数字摄影测量概述

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字摄影测量学,Digital Photogrammetry,1,数字摄影测量,Digital photogrammetry,课程基本情况,课程性质,适应专业层次,本课程的地位,设置本课程的目的,教学基本要求,基本教学内容,2,参考书,3,数字摄影测量,Digital photogrammetry,建 议,处理好教材与其他参考资料的关系,处理好课堂听课与课下复习的关系,处理好理论教学与实践教学的关系,处理好正常学习与考研准备的关系,4,摄影测量与遥感是从非接触成像或其它传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境或其它物体可靠信息的工艺、科学与技术。,一,、,摄影测量的定义,5,二,、,摄影测量能做什么？（主要任务）,摄影测量目前的主要任务是：,1.,测制各种比例尺的地形图和专题图；,2.,建立地形数据库；,3.,为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据；,6,摄影测量学要解决的两大问题是,几何定位,和,影像解译,。,几何定位,就是确定被摄物体的大小、形状和空间位置。,几何定位的基本原理,源于测量学中的前方交会法，它是根据两个已知的摄影站点和两条已知的摄影方向线，交会出构成这两条摄影光线的待定地面点的三维坐标。,影像解译,就是确定影像对应地物的性质。,人工判读、计算机自动识别和提取,7,摄影测量知识回顾,摄影测量常用坐标系,像片的内方位元素与外方位元素,共线条件方程式,共面条件方程式,单像解析基础,双像解析基础,8,一、摄影测量常用坐标系,像平面坐标系,像空间坐标系,摄影测量坐标系,地面辅助坐标系,大地坐标系,9,像平面坐标系,像空间坐标系,摄测坐标系,大地坐标系,像面,物面,量测坐标系,起算坐标系,运算坐标系,成果坐标系,像方坐标系,物方坐标系,坐标系间的关系,10,二、像片的内方位元素与外方位元素,1,、航摄像片的内方位元素,投影中心对像片的相对位置叫做像片的内方位，确定内方位的独立参数叫做,内方位元素,。,11,1,、像片的内方位元素,每条摄影光线在像空系中有一个确定的方向，这个方向可以用两个角度来表示。,S,x,y,o,m,M,在投影的情况下，恢复内方位就是恢复摄影光束的形状,。,二、像片的内方位元素与外方位元素,12,确定摄影时像片连同其摄影中心在,物方坐标系,中位置和方向的元素，叫做像片的,外方位元素,。,确定像空系（或摄影光束）在,物方坐标系,中位置和方向的元素叫做像片的,外方位元素,。,像片的外方位元素有,6,个，其中,3,个是,线元素,，,即像空系的原点,S,在物方坐标系中的坐标；,另外,3,个是,角元素,，用以确定像空系三轴在物方坐标系中的方向。,2,、像片的外方位元素,二、像片的内方位元素与外方位元素,13,N,S,X,Z,Y,X,Y,x,y,x,y,z,角,（俯仰,pitching,）,角（侧滚,roll,）,角（偏航,yaw,）,主光轴在,XZ,坐标面内的投影与,Z,轴的夹角。逆时针方向为正，从,Z,轴起算。,主光轴与其在,XZ,坐标面内的投影,的夹角。逆时针方向为正，从主,光轴投影起算。,Y,轴在像平面上的投影与像平面坐标系,y,轴的夹角。逆时针方向为正，从投影起算。,2,、航摄像片的外方位元素,二、像片的内方位元素与外方位元素,14,B,C,D,A,S,c,d,b,a,像片,地面,中,心,投,影,摄,影,测,量,B,C,D,A,S,c,d,b,a,三、,共线条件方程式,15,S,f,A,o,在理想情况下，摄影瞬间,像点、投影中心、物点,位于同一条直线上，以三点共线为基础建立起来的描述这三点共线的数学表达式，称之为共线条件方程式。