《摄影测量学》PPT课件.ppt

1,摄影测量学,薛 云,2,湖南城市学院城市建设系,3,目 录,第一章 绪论 1-1 摄影测量的定义和任务 1-2 影像信息科学的形成与内涵 1-3 影像信息科学的组成 第二章 摄影的基本知识与影像误差处理 2-1 摄影原理与摄影机 2-2 黑白感光材料 2-3 摄影处理与像片晒印 2-4 航空摄影及摄影测量对摄影的基本要求 2-5 像片影像的误差及其处理,4,第三章 单张航摄像片解析 3-1 中心投影的基本知识 3-2 摄影测量常用坐标系 3-3 像片的内外方位元素 3-4 像点在不同坐标系中的变换 3-5 中心投影的构像方程(共线方程) 3-6 像点位移 3-7 单像空间后方交会,目 录,5,第四章 立体观察和立体量测 4-1 人眼的立体视觉 4-2 人造立体视觉 4-3 像对的立体观察 4-4 像对的立体量测 第五章 双像解析摄影测量 5-1 双像解析摄影测量概念 5-2 双像空间前方交会 5-3 单像空间后方交会及双像空间前方交会作业流程 5-4 解析相对定向及模型坐标计算 5-5 模型绝对定向 5-6 解析相对定向及解析绝对定向作业流程 5-7 单模型光束法(双像后方交会),目 录,6,第六章 解析空中三角测量概述 6-1 解析空中三角测量的分类 6-2 单航带航带法空中三角测量概述 6-3 光束法空中三角测量概述 第七章 解析立体测图仪及立体测图作业 7-1 解析立体测图仪的基本原理 7-2 解析立体测图仪硬、软件构成 7-3 解析立体测图仪上的立体测图内业过程 7-4 航测立体测图作业工序流程,目 录,7,目 录,第八章 数字地面模型概述 第九章 像片纠正、正射投影技术及综合法测图 9-1 像片纠正的概念与分类 9-2 透视投影变换纠正（常规纠正） 9-3 数字纠正 9-4 综合法测图,8,第十章 数字摄影测量基础知识 10-1 数字影像 10-2 基于灰度的影像匹配 10-3 同名核线与一维匹配概念 10-4 数字摄影测量系统及数字摄影测量生产 第十一章 摄影测量的外业 11-1 像片控制点联测 11-2 像片调绘,目 录,9,第四章 立体观察和立体量测,人眼的立体视觉,41 人眼的立体视觉,返回目录,10,1833年，惠斯通（英）证实，人眼的分辨远近的本 质是生理视差。 设远近不同的两点A、B在人眼视网膜上产生的生理 视差为,第四章 立体观察和立体量测,41 人眼的立体视觉,返回目录,11,一、人造立体视觉的产生 人造立体视觉：一定条件下， 观察立体像对能获得与观察 景物同样的生理视差， 由此产生的立体感觉。 视模型：观察立体像对 获得的景物立体景像。,第四章 立体观察和立体量测,42 人造立体视觉,返回目录,12,二、人造立体观察条件 观察立体像对 两眼分别观察一张像片上的同名像点 使同名像点连线与眼基线大致平行,第四章 立体观察和立体量测,42 人造立体视觉,返回目录,13,一、立体镜方式观察立体 1、立体镜法 2、左右光路仪器的 立体观察系统,第四章 立体观察和立体量测,43 像对的立体观察,返回目录,14,二、重叠影像方式观察立体 1、互补色法 2、光闸法(液晶闪闭式） 3、偏振光法,第四章 立体观察和立体量测,43 像对的立体观察,返回目录,15,第四章 立体观察和立体量测,双测标立体量测原理 量测时， 可记录 显然有 或记录,4-4 像对的立体量测,返回目录,(像片的左右视差） （像片的上下视差）,16,4-5 立体坐标量测仪,一、HCZ-1型立体坐标量测仪 （同Zeiss steko1818型） 结构示意图,第四章 立体观察和立体量测,返回目录,17,4-5 立体坐标量测仪,1、 仪器结构 基座 观察系统 左右光路分别观察左右像片 测标为0.06mm黑点，设在光路中；光路放大8 x车架 带动左右像片共同作x方向运动 带动x读数装置（0.02mm） y车架 带动左右光路系统（连同测标）共同作y方向运动 带动y读数装置（0.02mm）,第四章 立体观察和立体量测,返回目录,18,4-5 立体坐标量测仪, p车架 带动右像片相对左像片作x方向运动（左片不动） 带动p读数装置（0.01mm） q车架 带动右光路相对左光路作y方向运动（左光路不动） 带动q读数装置（0.01mm） 像片盘 18cm18cm 或23cm23cm,第四章 立体观察和立体量测,返回目录,19,第四章 立体观察和立体量测, 照明设备 一般使用透明正片或负片,4-5 立体坐标量测仪,返回目录,20,第四章 立体观察和立体量测,2、立体坐标量测作业过程 像片归心 使像平面上坐标系 （一般采用框标坐标系） 原点与坐标仪原点重合 像片定向 使像平面上坐标系 的轴系与坐标仪轴系重合,4-5 立体坐标量测仪,返回目录,21,第四章 立体观察和立体量测,测定仪器零位置 将左右测标分别对准像平面上坐标系原点读取x.y.p.q值 检校好的仪器标准零位置为: 立体量测 a.动x.y手轮使测标对准a1 b. 动p.q手轮使测标对准a2 c.立体观察下,动x.y.p.q 手轮使测标立体切准模型点A d.记录读数x.y.p.q,4-5 立体坐标量测仪,返回目录,22,第四章 立体观察和立体量测,二、其它精密立体坐标量测仪器 1、 专门的精密立体坐标量测仪 坐标量测精度达1m 具有坐标自动记录功能 2、 解析立体测图仪（使用立体坐标量测功能） 坐标量测精度13m 具有坐标自动记录功能 具有对像片坐标的后续处理功能,4-5 立体坐标量测仪,返回目录,23,第五章 双像解析摄影测量,双像解析摄影测量： 根据立体像对中的物像几何关系，用数学计算方法 解求被摄目标空间坐标的理论方法。 