第二章摄影测量解析基础资料课件

第二章 单像影像解析基础西北师范大学西北师范大学张彦丽张彦丽张彦丽张彦丽地环学院地环学院 地信系地信系内容提要一、航摄像片的投影关系一、航摄像片的投影关系二、共线方程二、共线方程三、单幅影像解析基础三、单幅影像解析基础2.1航摄像片的投影关系一、航空摄影机一、航空摄影机二、航空摄影与航摄像片二、航空摄影与航摄像片三、航摄像片与地形图的差别三、航摄像片与地形图的差别四、中心投影透视变换作图四、中心投影透视变换作图主要内容主要内容像场角常角常角：(视场角100。)长焦距长焦距：(主距200mm)中焦距中焦距：(主距100200mm)短焦距短焦距：(主距100mm)焦距主光轴：通过薄透镜两个球面球心的直线像平面像平面、框标框标(机械框标、光学框标)、框标坐标系框标坐标系物距、像距像距（两者比例大小在遥感中的特点）像主点像主点、像片内方位元素像片内方位元素2.1.12.1.1 光学航空摄影机光学航空摄影机像幅18cm 18cm23cm 23cm30cm 30cm航摄像片为航摄像片为量测像片量测像片，有，有光学框标和机械框标光学框标和机械框标航摄像片的大小为航摄像片的大小为18cm18cm,23cm23cm航摄像片光学框标机械框标单面阵航空数码相基本参数见P15多面阵航空数码相机大幅面CCD生产技术困难，因此，由小面阵拼接而成大面阵三线阵航空数码相机 ADS40能为每条航线上获取三个不同投影方向（前视、下视和后视前视、下视和后视）的影像。很多卫星影像立体像对均提供这样三个不同投影图像前视、下前视、下视和后视。如，视和后视。如，ASTER、WORLDBIEW、ALOS等。等。2.1.12.1.1 数码数码航空摄影机航空摄影机-无框标无框标可携带GPS、惯性测量装置IMU，有规则像素排列而成，无框标设备。ZSSq利用安装在航摄飞机上利用安装在航摄飞机上的航摄仪从空中一定角的航摄仪从空中一定角度对地面进行摄影度对地面进行摄影2.1.22.1.2 航空摄影与航摄像片航空摄影与航摄像片q航摄仪在曝光的瞬间物镜主航摄仪在曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面光轴保持垂直地面2.1.22.1.2 航空摄影与航摄像片航空摄影与航摄像片航空摄影航空摄影q沿航线方向相邻两张像片应沿航线方向相邻两张像片应有有60%60%左右的航向重叠，相左右的航向重叠，相邻航线间的像片应有邻航线间的像片应有30%30%左左右的旁向重叠。右的旁向重叠。q全程采用竖直摄影方式。按全程采用竖直摄影方式。按航摄计划要求，按规定的航摄计划要求，按规定的行高和设计的方向呈直线行高和设计的方向呈直线飞行，且保持各航线的相飞行，且保持各航线的相互平行。互平行。摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，偏离铅垂线的夹角小于偏离铅垂线的夹角小于3 30 0，夹角为像片倾角，夹角为像片倾角铅垂线像片SA摄影机主光轴像片竖直摄影123Lxpx航向重叠度-1-1Lypy旁向重叠度思考：像片重叠度的用途及要求？思考：像片重叠度的用途及要求？航向相邻两个摄影站间的距离航向相邻两个摄影站间的距离P1S1P2S2BE摄影基线摄影基线f为摄影机主距，为摄影机主距，H为航高为航高视摄影像片水平、地面取平均高程时，像片上的线段 l 与地面上相应的水平距L 之比为摄影比例尺fH摄影比例尺思考：摄影像片实际的摄影比例尺特点？思考：摄影像片实际的摄影比例尺特点？根据基准面的不同，航高分为相对航高和绝对航高。根据基准面的不同，航高分为相对航高和绝对航高。测图比例尺航摄比例尺分航摄比例尺分母母测图比例尺分测图比例尺分母母比例尺类型比例尺类型航摄比例尺航摄比例尺测图比例尺测图比例尺大比例尺大比例尺 1:2000 1:3000 1:500 1:4000 1:6000 1:1000 1:80001:8000 1:12000 1:2000，1:5000中比例尺中比例尺 1:150001:20000 1:5000 1:100001:35000 1:10000小比例尺小比例尺 1:200001:30000 1:25000 1:350001:55000 1:50000摄影比例尺的选择综合考虑成图比例尺、摄影测量内业成图方法和摄影比例尺的选择综合考虑成图比例尺、摄影测量内业成图方法和成图精度等因素，同时兼顾经济性和摄影资料的可使用性。