,1,、共线条件方程的定义,a,Collinearity Condition Equations,三、,共线条件方程式,16,用地面点坐标表示像点坐标的共线条件方程,2,、共线,条件方程的形式,三、,共线条件方程式,17,用像点坐标表示地面点坐标的共线条件方程,三、,共线条件方程式,18,空间后方交会、空间前方交会,光束法平差的基本公式,数字摄影测量系统中数字投影器的基础,计算像片模拟数据,单片定位,求像底点坐标,3,、共线条件方程用途,三、,共线条件方程式,19,四、,共,面,条件方程,S,2,S,1,A,B,P,1,a,2,a,1,P,2,B,W,A,o,1,o,2,n,1,n,2,J,2,J,1,同名光线对对相交用数学语言表达：,摄影基线,B,与这两条同名光线满足共面条件：,20,四、,共,面,条件方程,21,五、单像解析基础,空间后方交会,(Space Resection),的定义,利用地面控制点,(GCP,Ground Control Point),及其在像片上的像点，确定像片外方位元素的方法。,22,1,、基本命题,已知：地面控制点坐标,X,，,Y,，,Z,（不少于,3,个，,为什么？,）,相应像点坐标,x,，,y,；,内方位元素,x,0,，,y,0,，,f,求：利用共线条件方程按参数平差法求解像片的外方位元素。,2,、基本原理,共线条件线性化方程：,五、单像解析基础,23,共线条件方程简化为（去掉地面点坐标的改正数）,：,列误差方程式,法化答解,五、单像解析基础,24,六、双像解析基础,双像解析摄影测量的,目的,是研究立体像对内两张像片之间以及立体像对与被摄物体之间的数学关系，并以数学计算的方式确定地面点的三维坐标。,25,1,、立体像对的定义,（,Stereo Pair,）,由不同摄站获取的，具有一定影像重叠的两张像片。,S,2,S,1,o,1,o,2,A,a,1,a,2,六、双像解析基础,26,2,、立体模型,在恢复光束内方位元素及保持立体像对的相对方位的情况下，通过摄影过程的几何反转，由无数同名光线相交得到的,与实地相似,的三维几何表面叫做立体模型。,立体模型与立体几何模型的关系。,比例尺、方位不一样。,六、双像解析基础,27,解决摄影测量问题的时候，也可以分为两步处理：,首先确定像对中两张像片的相对方位（构成立体模型），这个过程叫做立体像对的,相对定向,，确定一个立体像对中两张像片之间的相对方位的参数，叫做该立体像对的,相对方位元素,。,然后再确定这个立体模型在地辅系中的大小和方位，这个过程叫做立体模型（像对）的,绝对定向,，确定这个立体模型在地辅系中的大小和方位的参数，叫做该立体模型（像对）的,绝对方位元素,。,六、双像解析基础,28,3,、像对的相对方位元素,二种相对方位元素系统,连续像对系统,o,2,B,决定了摄影基线的方向，,决定了右光束对于,左光束的旋转方位。,六、双像解析基础,29,3,、像对的相对方位元素,二种相对方位元素系统,单独像对系统,六、双像解析基础,30,（,1,）定义,确定立体模型在地面坐标系中的大小和空间方位的元素。,实际上就是确定相对定向时采用的坐标系与地面坐标系的关系。,需要哪些元素？,A,A,4,、像对的绝对方位元素,六、双像解析基础,31,（,2,）绝对方位元素的确定,大小：,比例尺,；,位置：,相对定向时采用的坐标系的原点在地面坐标系的坐标,X,0,、,Y,0,、,Z,0,;,方向：,这实际上就是空间相似变换的七个参数。,六、双像解析基础,32,5,、解求地面点的空间坐标,解求地面点的空间坐标可分为三种：,空间后方交会,-,空间前方交会,相对定向,-,绝对定向,光束法,六、双像解析基础,33,条件：,每张像片上至少有三个,GCP,。,1,、单片后方交会分别求出左右像片的外方位元素；,2,、空间前方交会求出待定点地面坐标。,缺点：,没有充分利用多余条件（重叠）进行平差。,一,空间后方交会,-,空间前方交会,34,利用立体像对两张像片的同名像点坐标和像对的相对方位元素（或外方位元素）解算模型点坐标（或地面点坐标）的工作。