第3章摄影测量学

第3章摄影测量学南阳师范学院测绘工程专业主讲：王永丽内容纲要：3.1概述3.2摄影测量的一些基本原理3.3恢复（确定）影像方位元素的方法3.4数字摄影测量与影像匹配3.5摄影测量的应用3.6数字摄影测量与计算机视觉3.7数字摄影测量的发展与展望3.1概述摄影测量是一门通过摄影,对所获得的影像进行测量(特别是测绘国家基本比例尺地形图)的学科。它的基本原理来自测量的交会方法。3.1.1什么是摄影测量学摄影测量是在物体前的两个已知位置(称为摄站)摄取两张影像:左影像与右影像,然后在室内利用摄影测量仪器量测左右影像上的同名点(空间同一个点在左、右影像上的像点称为同名点):a1、a2的影像坐标(x1,y1;x2,y2),交会得到空间点A的空间坐标(X,Y,Z)。摄影测量的前方交会原理如图3-3所示,S1、S2为左、右摄站,p1、p2为摄取的左右影像,a1、a2为左、右影像上的同名点。通过像点(如a1)也能获得摄影光线S1a1的水平角α、垂直角β。因此它与经纬仪一样,利用两张影像进行前方交会,如直线S1a1与S2a2交会于一个空间点A,获得其空间坐标(X,Y,Z)。摄影测量不仅仅可以测量一个空间的点,而且能利用影像重建空间的三维物体的模型。3.1.2摄影测量的分类根据对地面获取影像位置的不同,摄影测量可以分为航空摄影测量、航天摄影测量与地面(或近景)摄影测量。摄影测量最主要的摄影对象是地球表面,用来测绘国家各种基本比例尺的地形图,为各种地理信息系统与土地信息系统提供基础数据。1.航空摄影测量航空摄影测量是将摄影机安装在飞机上,对地面摄影,这是摄影测量最常用的方法。摄影时,飞机沿预先设定的航线进行摄影,相邻影像之间必须保持一定的重叠度——称为航向重叠,一般应大于60%。互相重叠部分构成一个立体像对。完成一条航线的摄影后,飞机进入另一条航线进行摄影,相邻航线影像之间也必须有一定的重叠度——称为旁向重叠,一般应大于20%。航空摄影测量测绘的地形图比例尺一般为1∶5万、1∶1万、1∶5000、1∶2000、1∶1000、1∶500等。航空摄影测量所用的是一种专门设计的大幅面的摄影机,称为航空摄影机,影像幅面一般为230mm×230mm。到目前为止,航空摄影机多数是基于胶片的光学摄影机,但是当前已经开始应用大幅面的数码航空摄影机。随着数码技术与数字摄影测量的发展,大幅面的数码航空摄影机将逐步替代传统的光学航空摄影机。2.航天摄影测量航天摄影测量是随着航天、卫星、遥感技术的发展而发展起来的摄影测量技术,它将摄影机(一般称为传感器)安装在卫星上,对地面进行摄影。用于航空、地面摄影的摄影机一般多为框幅式的(framecamera),即每次摄影都能得到一帧影像;但是在卫星上应用的多数是由CCD组成的线阵摄影机,即每一次只能得到一行影像。相对于“线阵”CCD(linearCCDarray),上述的DMC航空数码摄影机被称为面阵CCD。目前常用的卫星影像及其相应的测图与地图更新比例尺如下表。3.地面(近景)摄影测量地面摄影测量是将摄影机安置在地面上进行测量。地面摄影测量既可以利用测量专用的摄影机(称为量测摄影机)进行,也可以利用一般的摄影机(称为非量测摄影机)进行。地面摄影测量可以用来测绘地形图,也可以用于工程测量。一切用于非地形测量的摄影测量均称为近景摄影测量。它的应用范围很宽,例如工业、建筑、考古、医学测量等。3.1.3摄影测量的发展1851～1859年法国陆军上校劳赛达特提出的交会摄影测量,被称为摄影测量学的真正起点。从空中拍摄地面的照片,最早是1858年纳达在气球上进行的。1903年莱特兄弟发明了飞机,使航空摄影测量成为可能。第一次世界大战期间第一台航空摄影机问世。由于航空摄影比地面摄影具有明显的优越性(如视场开阔、能快速获得大面积地区的像片等),航空摄影测量成为20世纪以来大面积测制地形图最有效的快速方法。