成图精度等因素，同时兼顾经济性和摄影资料的可使用性。把一条航线的航摄像片根据地物影像拼接起把一条航线的航摄像片根据地物影像拼接起来，各张像片的主点连线不在一条直线上，来，各张像片的主点连线不在一条直线上，而呈现为弯弯曲曲的折线，而呈现为弯弯曲曲的折线，称航线弯曲称航线弯曲 航线弯曲度航线弯曲度：航：航线最大弯曲矢量线最大弯曲矢量与航线长度之比与航线长度之比的百分数。要求的百分数。要求航线弯曲度航线弯曲度3%3%Ll航线弯曲为了确保摄影测量精度，提出了摄影质量和飞行质量的基本要求。为了确保摄影测量精度，提出了摄影质量和飞行质量的基本要求。思考：航线弯的危害思考：航线弯的危害？o2 一张像片上相邻主点连线与同方向框一张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角。要求像片旋角标连线间的夹角。要求像片旋角60产生的原因及危害？航摄机定向不准。像片旋角过大会减少立体像对的有效范围、增加内业困难o1像片旋角2.1.3 2.1.3 航摄像片与地形图航摄像片与地形图投影方式投影：用一组假想的直线将物体向几何面投射用一组假想的直线将物体向几何面投射投影射线：投影的直线投影的直线投影平面：投影的几何面投影的几何面投影射线会聚于一点的投影称为投影射线会聚于一点的投影称为中心投影投影中心投影中心投影平面投影平面投影点投影点投影射线投影射线物点物点正射投影投影射线投影射线与投影平与投影平面正交面正交斜投影投影射投影射线与投线与投影平面影平面斜交斜交投影射线平行于某一固定方向的投影的投影称为投影射线平行于某一固定方向的投影的投影称为平行投影航摄像片为中心投影，地形图为正射投影SBbAaCc中心投影AaBbCc正射投影地形起伏引起的像点位移spacbABCB0BbAA0sEpb0aa0像片倾斜引起的像点位移航摄像片的特点当像片倾斜、地面起伏时，地面点在航摄像片上当像片倾斜、地面起伏时，地面点在航摄像片上构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异称称像点位移像点位移投影方式投影方式：地图为正射投影，航片为中心投影地图为正射投影，航片为中心投影比比 例例 尺尺：地图有统一比例尺，航片无统一比例尺地图有统一比例尺，航片无统一比例尺表示方法表示方法：地图为线划图，航片为影像图地图为线划图，航片为影像图表示内容表示内容：地图需要综合取舍（制图规则），航片内容丰富地图需要综合取舍（制图规则），航片内容丰富几何差异几何差异：航摄像片可组成像对立体观察航摄像片可组成像对立体观察摄影测量的主要任务之一摄影测量的主要任务之一：把地面按中心投影规律获取把地面按中心投影规律获取把地面按中心投影规律获取把地面按中心投影规律获取的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射投影地形图投影地形图投影地形图投影地形图航摄像片与地图的关系主观、艺术主观、艺术所见即所得所见即所得2.1.4 2.1.4 透视变换作图透视变换作图像点平面与物点平面这两个平面之间的像点平面与物点平面这两个平面之间的中心投影变换关系称为中心投影变换关系称为透视变换面：地面地面E 像片面像片面P 主垂面主垂面W 真水平面真水平面Es线：迹线迹线TT 主光线主光线SoO 主垂线主垂线SnN 摄影方向线摄影方向线VV 主纵线主纵线vv 等角线等角线ScC 主合线主合线hihi 主横线主横线hoho 等比线等比线hchc重要的点线面点：摄影中心摄影中心S 像主点像主点o 地主点地主点O 像底点像底点n 地底点地底点N 等角点等角点c 地面等角点地面等角点C 主合点主合点i 主遁点主遁点J EPTTvvVVShihiWhohohchcEsJiNnOoCc航摄像片中的重要点、线、面透视轴、迹线重要点线的数学关系EPTTvvVVSWJiNnOoCc底点特性铅垂线在像平面铅垂线在像平面上的构像位于以上的构像位于以像底点像底点n为辐射为辐射中心的相应辐射中心的相应辐射线上线上Nn重要的点 