第五次课全数字摄影测量基础

华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－1概述数字摄影测量：利用数字灰度信号，采用数字相关技术量测同名像点，在此基础上通过解析计算，进行相对定向和绝对定向，建立数字立体模型，从而建立数字高程模型、绘制等高线、制作正射影像图以及为地理信息系统提供基础信息等。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－1概述数字摄影测量：基于数字影像与摄影测量基本原理，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方法，提取所摄目标用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。SoftCopyPhotogrammetryAllDigitalPhotogrammetry华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－1概述摄影测量三个发展阶段的比较：应用时间典型设备主要测绘产品20世纪初～90年代初模拟立体测图仪模拟线划图20世纪70年代初～至今解析立体测图仪模拟/数字线划图20世纪80年代末～至今数字摄影测量系统DEM,DOM,DLG,DRG华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－1概述摄影测量三个发展阶段的比较：代表性理论方法作业性质发展状况模拟摄影测量光学、机械投影交会机械辅助测图已过时（成熟）解析摄影测量数字投影交会、平差计算机辅助测图正在过时（成熟）数字摄影测量影像匹配、模式识别自动化测绘及迅速发展中，信息处理成熟部分进入生产华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－1概述影像匹配的发展过程灰度信号电信号电子相关光学相关数字相关电信号数字信号华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样FFO0一、影像灰度影像的灰度又称为光学密度。在摄影底片上，摄影的灰度值反映了它透明的程度，即透光的能力。取阻光率的对数称为影像的光学密度或灰度，即：阻光率为：投射在底片上的光通量为，经底片吸收后而通过底片的光通量为，则透光率为：0F0F0FFTODlg华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样数字式传感器对目标拍摄数字影像的获取将光学影像数字化每个最小影像单元称为像元或像素（Pixel)二、数字影像华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样矩阵表示:)1,1(...)1,1()0,1(............)1,1(...)1,1()0,1()1,0(...)1,0()0,0(NNgNgNgNgggNggg矩阵的每个元素值g(i,j)是个灰度值,代表影像经采样与量化了的“灰度级”。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样2、量化——把采样点上的灰度数值取为整数。把像片上有可能出现的最大灰度范围进行等分，四舍五入。1、采样——对影像几何空间（像平面）的离散化，取得像元点位。即对实际连续函数模型离散化的量测过程。采样间隔（通常取与像元边长相等）可取12.5,25,50,100,(μm)i2量化级别可取(i通常取6、7、8）华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样三、数字影像内定向影像内定向：将仪器坐标系中的像点坐标转换为像平面坐标系中坐标的过程。002121bayxbbaayx＋仪仪通常采用仿射变换:20~ba其中变换系数由四个框标的仪器坐标及相应像平面坐标代入上式解得。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－2数字影像及数字影像重采样四、数字影像重采样由于所求得的像点不一定恰好落在原始像片上像元素的中心，要获得该像点的灰度值，就要在原采样的基础上再一次采样，即重采样。采用影像内插的方法：双线性内插、双三次卷积法、最邻近像元法等。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关影像匹配：根据某种相似性尺度评判两张像片上子区域（影像相关)(窗口）内影像的相似性，以确定同名像点的过程。基于特征的影像匹配：先提取窗口影像中的特征,再探求特征相似性的匹配法。基于灰度的影像匹配：直接探求窗口影像的灰度分布相似性的匹配法。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关在数字摄影测量中，在没有人眼的立体观测情况下，如何从左右数字影像中寻找同名像点，即是数字影像相关（影像匹配）。影像匹配是全数字化摄影测量的核心问题。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关一、相关系数法相似性尺度为两窗口内影像（灰度分布）的相关系数。),,1,0('''nmkggggggk华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关2、计算公式依次在搜索区内取出与目标区同样大小的子窗口,并计算目标窗口与搜索子窗口的影像相关系数ρ；ρ最大的子窗口即为匹配窗口；目标窗口中心像元，与匹配窗口中心像元为同名像元。1a2a1、匹配方法nlhnmkggggggkh,,1,0;,,1,0'''华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关式中：ninjninjninjggninjggninjijgghjkiijkhhjkiijkhhjkignggngggnggnggggn11'2'1122'112'221122'11'2,,'','11111nlhnmkggggggkh,,1,0;,,1,0'''华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关二、高精度最小二乘匹配法匹配精度可达1/10～1/100像元。