随着电子计算机的问世,便出现了始于50年代末的解析空中三角测量(精确测定点位空间三维坐标的摄影测量方法)和解析测图仪与数控正射投影仪(利用数字投影方法进行量测、制图和制作正射像片)。进入80年代,随着计算机进一步发展,摄影测量的全数字化———数字摄影测量系统开始研究与发展。90年代数字摄影测量系统(主要是工作站)进入实用化阶段,90年代末数字摄影测量系统开始全面替代传统的摄影测量仪器,摄影测量生产真正步入了全数字化时代。因此,摄影测量的发展经历了模拟、解析和数字摄影测量三个阶段。3.2摄影测量学的一些基本原理摄影测量是利用每个影像的像点摄影光线(在量测时,称为投影光线)进行交会,获得对应点的物方空间坐标。三维空间点A(X,Y,Z)、摄影中心S(XS,YS,ZS)与对应像点a(x,y),三点一定位于一条直线上。从数学的意义上而言“三点共线”可用共线方程描述,这是摄影测量的基本出发点。为了利用投影光线进行交会,必须恢复摄影影像上每一条投影光线(直线)在空间的位置与方向,这就必须引入摄影机的内、外方位元素。3.2.1影像与物体的基本关系1.影像与地图、影像地图影像是物体的中心投影,而地图是地面在水平面上垂直(正射)投影的缩小,两者是不同的。从这个意义上说,摄影测量可以被认为是研究并实现由中心投影(影像)转换为正射投影(地图)的科学与技术。3.2.2影像与地图的关系2.纠正仪、正射纠正仪图3-21为纠正仪(属模拟摄影测量仪器),用于将平坦地区的影像纠正为影像图。图3-22为正射投影仪(属解析摄影测量仪器),用于将不平坦地区(丘陵地区、山区)的影像进正射纠正为影像图,又称为正射影像图(DOM)。3.2.3摄影机的内方位元素从几何上理解,摄影机是一个四棱锥体,其顶点就是摄影机物镜的中心S,其底面就是摄影机的成像平面(影像),如图3-13所示。摄影中心到成像面的距离称摄影机的焦距f,摄影中心到成像面的垂足o称为像主点,So称为摄影机的主光轴。主点离影像中心点的位置x0、y0确定了像主点在影像上的位置。f、x0、y0一起称为摄影机的内方位元素。内方位元素可以通过摄影机检校(在计算机视觉中称为标定)获得。测量专用的摄影机在出厂前由工厂对摄影机进行过检校,其内方位元素是已知的,则称为量测摄影机,否则称为非量测摄影机。作为量测的光学摄影机还有一个很重要的标准,即在被摄的影像上有标记(称为框标),一般有4(或8)个。如图3-14所示,对角框标中心的连线的交点,就表示影像的中心。因此在摄影测量过程中,对准框标是很重要的步骤,它被称为内定向。对于数码摄影机,其成像平面上是CCD元件的规则排列。一个CCD元件就是一个成像的单元,称为像元(pixel),如图3-15所示。卫星影像的“地面分辨率”就是一个像元所对应地面(地面元)的大小,因此地面元越小,影像的分辨率越高3.2.4摄影机的外方位元素欲确定投影光线Sa在物方空间的位置,就必须确定(恢复)摄取影像时摄影机的“位置”与“姿态”,即摄影时摄影机在物方空间坐标系中的位置XS、YS、ZS和摄影机的姿态角φ、ω、κ,这6个参数就是摄影机的外方位元素,如图3-17所示。在恢复摄影机的内外方位元素后,投影光线Sa通过空间点A,即三点共线。3.2.5共线方程在模拟摄影测量时代，用精密的金属导杆代替投影光线,实现三点共线。但是进入解析、数字摄影测量时代,摄影测量仪器上就没有金属导杆,它用数学公式来描述三点共线,其共线方程为:用来描述三点共线的数学公式———共线方程为:这是摄影测量最基本的方程式,它贯穿于整个摄影测量,被应用于摄影测量的各个方面,如空间后方交会、空中三角测量、数字测图、数字(正射)纠正等。3.2.6立体观测方法立体观测方法是摄影测量的一个重要手段。利用立体像对与一对浮动测标，进行“立体观测”，测定同名点，是摄影测量的重要方法。1.天然立体视觉、视差、人造立体视觉当人们用双眼观测自然界时(见图3-23),眼睛本身就相当于一个摄影机,自然界的景物(如点A、B)就在左、右眼睛的视网膜上分别产生两个影像,在左眼的影像为a1、b1,右眼的影像为a2、b2。