线特征等角点特性在倾斜像片和水在倾斜像片和水平地面上，由等平地面上，由等角点角点c和和C所引出所引出的一对透视对应的一对透视对应线无方向偏差，线无方向偏差，保持着方向角相保持着方向角相等等Cc重要的点 线特征等比线特性 等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比例尺，不受像片倾斜影响不受像片倾斜影响重要的点 线特征 已知已知 E E 平面上有平面上有 A 点，在像平面上作对应的像点，在像平面上作对应的像 aPTTSAT1i作图步骤：作图步骤：1）找迹点）找迹点T12）找主合点）找主合点i3）连）连T1i与与SA，交点为交点为a中心投影作图主合点主合点迹点迹点avvE 已知已知 E E 平面上有平面上有 AB 直线，在像平面上作对应的像直线，在像平面上作对应的像 abPTTSi作图步骤：作图步骤：1）找迹点）找迹点T12）找合点）找合点i13）连）连T1i1与与SA，交点为交点为a4）连）连T1i1与与SB，交点为交点为b5）a与与b 连线连线中心投影作图主合点主合点迹点迹点avvEhihiABi1bT1 已知垂直物面的空间直线已知垂直物面的空间直线 AB，在像平面上作对应的像，在像平面上作对应的像 abPTTSi作图步骤：作图步骤：1）按）按E面上点作面上点作图方式确定图方式确定a2）找像底点）找像底点n3）连接）连接na4）na与与SB的交点的交点为为b5）a与与b 连线连线中心投影作图主合点主合点迹点迹点vvEABba2.2 共线方程主要内容主要内容一、一、摄影测量常用坐标系摄影测量常用坐标系二、航摄像片的方位元素二、航摄像片的方位元素三、空间直角坐标变换三、空间直角坐标变换四、共线方程四、共线方程五、有理函数模型五、有理函数模型一、一、摄影测量常用坐标系摄影测量常用坐标系像像平平面面直直角角坐坐标标系系pxyoxyaa(x,y)思考：思考：1、像平面坐标系与框标坐标系的关系？2、内方位元素的作用？地地面面测测量量坐坐标标系系sxyoA A(X Xt t,Y,Yt t,Z,Zt t)tYtXtZtA地面测量坐标为国家统一坐标系，地面测量坐标为国家统一坐标系，平面坐标为高斯平面坐标为高斯-克吕格克吕格3 3度带或度带或6 6度带投影（度带投影（19541954北京北京19801980西安西安CGCS2000CGCS2000坐标系），高程为坐标系），高程为19851985黄海高程系。黄海高程系。a（物方）（物方）思考：思考：1、摄影测量的主要任务？2、基本途径是由像点坐标获得其地面点坐标，但如何实现？像像空空间间直直角角坐坐标标系系sxyxyzoaa(x,y,-f)思考：思考：1、与像平面坐标系的联系？2、像点在该坐标系的特点？3、内方位元素的作用？像像空空间间辅辅助助坐坐标标系系sxyoYXZaa(X,Y,Z)思考：思考：1、像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的联系、像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的联系？2、该坐标系建立的目的？、该坐标系建立的目的？地地面面摄摄影影测测量量坐坐标标系系sxyAao原点为地面某一控制点，坐标轴与像空间辅助坐标轴平行。MZtpXtpYtp思考：思考：1.摄影测量坐标系与像空间辅助坐标系的联系？摄影测量坐标系与像空间辅助坐标系的联系？2.摄影影测量坐量坐标系作用系作用?xyzXYZAas(x,y,-f)(Xt,Yt,Zt)tYtXtZtMZtpYtpXtp摄影测量中的各种坐标系摄影测量中的各种坐标系两种物方坐标系三种像方坐标两种物方坐标系三种像方坐标系。最主要的坐标系为像平面系。最主要的坐标系为像平面坐标系和地面侧坐标系，其他坐标系和地面侧坐标系，其他三种均为过渡坐标系。三种均为过渡坐标系。二、二、像片的方位元素像片的方位元素确定摄影时刻摄影中心、像片与地面三者之确定摄影时刻摄影中心、像片与地面三者之间相关位置关系的参数叫间相关位置关系的参数叫像片的方位元素像片的方位元素确定投影中心与像片之间相互位置关系的参数确定投影中心与像片之间相互位置关系的参数内方位元素（x0,y0,f）可恢复摄影光束xyp像像片片内内方方位位元元素素fx0y0So一般由摄影机检校确定。