常用的理论方法有： 1、单像空间后方交会+双像空间前方交会 2、解析相对定向+解析绝对定向 3、光线束法空中三角测量,5-1 双像解析摄影测量概念,返回目录,24,立体摄影测量,25,双像空间前方交会：在已知立体像对的两张像片的内、外方位元素前提下，由同名光线交会确定物点空间坐标的计算过程。,第五章 双像解析摄影测量,5-2 双像空间前方交会,返回目录,26,一、空间前方交会计算公式:,点投影系数法,27,摄影基线,B,BX= Xs2 Xs1,BY= Ys2 Ys1,BZ= Zs2 Zs1,28,同名光线投影,29,点投影法前方交会,30,获取已知数据x0 , y0 , f , XS1, YS1, ZS1, 1, 1, 1 , XS2, YS2, ZS2 , 2, 2, 2 量测像点坐标 x1,y1 , x2,y2 由外方位线元素计算基线分量 BX, BY, BZ 由外方位角元素计算像空间辅助坐标 X1, Y1, Z1 , X2, Y2, Z2 计算点投影系数 N1 , N2 计算地面坐标 XA, YA, ZA,计算过程,31,第五章 双像解析摄影测量,5-3 单像空间后交+双像空间前交作业流程,返回目录,32,解析相对定向：利用立体像对中存在的同名光线共面的 几何关系，以解析计算方法解求两张像 片的相对方位元素的过程。 相对定向目的：由立体影像建立被摄目标的几何模型 （几何相似形态）。 一、立体像对的共面条件方程 相对定向元素：确定立体像对中两张像片相对方位的 参数。,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,33,1、连续法相对定向系统 像对的像空间辅助坐标系 选择与 重合,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,34,连续法相对定向系统,返回目录,35,相对定向元素为： 显然，在 中,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,36,为什么BX不是相对定向元素?,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,37,2、单独法相对定向系统 原为点 像对的像空间辅助坐标系 X轴为 连线方向 Z轴位于左主核面内 ( 及 所在平面),第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,38,单独法相对定向系统,返回目录,39,相对定向元素为: 显然, 在 中，,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,40,3、共面条件方程,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,41,因摄影时同名光线与摄影基线共面,故由影像重建几何 模型时,任何一对同名光线都应满足共面条件式: 当各向量坐标表达式为: 则共面条件式的行列式表达式为:,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,42,第五章 双像解析摄影测量,返回目录,43,将F按泰勒级数展开,取至一次项,得未知数(相对定向 元素)的线性方程式,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,偏导系数表达式示例:,返回目录,44,求法见教材P49,45,对F展开式整理得: 式中, Q为推导过程中引入符号,为 Q的几何意义为模型点的上下视差。,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,46,模型点上的上下视差Q,返回目录,47,连续法相对定向中 常数项的几何意义,48,2、定向计算过程 相对定向标准点位 将Q视为观测值,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,49,获取已知数据 x0 , y0 , f 确定相对定向元素的初值 0 由相对定向元素计算像空间辅助坐标 X1, Y1, Z1 , X2, Y2, Z2 计算误差方程式的系数和常数项 解法方程，求相对定向元素改正数 计算相对定向元素的新值 判断迭代是否收敛,三、相对定向元素计算,50,计算流程,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,51,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,52,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,53,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,54,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,55,2、单独法解析相对定向原理,56,四、模型坐标计算 （连续法）,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,57,式中，也可取 以消除相对定向残余上下视差的影响。