利用相关影像灰度差有均方根值为最小的原理提出此方法。在相关运算中引入一些变换参数作为待定值，直接纳入到最小二乘解算中，引入变换参数的目的是低偿两个匹配窗口之间的几何及辐射差异。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－3基于灰度的数字影像相关）（22,yx）（yx,ybxbbyyaxaax21022102设窗口影像之间的几何变形为：),(),(),(),(221021021011yxnybxbbyaxaaghhyxnyxg又设窗口影像之间的辐射变化有：gdbcdbcdbcdacdacdacdhcdhcV2817062514031201线性化后，得匹配的误差方程式平差解得变换参数后，也可得到的匹配点位华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定核面：通过摄影基线且与像平面相交的任一平面。核线：核面与像平面的交线。同名核线：同一核面与像对相交所得的一对核线。一、同名核线:1、基本概念华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定2、核线的性质（1）在倾斜影像上的所有核线相互不平行，但交于核点（极点）。（2）在理想影像平面上，所有核线相互平行，不仅同一影像面上的核线平行，而且影像对上的相应的核线也平行，上下视差为零，这一特性对于立体观测是十分有用的。（3）左（右）影像上的某一点，其同名点必定在其右（左）影像上的同名核线上，这一特性是实现核线相关的基本依据。（同名像点必然位于同名核线上。）华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定影像数字化过程中，像元素按矩阵形式规则排列，扫描行不是核线方向。因此，欲进行核线相关，必须先找到核线，而且核线确定的精度直接影响影像相关的精度。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定影像上的所有核线是互相不平行的，它们交于核点；如果将核线投影到一对“理想像对”上，则在理想像对上的所有核线相互平行。影像上的核线以及影像对之间的核线均相互平行。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定因此，可以在相对水平像片上建立规则的格网，它的行就是核线，核线上像元素的灰度可由它对应的实际像片上的灰度求得。fcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx333222333111设倾斜影像上的坐标系为与；理想影像上的坐标系为与，按照共线方程有：),(yx),(yx),(vu),(vu华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定式中的外方位元素可以由单独像对相对定向求得，显然在理想影像像对上，v可视为常数，同时将属于外方位元素的项合并整理，得：fcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx333222333111)(11321321aueeueyuddudx华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定（4）得到原始影像坐标后，并不一定处于某一个像素的整数位置上，需要进行重采样，将这些像点经重采样后的灰度直接赋给核线影像。3、核线影像生成过程)(11321321aueeueyuddudx（1）在内定向的基础上，按照单独像对相对定向的方法进行相对定向，求得五个相对定向元素。（2）根据相对定向的结果，将原始影像的四个角点投影到核线影像平面上，以确定核线影像的范围。（3）在确定某一行核线影像的坐标v=c之后，以等间隔Δ取一系列u值：Δ,2Δ,3Δ…按(a)式解求的一系列的像点坐标(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)…并内定向出这些点的原始影像坐标。),(),2(),(),(220110yxgcgyxgcg华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定把原始影像转为行方向与核线方向一致的影像，则匹配搜索只需沿行方向进行，由此二维匹配转化为一维匹配。二、一维匹配华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－4核线相关与同名核线的确定核线相关核线相关是一种一维相关，其目标区和搜索区分别位于左、右同名核线上，均为一维的影像窗口。为了沿同名核线搜索同名点。在左核线上建立一个目标区，该目标区中心就是目标点，目标区的长度为n个像元素（n为奇数）；另在右片上沿同名核线建立搜索区，其长度为m个像元素，计算有关相关系数，并取最大值所对应的目标区的中心点为最终的同名点。华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－5数字摄影测量系统一、系统硬件1、影像扫描数字化仪2、计算机3、立体观测装置4、输出设备绘图仪闪闭式立体眼睛及同步器手轮，脚盘（编码器）华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学第八章全数字摄影测量基础§8－5数字摄影测量系统华北水利水电学院水利职业技术学院摄影测量学运行环境及配置VirtuoZoNT基于WindowsNT（4.0以上版本）平台运行，基本配置为：PentiumⅡ300/128MBRAM/9GBHD/20×CDROM；17寸彩色显示器，1024×76