一般由摄影机检校确定。soAYXZ确定摄影光束摄影时刻在地面直角坐标系中空间位置和姿态的参数：确定摄影光束摄影时刻在地面直角坐标系中空间位置和姿态的参数：包括两类：包括两类：3 3个线元素和个线元素和3 3个角元素个角元素像像片片外外方方位位元元素素ZsXsYs外方位线元素：描述摄影描述摄影中心在物方空间坐标系中中心在物方空间坐标系中的位置的位置(Xs、Ys、Zs)外方位角元素：描述像片在摄影描述像片在摄影瞬间的空间姿态瞬间的空间姿态AXYZ像像片片外外方方位位角角元元素素以Y 轴为主轴的-转角系统XYZN航向倾角航向倾角 旁向倾角旁向倾角 像片旋角像片旋角 osxyzOX我国习用的转角系统思考：思考：像片像片9 9个方位元素在摄影测量几种坐标系相互个方位元素在摄影测量几种坐标系相互转化过程中的作用？转化过程中的作用？三、三、空间直角坐标变换空间直角坐标变换平平面面坐坐标标变变换换xyoxyaaa转换为矩阵的形式：转换为矩阵的形式：转换为矩阵的形式：转换为矩阵的形式：xyzXYZas(x,y,-f)(X,Y,Z)像像空空间间坐坐标标与与像像空空间间辅辅助助坐坐标标的的变变换换可以理解为：像空间坐标系是像空间辅助坐标系（相当于摄影光束的起始位置）依次绕相应的坐标轴旋转，三个角度以后的位置。aS-XYZ坐标系绕Y 轴旋转角到S-XYZXZSYXZ(Y)以Y 轴为主轴的-转角系统的坐标变换S-XYZ坐标系绕X轴旋转角到S-X Y Z 以Y 轴为主轴的-转角系统的坐标变换S-X Y Z 坐标系绕z轴旋转角到S-xyz以Y 轴为主轴的-转角系统的坐标变换以Y 轴为主轴的-转角系统的坐标变换正交变换矩阵的特点正交变换矩阵的特点由高等数学知道，一个坐标系按三个角元素顺次地绕坐标轴旋转即可变换由高等数学知道，一个坐标系按三个角元素顺次地绕坐标轴旋转即可变换为一个同原点的为一个同原点的坐标系，这种变换为坐标系，这种变换为正交变换正交变换正交变换矩阵的特点正交变换矩阵的特点旋转矩阵只有旋转矩阵只有3 3个独立参数个独立参数以Y 轴为主轴的-转角系统的坐标变换以X 轴为主轴的-转角系统的坐标变换以X 轴为主轴的-转角系统的坐标变换以Z 轴为主轴的A-v系统的坐标变换以Z 轴为主轴的A-v系统的坐标变换四、共线条件方程主要内容一、共线条件方程的一般形式一、共线条件方程的一般形式二、共线条件方程的应用二、共线条件方程的应用一、共线条件方程的一般形式一、共线条件方程的一般形式像片的基本知识回顾什么是共线条件方程共线条件方程的简单推导中心投影中心投影内外方位元素内外方位元素常用坐标系常用坐标系空间坐标变换空间坐标变换基本知识回顾航摄仪sxyxyzMZYXAaoXYZ共线条件xyzXYZsAaXsYsNZsYXZXA-XsYA-Ys(x,y,-f)(XA,YA,ZA)MZYX在共线条件基础上，如何在共线条件基础上，如何推知像点坐标与其地面点推知像点坐标与其地面点物方坐标系的关系？物方坐标系的关系？ZA-Zs共线条件方程共线条件方程共线条件方程考虑到像主点的坐标 ,二、共线条件方程的应用二、共线条件方程的应用u单像空间后方交会和多像空间前方交会u摄影测量中的数字投影基础u航空影像模拟u光束法平差的基本数学模型u利用DEM制作数字正射影像图像片仿真已知已知内、外方位元素内、外方位元素地面点空间坐标地面点空间坐标DEM模拟影像模拟影像XYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)2.2.5有理函数模型2.3 单幅影像解析基础主要内容主要内容一、内定向一、内定向二、单像空间后方交会二、单像空间后方交会一、内定向内定向：内定向：利用平面相似变换，将像片架坐标变换为以利用平面相似变换，将像片架坐标变换为以像主点为原点的像平面坐标像主点为原点的像平面坐标正形变换正形变换仿射变换仿射变换双线性变换双线性变换xyxy解析内定向计算过程1 1、获取框标点的理论坐标、获取框标点的理论坐标2 2、选用合适的变换模型、选用合适的变换模型3 