,第五章 双像解析摄影测量,5-4 解析相对定向及模型坐标计算,返回目录,58,四、模型点坐标计算,59,模型点坐标,前方交会坐标点计算,60,解析绝对定向：利用物方控制点，以解析计算方法解求 （相对定向后建立的）自由模型的绝对定向元素的过程。 绝对定向目的：将相对定向得到的自由模型经空间相似 变换纳入测图坐标系。 一、解析绝对定向的基本公式 空间相似变换,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,61,绝对定向元素： ，X0 ， Y0 ， Z0 ， ，,绝对定向元素,62,绝对定向公式,绝对定向元素： ，X0 ， Y0 ， Z0 ， ，,63,设 线性化,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,教材P55,64,二、定向计算过程 绝对定向的控制点,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,65,误差方程 至少需两个平高控制点和一个高程控制点，解求七个 绝对定向元素。,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,66,计算流程,输入已知数据,确定未知数初始值,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,67,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,68,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,69,第五章 双像解析摄影测量,5-5 模型绝对定向,返回目录,70,重心坐标,重心化坐标,目的,减少模型点坐标在计算过程中的有效位数，以保证计算的精度 使法方程的系数简化，个别项数值变为零，以提高计算速度,71,解析绝对定向误差方程,设,则,72,四、地面点坐标计算,73,三、绝对定向元素的计算,获取控制点的两套坐标 Xp , Yp , Zp , Xtp , Ytp , Ztp 给定绝对定向元素的初值 1, 0, X0, Y0, Z0 计算重心化坐标 计算误差方程式的系数和常数项 解法方程，求绝对定向元素改正数 计算绝对定向元素的新值 判断迭代是否收敛,74,第五章 双像解析摄影测量,5-6 解析相对定向+解析绝对定向作业流程,像片控制测量，获得像控点物方坐标,像点坐标量测，,解析相对定向，得（连续法）,返回目录,75,第五章 双像解析摄影测量,5-6 解析相对定向+解析绝对定向作业流程,解析绝对定向，得,计算模型点坐标,计算待定点物方坐标,返回目录,76,单模型光束法： 以单个模型为单元，将两张像片的 外方位元素及待定点物方坐标作为 未知数，在一个平差系统中整体 求解的算法。 (理论严密，解求精度高 ),第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,77,对共线方程线性化，有,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,78,误差方程形式为 写成,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,79,显然，对一个控制点或一个待定点， 可列出四个方程式。 例如，设像对内有三个控制点和二个待定点 （如图所示），则所列误差方程为:,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,80,控制点1 控制点2,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,81,控制点3 待定点4,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,82,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,待定点5,返回目录,83,法方程形式为,第五章 双像解析摄影测量,5-7 单模型光束法（双像后方交会）,返回目录,84,解析空中三角测量：以像点坐标为依据 ，采用一定 的数学模型，用少量控制点作为平差条件，解求加密点 物方坐标的理论方法或作业过程。 1.像控点的加密 解析空三的应用 2.地籍界址点测量 3.大范围变形监测 4.高精度近景测量,第六章 解析空中三角测量概述,6-1 解析空中三角测量的分类,返回目录,85,三、解析空中三角测量的分类,单模型法 航带法 区域网法,航带法 独立模型法 光线束法,86,第六章 解析空中三角测量概述,6-2 航带法单航带空三,返回目录,87,一、基本思想与流程,把许多立体像对构成的单个模型连结成一个航带模型，将航带模型视为单元模型进行解析处理，通过消除航带模型中累积的系统误差，将航带模型整体纳入到测图坐标系中，从而确定加密点的地面坐标,基本思想,航带模型,88,一、基本思想与流程,像点坐标系统误差预改正 立体像对相对定向 模型连接构建自由航带网 航带模型绝对定向 航带模型非线性改正 加密点坐标计算,基本流程,航带模型,89,第六章 解析空中三角测量概述,一、航带模型的建立 1、像点坐标量测与系统误差改正 得 像控点、加密点的像平面坐标（x,y） 2、连续法相对定向建立各单模型 得 像控点、加密点的模型坐标 （在各个像对的空辅坐标系中）。 