由于景物的深度(与眼镜的距离)不同，从而使得a1b1≠a2b2,它们的差称为左右视差较:Δp=a1b1-a2b2假如人们在人的眼睛处(o1,o2)用摄影机对同一景物拍摄两张影像p1、p2,然后将照片放置在双眼前,用观察左、右影像代替直接观测景物,但是获得的视觉效果与天然立体视觉完全一样(如图3-24)。这就是立体摄影测量的基础,也是当今的计算机立体视觉与“虚拟现实”的重要基础之一。2.人造立体观测的条件与立体观测方法利用两张具有重叠度的影像进行人造立体观测的条件是:(1)分像,即左眼只能看左影像,右眼只能看右影像,而不能同时看到;(2)左右影像必须平行眼睛基线,即不能上下岔开,按摄影测量的术语则称:没有上下视差(y-parallax)。满足上述条件进行立体观测,最常用的方法有:1)通过光学系统(如立体反光镜)2)互补色法(anaglyph)3)同步闪闭法(synchronizedeyewear)4)偏振光法(polarizinggrasses)5）裸眼立体技术3.3恢复(确定)外方位元素的方法获得摄影机的外方位元素有很多种方法,其中主要有空间后方交会、空中三角测量与区域网平差、相对定向与绝对定向以及在摄影过程中直接获取。一般确定两张影像的相对位置有两种方法：1.将摄影基线固定水平，对位独立像对相对定向。2.将左影像置平（或它的位置固定不变），称为连续像对相对定向。相对定位元素有5个,例如连续像对相对定位元素为:2个基线分量bX、bY和右影像的3个姿态角φ2、ω2、κ2,因此最少需要量测5个点上的上下视差。2.立体模型的绝对定向相对定向完成了几何模型的建立,但是它所建立的模型大小不一定、坐标原点是任意的,模型的坐标系与地面坐标系也不一致。绝对定向是对相对定向所建立的模型进行平移、旋转和缩放。绝对定向元素共有7个:XG、YG、ZG、Φ、Ω、K、λ,其中XG、YG、ZG为模型坐标系的平移参数;Φ、Ω、K为模型坐标系的旋转参数;λ为模型的比例尺缩放系数。通过相对定向建立立体模型,再通过立体模型的绝对定向,可恢复立体模型的绝对方位,使模型与地面坐标系一致,当然也就恢复了两张影像的外方位元素(2×6=5+7=12个外方位元素),因此通过相对定向+绝对定向与两张影像各自进行后方交会恢复两张影像的外方位元素,两者是一致的。3.3.3航带、区域模型的建立与区域网平差对测绘工作而言,摄影测量可分为外业工作与内业工作两大部分。空中三角测量是摄影测量的一个重要环节,通过空中三角测量可以节省大量的外业控制工作。1.模型连接、建立航带模型和空中三角测量模型连接就是利用三度重叠区内的公共点实现的。2.区域自由网的建立与区域网平差由于航带之间也有20%的重叠度，航带与航带之间也有公共区，利用相邻航带之间公共区的同名点，就能将单航带模型连接起来，构建成区域模型。没有控制点时构建成的区域模型称为自由网。3.3.4GPS空中三角测量与POS系统的应用GPS辅助空中三角测量原理：在航空摄影时需要在地面上设置一个GPS基准站，在飞机上也安置一台GPS，这样就能确定每个影像在摄影瞬间摄影中心的空间坐标，即每张影像外方位元素的三个直线分量（XS,YS,ZS）所谓POS系统，除GPS外，它还应用IMU（惯性系统）。POS系统可以在航空摄影过程中直接测定6个外方位元素XS、YS、ZS、φ、ω、κ，从而可以极大的减少外业工作，提高摄影测量的效率。数字摄影测量的另一个特点是用数字影像代替光学影像,从而使得利用计算机替代所有的光学、机械摄影测量仪器成为可能,使数字摄影测量成为现实。数字影像是以按行、列排列的“像素”（pixel）为基本单位，每个像素的行号（I）与列号（J）就是它的坐标x、y。由于数字影像的像素大小的数量级多为微米（一般小于20微米），所以肉眼看不出像素，但是放大以后就能看到像素（马赛克现象）。每个黑白影像的像素用其“灰度”（gray）表示，一般为8为二进制（1字节），对于彩色图像，每个像素