第十章航空摄影测量及遥感成图简介

第十章航空摄影测量及遥感成图简介第一节航空摄影测量及遥感概述一、航空摄影测量的概念传统的摄影测量学是以摄影机所拍摄物体的像片为依据，确定所摄物的形状、大小、性质、和空间位置的方法，是测绘学科的一个很重要的分支。由于摄影像片能够真实而详尽地记录摄影瞬间客观物体的形态，具体良好的量测精度和判读性能，所以其在地形测量、建筑工程及其他学科中已得到广泛应用。摄影测量学可从不同角度进行分类，依据获得像片的不同方法和摄影距离的远近可分为：航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量与显微摄影测量。按用途不同，可分为地形摄影测量和非地形摄影测量。近景摄影测量主要用于测绘国家基本地形图，以及农、林等不猛的规划与资源调查用途和相应的数据库；非地形摄影测量的研究对象时一些科技中的专题科目，如建筑、生物、考古、医学、等。按处理技术的不同，可分为模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量。模拟摄影测量是利用光学和机械仪器模拟摄影过程，建立缩小了的几何模型，通过量测该模型，获得所需的图件。解析摄影测量是指利用计算机。根据物点与像点的几何关系式，通过解析计算的方法，确定物点坐标，并储存于计算机中，再通过数控绘图桌绘出图形来。数字摄影测量是利用计算机技术对数字影像进行处理，获得各种形式的数字化产品。模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量是摄影测量学发展的三个阶段，数字摄影测量是摄影测量学的发展方向。航空摄影测量是指从航摄飞机上对地面进行摄影，根据所获得的航摄像片，测绘摄区地形图的工作。航空摄影测量具有摄影测量所包含的所有优点，主要是：在像片上进行量测和判读，无需接触物体本身，很少受自然和地理条件的限制。影像客观真实地反映着目标，信息丰富逼真，可以直接从中回去大量的几何和物理信息，使测量工作者可以将大量的野外工作转到室内来进行，同事由于在量测的过程中广发地采用了机械化和自动化方法，所以能缩短工期，提高成图效率。目前航空摄影测量已是测绘地形图最主要、最有效的方法，同时还被广泛的应用于军事、地质、水文、森林、道路、水利水电、城建规划、等各部门的勘测工作。二遥感的概念遥感是指从远距离、高空以致外层空间的平台上，不直接与物体接触，利用光学、电子光学等传感器来感知物体获取物体的信息并对所获信息进行加工处理，从而实现对物体进行定位、定性获定量的描述。遥感时主要是利用从物体反射和辐射的电磁波来获取物体的信息，通常将接受从物体反射和辐射来的电磁波信息的设备称为传感器，如航空摄影中的摄像机等。而将装载传感器的载体称为遥感平台，如航摄飞机、人造卫星等。根据所利用的电磁波波段，遥感分为可见光遥感、红外遥感和微波遥感三种类型。根据传感器接受的电磁波的来源和方式的不同，遥感又可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感三种类型。可以说，遥感是在摄影测量的基础上，结合地球科学、生物科学等的需求，发展形成的一门新兴技术科学。从摄影测量和遥感的名词的解释来看，可以认为摄影测量是遥感技术的应用范畴。不过，现今的遥感技术有着更广泛的应用领域，它的发展，开拓了人类的观察视野和观测领域，改变了传统的先野外测量、调查、后室内分析、处理和研究的工作方法，构成了对地球资源和环境进行探测和监测的观测体系，使对地监测的研究和应用进行新的阶段。例如、利用遥感技术可以进行城市绿地制备的变化监测、农作物估产，可以制作全国范围的影像地图，可以掌握全球范围的沙漠等自然环境变化的情况，等等。第二节航空摄影测量成图简介航空摄影测量成图包括航空摄影、航测外业和航测内业等工作程序。考虑到测绘专业学生今后还要学习《摄影测量学》这门课程，所以，本节只对航摄像片和航摄成图工作程序作简要介绍。一、航摄像片的基本知识（一）航摄像片是地面的中心投影投影式在某各面获得空间目标物的构象。目标物借助由一个固定点投射出的一组投影光线，通过目标物个点后投影平面相交，形成目标物构象的投影方法，称为中心投影方法，称为正射投影。如图10-1（A）所示，空间一点A（物点）与一个固定点S（投影中心）连成的直线被一平面（像面）所截，则此直线与该平面的焦点a（像点）就交A点的中心投影。图10-1（b）所示为正射投影。航空像片是地面目标物的中心投影，地形图是地面目标物的正射投影。因此，将航空像片上的影像绘制成地形图上的图形，实际上就是把目标物中心投影的构象转换为正射投影的构象。（一）地形起伏与像片倾斜所引起的像点位移航摄像片上的像点产生位移，主要是由于地形起伏和像片等原因引起的。1投影误差因地形起伏出现高差，在航空像片上引起的像点位移称作投影误差。当像片水平而地面有起伏时，像点会产生位移。例如，当对地面的烟囱摄影时，不管烟囱有多高，它在地形图上的垂直投影都是一个点，而在像片上烟囱的影像，一般情况下却是一条线，如图10-2（a）所示。如果用烟囱顶部的影像代表烟囱的位置，则其点位产生了位移ab。同样，由于地面起伏不平，它们在像片上的像点业必然产生位移，这种位移称为投影误差。