，航空攝影應(yīng)按照航空攝影計劃的要求進(jìn)行，并保證航空攝影的質(zhì)量。航空相機(jī)安裝在航空相機(jī)上，從空中一定高度拍攝地面，獲得航空照片。在整個拍攝區(qū)域內(nèi)，飛機(jī)應(yīng)保持一定的高度并直線飛行。以測繪地形為目的的航空攝影大多采用垂直攝影，這就要求航空相機(jī)在曝光時保持物鏡的主光軸垂直于地面。事實上，由于飛機(jī)的穩(wěn)定性和攝影技巧的限制，主光軸總是有輕微的傾斜。根據(jù)規(guī)定，照片的傾斜角應(yīng)小于23。這種攝影稱為垂直攝影，可分為區(qū)域航空攝

10、影、帶狀航空攝影和獨立地塊航空攝影。攝影比例尺：航空照片上一條線段的長度與相應(yīng)地面線段的長度之比。由于航拍照片的傾斜和地形的起伏，航拍照片的拍攝比例因地而異。如果兩張相鄰航拍照片的比例尺偏差過大，會影響立體觀測，因此攝影比例尺的變化應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)航拍照片是水平的，地面是平均高度時，攝影比例尺可以表示為：1/m=f/h。通常的比例尺也是平均比例尺。f是相機(jī)的固定值，所以影響攝影比例尺的主要因素是高度h。飛行中，高度差不得大于5，同一飛行區(qū)的最大高度和最小高度之差應(yīng)小于30米，實際高度和設(shè)計高度之差應(yīng)小于50米。機(jī)場高度：拍攝時飛機(jī)相對于機(jī)場的高度；攝影高度：相對于攝影區(qū)域平均高程基準(zhǔn)的高

11、度；真實高度：相對于某一點的相對高度；絕對高度：相對于平均海平面的高度。攝影比例尺的選擇：攝影比例尺的選擇應(yīng)考慮成圖比例尺、攝影測量成圖方法和成圖精度等因素。此外，還應(yīng)考慮攝影數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)性和可用性。攝影比例尺越大，照片的地面分辨率越高，這有利于圖像的判讀和制圖精度的提高。但是，如果攝影比例過大，就會增加成本和工作量。當(dāng)滿足要求時，通常選擇較小的規(guī)模。當(dāng)攝像機(jī)和攝影比例尺確定后，即f和H已知時，高度可由H=fm計算。航空攝影比例尺和測繪比例尺請參考下表：攝影站和攝影基線：曝光時攝影物鏡點的位置稱為攝影站，用s表示。航向上相鄰兩個攝影站之間的距離稱為攝影基線，用b表示。航向重疊和側(cè)重疊：為了便于立

12、體測繪和間接定線，航空攝影不僅要覆蓋整個測量區(qū)域，還要求照片之間有一定程度的重疊。同一路線的圖像重疊稱為航向重疊，航向重疊度一般要求在60度以上。航向必須有三度重疊，這是立體觀測和照片連接的要求，也是控制點的選擇區(qū)域。為了連接飛行帶，相鄰飛行帶之間也有一定的重疊，這稱為航向重疊。橫向重疊要求為1530。如果照片的邊長為L，相應(yīng)地面的實際長度為L，航向重疊度為Px，那么B=L(1-Px)，并且因為l/L=f/H=1/m，那么B=LM空氣帶彎曲：是指空氣帶兩端的照片的主要點之間的直線距離L與離直線最遠(yuǎn)的照片的主要點的垂直距離之比， 攝影傾斜角：攝影瞬間相機(jī)主光軸與垂直方向之間的角度。 照片偏轉(zhuǎn)角：

13、兩張相鄰照片的主要點連線與co之間的角度地形圖上任意兩點之間的距離與相應(yīng)地面點的水平距離之比是一個常數(shù)，它等于地形圖的比例尺。正片位置和負(fù)片位置：攝影時，物面和像面都在攝影中心的兩側(cè)，稱為負(fù)片位置和負(fù)片位置。將負(fù)片圍繞主像點旋轉(zhuǎn)180度，然后沿拍攝方向?qū)⑺苿拥酵队爸行牡南虏坎⑻幱趯ΨQ位置，這時每個像點仍然落在相應(yīng)的光線上。航拍照片處于正、負(fù)位置，其幾何特征保持不變。將來討論問題時，我們可以用否定的立場，也可以用肯定的立場。2.透視變換中的點、線和平面。攝影平面P 2，地面E 3，主垂直面1。攝影中心：S2。圖像主點o 3，圖像底點n 4，等中心c 5，主會聚點I，地面：6。地下點N，1，攝像

14、機(jī)主光軸So 2，主縱線VV 1。照片的傾角是oSn 2，相機(jī)的主光軸是So。3.透視變換中的點、線、面為了研究物體與圖像之間的透視變換關(guān)系，確立空間概念，往往需要制作直觀的透視圖，并在照片上構(gòu)建真實的物體。跟蹤點：物體平面上的直線和透視軸之間的交點，也稱為兩點。透視軸上的點既是物體點又是圖像點。交叉點：地面上有一組平行線，投影中心S是這組線的平行直線。與像平面的交點是這組平行線在無窮遠(yuǎn)處的交點的構(gòu)造，這些像點就是交點。平行于基本方向線的平行線的像點是主連接點。透視變換映射的基本原則：1 .確定跟蹤點。物體平面上直線和透視軸的交點。2.確定會合點。投影中心裁剪平面上平行線的交點和直線的合并線。

15、3.確定線段端點的中心投影。4.確定線段的中心投影。例1:已知地面e上有一個點，所以找到相應(yīng)的像點。S，A，A，2)主連結(jié)點I；3)得到圖像點a，1)找到兩個關(guān)鍵點t1；例2:眾所周知，在地面E上有一條直線AB，所以找出AB的結(jié)構(gòu)。S，i1，I，a，B，1)找到兩個關(guān)鍵點，2)找到一個點i1，3)將t1i1與SA連接起來，交點是a，將t1i1與SB連接起來，交點是B，例3:在垂直地面上的點和線的星座，以及S，I，1)在e平面上的垂直腳B 2)連接nb 3)nb nb nb nb的交點是a 4)ab是在垂直e平面上的直線AB的圖像AB。第二章，單幅圖像分析基礎(chǔ)2-3共線方程。首先，攝影測量中常用

16、的坐標(biāo)系包括：像平面坐標(biāo)系o-xy；圖像空間坐標(biāo)系s-XYZ；圖像空間輔助坐標(biāo)系XYZ。物體坐標(biāo)系：攝影測量坐標(biāo)系a-xpypzp；物體空間坐標(biāo)系。1.圖像平面坐標(biāo)系o-xy以圖像主點o為原點，x軸和y軸分別平行于框架坐標(biāo)系的x軸和y軸?？蚣茏鴺?biāo)系：以框架連接線的交點為原點，X軸與路線方向一致。2.圖像空間坐標(biāo)系S-xyz是一個過渡坐標(biāo)系，用來表示圖像空間中圖像點的位置。它以攝影S的中心為坐標(biāo)原點，攝像機(jī)的主光軸為Z軸，圖像空間坐標(biāo)系的X軸和Y軸與圖像平面坐標(biāo)系的X軸和Y軸平行，形成右手坐標(biāo)系。在這個坐標(biāo)系中，像點的z坐標(biāo)等于-f，所以顯然每個張航的像空間坐標(biāo)系是獨立的。3。圖像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ是以攝影中心S為坐標(biāo)原點的過渡坐標(biāo)系。在航空攝影測量中，垂直方向通常作為Z