,1,、利用像对的相对方,位元素，计算模型点的,三维坐标；,2,、利用像对的外方位,元素，计算相应像点的,地面坐标。,S,2,o,2,a,2,S,1,o,1,a,1,A,A,空间前方交会,35,二,相对定向一绝对定向法,这种方法不直接求出两张像片相对于地面摄影测量坐标系的外方位元素，而是先进行相对定向，确定两张像片相对于以左摄站为原点的像空间辅助坐标系的方位元素一相对定向元素，然后用前方交会方法计算出模型点坐标，建立与地面相似的立体模型。最后进行绝对定向，将立体模型作三维的平移、旋转和缩放，使模型点坐标变换为地面摄影测量坐标。,36,条件：,重叠范围内至少有二个平高控制点，一个高程控制点。,1,、相对定向求出五个相对方位元素；,2,、空间前方交会求出模型点坐标；,3,、绝对定向求出七个绝对方位元素；,4,、通过空间相似变换将模型坐标转换为地面坐标。,缺点：,公式多，不能严格表达外方位元素。,二,相对定向一绝对定向法,37,相对定向,定 义：,恢复两光束间相对方位的工作。,解算立体像对相对方位元素的工作。,目 的：,建立立体模型。,完成标志：,同名光线对对相交（共面核面）；,所有点在其承影面上的上下视差为零。,完成手段：,解算五个相对方位元素。,命 题：,利用,五个以上,定向点的像点坐标，,解算相对方位元素。,已知条件：,五个以上定向点的像点坐标。,待 求：,五个相对方位元素。,思 路：,找出相对方位元素与像点坐标的关系,即共面条件方程。,38,连续像对系统,线性化,39,绝对定向方程,空间相似变换,定义：,解算绝对方位元素的工作叫做绝对定向。,确定立体模型在地面坐标系中的大小和方位的工作。,命题：,利用已知地面控制点确定立体模型在地面坐标系中的大小和方位。,已知：,三个以上地面控制点的坐标及其相应的模型坐标。,待求：,七个绝对方位元素。,实质：,模型点的摄测坐标向地面坐标的数学变换。,思路：,找出已知条件（控制点坐标）与未知参数（绝对方位元素）间的数学关系。,40,绝对定向方程,空间相似变换,41,三,光束法,基本原理,光束法以共线条件方程式为基础，控制点和待定点一起列误差方程式，同时解算待定点坐标和像片的外方位元素。,光束法,一步定向法,理论严密、精度高，待定点坐标完全按平差原理得到。,42,数字摄影测量,Digital photogrammetry,问题的提出,什么是摄影测量？它有几个分支？ 它经历了几个主要发展阶段？,什么是数字摄影测量？主要研究哪些内容？,数字摄影测量的主要产品、作业环节和主要作业过程有哪些？,43,第,1,讲 绪论,摄影测量的知识回顾,摄影测量的三个发展阶段,数字摄影测量的定义与研究内容,数字摄影测量的主要作业过程及产品,数字摄影测量与其他学科的关系,数字摄影测量的应用,数字摄影测量需进一步研究的问题,数字摄影测量的现状与发展,本门课程的内容安排及特点,44,摄影测量的知识回顾,1,、什么是摄影测量？,摄影测量渊源于,“,前方交会,”,普通测量,是在两个已知点,1,、,2,上，安置经纬仪，对未知点,A,测定水平角、垂直角，进行,“,前方交会,”,测量未知点的坐标,A,（,X,、,Y,、,Z,）,。,A,45,摄影测量,1.,在两个已知点上，摄取两张影像,;,2.,量测影像上同名点的坐标,:,a,1,(,x,1,y,1,),、,a,2,(,x,2,y,2,),；,3.,通过解算，求得对应空间点的坐标,A,（,X,、,Y,、,Z,）,。