当地面点高于或低于基准面（通常以测区地面的平均高程为航高起算面，即为基准面）时，地面店在像片上的影像虽是一个点，但是其在基准面上垂直投影的点的影像相比，却产生了一段直线位移，这种像点位移就是投影误差。如图10-2（b）所示，Ao，其像点为ao，线段aao即为A点的投影误差。同理，低于基准面的B点，其投影误差为BBo。投影误差无法完全消除，只能加以限制（如选择适当的基准面及适应单投影转绘仪进行分带转换等）。2.倾斜误差假设在同一摄影站，摄取了水平像片和倾斜像片，以水平像片为标准，将倾斜像片与之比较，则会发现地面在倾斜像片上的像点位置，对水平像片上相应点的位置产生了位移，这种像点位移，称为倾斜误差。如图10-3所示，对水平像片上相应点的位置产生了位移，这种像点位移，称为倾斜误差。如图10-3所示，P为倾斜像片，Po为水平像片，SA为投影光线，地面点在像片P和Po上的像点，分别为a和ao，很明显，在倾斜像片P上可以看出像点偏移了aao，即为倾斜误差。倾斜像片可以通过纠正仪转化为水平像片，因而，用纠正仪作像片纠正，可以消除倾斜误差。（二）航摄像片的比例尺航摄像片比例尺是航摄像片的构象长度与对应的实地水平距离之比。因为航摄像片是中心投影，一般情况下航摄像片上影像的比例尺是不一致的，只有地面为水平面，像平面也呈水平状态时，像片比例尺才是一致的。在航高不变的情况下，摄影比例尺等于摄影机焦距f与航高H（摄影机镜头中心道基准面的距离）之比，如图10-4所示，即：（10-1）由于地面的高低起伏，地面点到摄影中心的距离实际上等于航高H与地面点到基准面的高差h之差，因此航空像片的比例尺1/M实际上是：（10-2）（三）航摄像片与地形图的区别1、投影方法不同地形图是正射投影，比例尺处处一致，常以1/M表示。地形图上所有图形不仅与实际形状完全相似，而且其相关方位也保持不变。航摄像片上的影像产生变形，各处比例尺也不致，相关方位也发生了变化。因此，在利用航摄像片测制地形图时，必须消除投影误差和倾斜误差，以统一像片上各处的比例尺，使中心投影的航摄像片转化为正射投影。2、表示方法和表示内容的不同在表示方法上，地形图是按成图比例尺所规定的各种符号、注记和等高线来表示地物、地貌的，而航摄像片则表示为影像的大小、形状和色调。在表示内容上，地形图上用相应的符号和文字、数字注记表示，如居民地的名称、房屋的类型、道路的等级、河流的宽深和流向、地面的高程等。这些在航摄像片上是表示不出来的。另一方面，在地形图上必须经过综合取舍，只表示那些有意义的地物，而在航摄像片上，所有地物都有影像。因此，对航摄像片必须进行航测外业调绘工作。利用像片上的影像进行判读、调查、量测各种注记元素，并进行综合取舍，然后按统一规定的图式符号，把各类地形元素真实而准确地描绘到像片上。二、影像的立体观察和立体测量（一）立体观察的原理用双眼看物体，能自然地分辨出物体的远近、高低和大小，这是天然的立体感觉。这是由于双眼观察时，同一物体在左、右视网膜上的构象不同所形成的。如图10-5所示，空间物体A、B两点发出的光线，通过人眼的晶状体S1和S2在视网膜上构成影像，分别为a1、b1和a2、b2.由于A、B两点离眼远近，致使视网膜上a1b1和a2b2长度不等，产生生理视差。生理视差由视神经传导到大脑皮层的视觉中心，便产生了物体有远近的感觉。所以，生理视差是产生天然立体感觉的根本原因。人造立体视觉就是基于人具有的生理视差能产生立体视觉的原理出发的。假定在两眼前各安置一对承影板上。这样，当拿掉A、B两点时，只要两只眼睛和承影板保持原有的相关位置，仍会产生直接观测A、B点的视觉效果，同样能分辨目标点的远近。由于这时所看到的的不是空间物体本身，只是目标点按一定的投影方法所成的影像，故称为人造立体视觉。根据这个原理，从两个不同位置对同一物体拍摄两幅像片，按照相应空间位置恢复摄影光束，就可以建立所摄物体的立体效应。航空摄影时，沿航向的相邻航片要求有65%左右的重叠影像，利用相邻的航片，根据上述原理，就能获得所摄地面的立体影像可以，建立人造立体视觉必须具备一下条件：（1）必须有从不同位置对同一物体摄取的两幅像片，即两幅具有一定重叠影像的立体像对。（2）观察立体时每只眼睛必须同时各看一幅像片。（3）安放像片时两幅像片上同名像点的连线与眼基线保持平行，同名像点的实现要成对相交。（二）立体观察和立体量测的方法在摄影测量中，根据像片测制地形图，不仅需要用像对进行立体观察，建立立体模型，而且还需对立体模型进行立体量测。立体观察要求两眼同时各看一幅像片，根据隔离视线的方法不同，立体观察方法通常有立体镜法、互补色法、光闸法和偏振光法。立体镜是对像对进行立体观察的工具，具有分光的功能。摄影测量中所使用的精密测图仪就是根据这个原理制造的。互补色法是利用自然界中颜色相补的原理，达到隔离视线的目的，把像对分别安放在两个投影器中，通过互补色滤光片投影到承影板上，借助互补色眼镜承影板上的影像就能构成立体。在立体观察的基础上，应用测标进行量测称为立体量测。量测是整个摄影测量的基础，其精度决定着摄影测量的精度。立体量测仪的测标相当于经纬仪望远镜内的十字丝，是瞄准目标用的量测标志。根据仪器内测标数量的不同，立体量测方法分为单测标法和双测标法两种。单测标法是利用一个光点量测立体模型，再用装在量测台上的笔展绘该点，确定其平面位置，把相互关联的点连接在一起就绘制出地物的轮廓线或等高线。双测标发是利用两个单独的测标，在立体观察下行成一个空间测标，切准模型点立体量测的。