3、建立误差方程、建立误差方程4 4、建立法方程并解算、建立法方程并解算5 5、由变换参数计算像点坐标、由变换参数计算像点坐标像片系统误差预改正（摄影材料变形）（摄影材料变形）四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射四个框标位于像片的四个角隅时可用仿射变换变换变换变换 四个框标位于像片的中央时可用比例缩放四个框标位于像片的中央时可用比例缩放四个框标位于像片的中央时可用比例缩放四个框标位于像片的中央时可用比例缩放Lx,Ly为框标距的理论值为框标距的理论值lx,ly为框标距的量测值为框标距的量测值x,y为像点坐标的量测值为像点坐标的量测值x,y 为像点坐标的改正值为像点坐标的改正值像片系统误差预改正（摄影机物镜畸变差）（摄影机物镜畸变差）摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数摄影机鉴定时提供物镜畸变差参数 摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值摄影机鉴定时提供各向径物镜畸变差值k0、k1、k2、k3为物镜畸变差改正系数为物镜畸变差改正系数r为畸变差为畸变差像片系统误差预改正（大气折光差改正）（大气折光差改正）大气折光引起像点在径向的变形大气折光引起像点在径向的变形大气折光引起像点在径向的变形大气折光引起像点在径向的变形saAa 大气折光引起像点在坐标向的变形大气折光引起像点在坐标向的变形大气折光引起像点在坐标向的变形大气折光引起像点在坐标向的变形r 为像点误差改正数为像点误差改正数r 为向径为向径rf 为折光差角为折光差角像片系统误差预改正（地球曲率）（地球曲率）地球曲率引起像点在径向的变形地球曲率引起像点在径向的变形地球曲率引起像点在径向的变形地球曲率引起像点在径向的变形 地球曲率引起像点在坐标向的变形地球曲率引起像点在坐标向的变形地球曲率引起像点在坐标向的变形地球曲率引起像点在坐标向的变形r 为像点误差改正数为像点误差改正数r 为向径为向径R 为地球曲率半径为地球曲率半径像片系统误差预改正 内定向并经系统误差预改正后的像点坐标内定向并经系统误差预改正后的像点坐标内定向并经系统误差预改正后的像点坐标内定向并经系统误差预改正后的像点坐标内定向镜头畸变大气折光地球曲率二、单片空间后方交会二、单片空间后方交会主要内容一、定义一、定义二、共线条件方程的线性化二、共线条件方程的线性化三、误差方程和法方程三、误差方程和法方程四、计算过程四、计算过程思考1.1.什么是外方位元素？什么是外方位元素？2.2.外方位元素的重要性？外方位元素的重要性？3.3.如何获取影像的外方位元素？如何获取影像的外方位元素？一、定义一、定义根据影像覆盖范根据影像覆盖范围内一定数量的围内一定数量的分布合理的地面分布合理的地面控制点（已知其控制点（已知其像点和地面点的像点和地面点的坐标），利用共坐标），利用共线条件方程求解线条件方程求解像片外方位元素像片外方位元素XYZaxyzs(Xs,Ys,Zs)ACBbc二、共线条件方程的线性化二、共线条件方程的线性化目的观测值 x,y未知数 Xs,Ys,Zs,X,Y,Z,x0,y0,f泰勒级数展开三、误差方程三、误差方程已知值 x0,y0,f,m,X,Y,Z观测值 x,y未知数 Xs,Ys,Zs,泰勒级数展开共线条件方程结果见课本P38，公式2-5-9偏导数 1偏导数 2偏导数 2-1偏导数 2-2正交矩阵的每一正交矩阵的每一个元素等于它的个元素等于它的代数余子式代数余子式误差方程垂直摄影情况下，可取垂直摄影情况下，可取 0，保留，保留，则，则外方位元素的计算当一张像片上至少有三个控制点时，误差方程矩阵形式当一张像片上至少有三个控制点时，误差方程矩阵形式四、计算过程四、计算过程获取已知数据 m,x0,y0,f,Xtp,Ytp,Ztp量测控制点像点坐标 x,y确定未知数初值 Xs0,Ys0,Zs0,0,0,0 组成误差方程式并法化解求外方位元素改正数检查迭代是否收敛人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。