,摄影测量的知识回顾,46,摄影测量的基本内容,The fundamental task of photogrammetry is to rigorously,establish the geometric relationship between the image and the object,as it existed at the time of the imaging event. Once this relationship is correctly recovered, one can then derive information about the object,strictly from its imagery.,E. M. Mikhail etc. Modern Photogrammetry,摄影测量的知识回顾,47,有了同名点就建立了影像与所摄物体的几何关系，就解决了通过影像量测物体的问题,同名点,摄影测量的知识回顾,48,传统摄影测量，均依赖于人的双眼，确定同名点,摄影测量的知识回顾,49,数字摄影测量，就是要用计算机代替人的双眼，确定同名点,影像,匹配,摄影测量的知识回顾,50,模拟摄影测量 解析摄影测量 数字摄影测量,摄影测量的三个发展阶段,51,摄影测量的三个发展阶段,52,数字摄影测量的定义与研究内容,1,、数字摄影测量的定义,(Definitions),定义一：,基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量的分支学科。（张祖勋）,定义二：,以数字影像为基础，用计算机分析和处理确定被摄物体的形状、大小、位置及其性质的技术，具有全数字的特点。（中国军事百科全书测绘分册）,53,2,、数字摄影测量的研究内容,数字影像的获取与处理,定向理论,影像匹配,DEM,自动生成,数字空中三角测量,数字微分纠正,地物识别,数字摄影测量系统,数字摄影测量的定义与研究内容,54,数字摄影测量的主要作业过程及产品,1,、数字摄影测量的主要过程,数字测绘产品,数字正射影像,数字线划图,三维景观图,数据获取,数字,/,模拟,数字化,预处理,重采样,定向过程,内定向,相对定向,绝对定向,核线重采样,DEM,自动提取,影像匹配,DEM,自动生成,DEM,内插,DEM,编辑,数字空三,选点转点,平差加密,精度评定,55,数字摄影测量,-,基本流程,原始影像,扫描影像,扫描,内定向,相对定向,绝对定向,核线影像,核线影像匹配,匹配编辑,DEM,生成,立体测图,内插等高线,引入等高线矢量,DOM,生成,叠加影像生成,DLG,生成,DRG,生成,数字影像,56,2,、数字摄影测量的主要产品,数字空中三角测量的加密成果,DEM,或,DSM(Digital Surface Model),各种数字线划图,数字正射影像图,三维景观图，如地形三,维,可视化显示等,各种工程设计所需的三维信息,各种信息系统所需的基础地理空间数据,数字摄影测量的主要作业过程及产品,57,4D,产品,DRG,（,Digital Raster Graphic,）,DLG,（,Digital Line Graphic,）,DOM,（,Digital Orthophoto Map,）,DEM,（,Digital Elevation Model,）,DSM (Digital Surface Model),数字摄影测量的主要作业过程及产品,2,、数字摄影测量的主要产品,58,2,、数字摄影测量的主要产品,数字摄影测量的主要作业过程及产品,59,由航片生成的苏州市的点云,数字摄影测量的主要作业过程及产品,影像匹配算法所获得的三维点云数据,60,数字摄影测量的主要作业过程及产品,61,数字摄影测量的主要作业过程及产品,62,数字表面模型,DSM,数字摄影测量的主要作业过程及产品,63,数字摄影测量的主要作业过程及产品,64,数字摄影测量的主要作业过程及产品,65,北京,.,亚运村,Beijing Asian Games Cluster,City modeling and visualization,66,数字厦门,City modeling and visualization,67,数字摄影测量与其他学科的关系,与数字图像处理的关系,（,D.P. and digital image processing,）,与模式识别的关系,（,D.P. and pattern recognition,）,与计算机视觉或机器视觉的关系,（,D.P. and computer