3、各单模型利用公共点连接，建立起航带模型 得 像控点、加密点的在航带模型中的模型坐标 （在统一的航带空辅坐标系 中, 且具有统一的模型比例尺）。,6-2 航带法单航带空三,返回目录,90,第六章 解析空中三角测量概述,二、航带模型的绝对定向 得 像控点、加密点的地面摄测坐标 。 （可能只进行概略绝对定向，并含有非线性变形误差） 三、航带模型的非线性变形改正 利用三次或二次多项式作改正式：,6-2 航带法单航带空三,返回目录,91,第六章 解析空中三角测量概述,（利用一定数量控制点上的内外业坐标不符值，先解出多项式系数） 得加密点的地面摄测坐标 。,6-2 航带法单航带空三,返回目录,92,第六章 解析空中三角测量概述,光束法空三：根据共线方程，将全区域像片的外方位元素 和所有加密点的物方坐标作为未知数，以少量控制点 为条件，在一个平差系统中整体解算的理论、方法。 由共线方程线性化后得到的误差方程形式为 权 （a） 式中 A= B=,6-3 光束法空中三角测量概述,返回目录,93,一、基本思想与流程,以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入到控制点坐标系中，从而确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素,基本思想,94,一、基本思想与流程,原理图,95,第六章 解析空中三角测量概述,对控制点，一般有t=0 ; 若控制点物方坐标也参与平差，则将物方坐标当作 观测值，构成一组控制点物方坐标误差方程： 即： 权 (b),6-3 光束法空中三角测量概述,返回目录,96,第六章 解析空中三角测量概述,平差时，将两类观测值的误差方程（a),(b)整体解算。 误差方程一般形式仍可写成 法方程形式为 或写成 改化法方程式为,6-3 光束法空中三角测量概述,返回目录,97,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,一、解析测图仪的结构 解析测图仪是由精密立体坐标量测仪（带伺服系统）、 计算机、数控绘图仪、接口设备及相应软件组成的 立体测图系统。,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,98,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,二、解析测图仪的优点 （与模拟测图仪相比较） 1、精度高 光机部分简单、结构稳定。 改正系统误差、平差偶然误差 像点量测精度达13m,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,99,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,2、功能强 作业不受摄影方式及仪器活动范围限制， 可处理各类航片或卫片资料。 可完成多种测绘工作 取得多种测绘成果 3、效率高 解析定向 机助测图 4、可产生数字测绘产品，便于成果进入GIS管理应用,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,100,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,三、解析测图仪工作原理,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,101,1、定向过程中 在仪器上，经像对定向（包括解析内定向、解析相对定向、解析绝对定向）后，建立起物像对应关系。 2、测绘过程中 从手轮、脚盘读出模型的地面摄测坐标（X,Y,Z) 输入计算机算得相应的像平面坐标 由伺服系统驱动测标运动到对应像点位置 作业员观察到测标在立体模型上的位置 以上步骤由实时程序控制，以高频率自动重复执行， 作业员即可观测到连续、完整的立体模型。,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,102,四、解析测图仪的发展 1957年 Halava 提出设计思想 1976年 13届ISP大会展出七家公司的仪器，标志 解析仪转入民用（其时，内存只 12 32k） 八十年代开始逐步取代模拟测图仪，成为生产的 主流仪器。本身也由机助测图仪发展成为数据库 管理系统控制下的空间数据采集工作站。 90年代中后期，逐渐被数字摄影测量系统所取代。,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,7-1 解析测图仪的基本原理,返回目录,103,第七章 解析立体测图仪及立体测图流程,一、硬件 1、精密立体坐标量测仪 实现对像片及立体模型的观测 2、计算机 数据处理、管理 3、数控绘图仪 模拟成果输出