vision or machine,vision,）,68,数字摄影测量的应用,各种比例尺的地形测图,数字摄影测量系统与,3S,的集成,数字摄影测量系统与,CAD,数字摄影测量系统与计算机视觉,数字摄影测量系统在军事中的应用,变化检测（,change detection,）与地图修测,数字摄影测量系统、可视化与虚拟现实,69,七、数字摄影测量需进一步研究的问题,辐射信息,(,Radiation Information,),数据量,(,Data Volume,),数字影像匹配,(,Digital Image Matching,）,数字影像解译与理解,(,Image Understanding,),70,1,、,辐射信息,解析摄影测量中，一个点目标向量是三维的,数字摄影测量中，一个点目标向量是四维的,该点的辐射信息，影像的密度或灰度,七、数字摄影测量需进一步研究的问题,71,2,、数据量,大范围成像，数据量大，海量数据的存储、分发和管理,3,、影像匹配,影像匹配的精确性、可靠性、算法的适应性及速度,4,、解译与理解,七、数字摄影测量需进一步研究的问题,72,各种传感器迅速发展,摄影测量是否会被,“,终止,”,Photogrammetry and cats share a common, most important trait: both have several lives. The end of photogrammetry has been predicted several times. For example,.,Toni Schenk, Digital Photogrammetry, Volume I, 1999, Terra Scince,事实上，它的发展，不仅没有终止,“,摄影测量,”,，而是给摄影测量带来新的机遇,数字摄影测量的现状与发展,73,1,、 摄影测量理论与实践的发展,(1),由,“,单基线,”,到,“,多基线,”,立体,传统的摄影测量受人的,“,双眼,”,的限制，单基线立体,Binocular Stereo,数字摄影测量的现状与发展,双目立体,74,(2),由基于,“,点,”,到,“,广义点,”,摄影测量,点 无穷远点 直线 圆 圆弧 任意曲线,数字摄影测量的现状与发展,线摄影测量,1,、 摄影测量理论与实践的发展,75,由于摄影测量渊源于测量学中“测点”的前方交会与后方交会，因此，,共线方程,（即物点、像点与摄影中心位于一条直线上）是整个摄影测量的核心。点的共线性是摄影测量的基本概念，但是摄影测量所涉及到的点仅仅是物理的点或可视的点，如圆点、交点、角点等。无论是在模拟还是解析、甚至是数字摄影测量阶段，可以由人工量测的主要基本特征是物理的点，因而它可以称为“,点摄影测量,”。,数字摄影测量的现状与发展,1,、 摄影测量理论与实践的发展,76,但是在建筑物的提取、建筑摄影测量、工业零件测量中，大量存在的是直线，由此，基于直线的摄影测量（即共面方程）得到了深入的研究与应用。在线摄影测量中，对于直线，可以使用共面方程，其中影像上的直线位于过其对应的空间直线与摄影中心的平面内，其中所有的直线和曲线通常都被认为是线特征而不是点特征。,数字摄影测量的现状与发展,1,、 摄影测量理论与实践的发展,77,在现实世界中，还存在大量的曲线，如地面上的道路、河流、湖泊等，建筑测量、工业测量中的圆、圆弧、曲线等。另外，在实际生产（特别是利用影像进行地图修测）中，目前一般是要在地形图与影像之间确定对应点作为控制，这是一项比较困难的任务。因为在一般情况下，明显点（独立点）、角点较少，并难以精确配准。因此，能否利用地图与影像上存在的大量的“线”作为控制信息进行配准，将具有重要的理论与现实意义。,数字摄影测量的现状与发展,1,、 摄影测量理论与实践的发展,78,(3),影像匹配理论与实践的发展,影像匹配,对应性问题,corresponding identification,是数字摄影测量的,“,核心,”,也是它的,“,生命力,”,所在。它已经促使了摄影测量生产中内定向、相对定向、空中三角测量、,DEM,的生成，从而使得正射纠正的自动化,(,或半自动化,),，极大地提高了生产力。,1,、 摄影测量理论与实践的发展,数字摄影测量的现状与发展,79,匹配也是计算机立体视觉的核心！在计算机视觉界，同样也认为：影像匹配是没有解决的问题！,“,无论是从视觉生理的角度，还是从实际应用方面来看，现有的立体视觉技术还处在十分不成熟的阶段。这不仅仅涉及到技术上的原因，而且更多地在于人类对自身视觉机理还不十分了解。,”,.,“,立体视觉问题的彻底解决还有待于对人类自身视觉机理的深入研究,.,”,“,立体视觉研究的现状与进展,”,游素亚、徐光右,1997,1,、 摄影测量理论与实践的发展,数字摄影测量的现状与发展,80,2,、 摄影测量系统的发展,数字摄影测量工作站（,DPW,）的出现为摄影测量带来了一次重大的革命,由数字影像替代光学影像；,摄影测量实现了完全计算机化,大大的提高了生产效率,但是，随着新传感器的发展、,PF(,像素工厂,),的出现，今天我们必须考虑,DPW,所存在的问题，与它的发展。,数字摄影测量的现状与发展,81,82,DPW,的问题：,（,1,）,DPW,是摄影测量生产所需而设计的,“,工作站,”,，但是,DPW,仍是按单,“,台、件,”,方式作业。,（,2,）受摄影测量传统观念的限制，,DPW,已经完全不能适应新一代摄影测量传感器与当前摄影测量理论的发展,（,3,）,DWP,遵循传统的生产流程，基本没有变化；,（,4,）,“,人,”,与,“,计算机,”,的分工、协调问题；,（,5,） 操作复杂、效率低；,（,6,）,“,核线影像,”,当时的,“,产物,”,（,7,）无法建立真正意义上的数据处理中心；,数字摄影测量的现状与发展,2,、 摄影测量系统的发展,83,DSM(,Digital Surface Model,),与,DTM,2,、 摄影测量系统的发展,数字摄影测量的现状与发展,84,数字表面模型,DSM,（,Digital Surface Model, DSM,）,是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和,DEM,相比，,DEM,只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息，,DSM,是在,DEM,的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。,2,、 摄影测量系统的发展,数字摄影测量的现状与发展,85,合理的影像匹配策略,-,如何利用多像,可靠的影像匹配算法,-,遮挡区、重复特征区域、断裂处等如何匹配,有效的质量控制技术,-,粗差探测、怀疑点位的处理、精度评估,DSM,的后处理,-,滤波、内插等,获取高精度,DSM,的关键技术,2,、 摄影测量系统的发展,数字摄影测量的现状与发展,86,本门课的主要讲授内容,数字影像的获取与处理（数字化、重采样、特征提取与定位、金字塔数据结构等）,数字影像定向（各种定向、核线几何纠正）,数字影像匹配（基于灰度、特征匹配，,LS,匹配、整体匹配等）,DEM,的生成及其应用,数字微分纠正,数字空中三角测量,数字摄影测量系统,本课程的内容安排及特点,87,本门课的安排,主要以教材为主,初步计划,1,次复习课,总学时,40,本门课的特点,数学知识多,公式多，抽象推导过程多，算法或计算过程多,许多算法可以用编程语言（,C+,）实现,本课程的内容安排及特点,88,建议与要求,处理好课堂听课与课下复习的关系,处理好专业课程之间学习的关系,本课程的内容安排及特点,89,小 结,摄影测量的三个发展阶段,数字摄影测量的定义与研究内容,数字摄影测量的主要作业过程及产品,数字摄影测量与其他学科的关系,数字摄影测量的应用,数字摄影测量需进一步研究的问题,本门课程的内容安排及特点,90,谢谢,!,91,