测量学概论-摄影测量学

摄影测量及其发展走进测绘殿堂1.概述－－什么是摄影测量2.摄影测量的基本原理与内容3.摄影测量发展与应用4.小结1概述－－什么是摄影测量随着网络、信息时代的到来，地理空间信息正在被人们所熟悉，地球上所有的一切，离不开它的空间位置，摄影测量测量，则是“通过影像获取地理空间信息的”学科。通俗而言：“摄影测量通过摄影，进行测量。”O1A（X、Y、Z）2YZ1212X在地面上两个已知位置点上，安置经纬仪，对未知点A测定水平角、垂直角，就能测得未知点的坐标A（X、Y、Z）。由测绘的前方交会，看摄影测量(1)什么是摄影测量a1b1a2b2BS1a2a1S2Ab2b1摄影测量在地面上两个已知位置上，对未知的物体拍摄两张照片，然后在影像上，量测同名点：a1(x1、y1)、a2(x2、y2)进行前方交会，求解未知点的坐标A（X、Y、Z）。由计算机视觉，看摄影测量计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，《马颂德、张正友：计算机视觉－－理论与算法，1998》左手前－右手后左手右－右手左左眼左手左－右手右右眼摄影测量与计算机立体视觉的基础两眼中影像的差异abba数据获取a1b1a2b2数据处理构建三维实体模型23摄影测量的基本流程摄影测量是一门由“二维影像”“三维空间”的学科摄影测量是通过影像对物体进行测量Photogrammetryisdefinedas“thescienceorartofobtainingreliablemeasurementsbymeansofphotographs.”(ManualofPhotogrammetry1966)(2)摄影测量的分类及应用根据影像获取的位置，摄影测量基本可分为：①航天摄影测量(卫星)卫星地面③地面摄影测量(近景)②航空摄影测量(飞机)航空低空摄影测量的基本任务是测绘各种比例尺的地形图航空摄影测量，可测绘各种比例尺地形图，如1:5万、1:1万、1:5千、1:2千、1:1千、1:500；航天摄影测量主要测绘1:5万、1:1万地形图；地面摄影测量主要测绘大比例尺地形图；近景摄影测量可用于各种工程、工业、医学、建筑、考古等领域。从680km高空观测地面（IKONOS影像）台北中山纪念堂上海东方明珠塔（快鸟影像－－450km）我国ZY3卫星－－德国慕尼黑机场(高度为506km)航空摄影利用相互重叠的影像覆盖整个摄影区域:1.沿飞行方向，互相重叠(60%以上)的影像，相邻影像构成“立体像对”、构成“航带”；2.互相重叠(20%以上)的“航带”构成“区域”重叠部分（立体像对）大坝施工测量工业零件测量建筑摄影测量地面（近景）摄影测量(3)摄影测量的发展－－经历了三个发展阶段数字摄影测量模拟摄影测量解析摄影测量模拟摄影测量时代——摄影测量完全依赖于精密的光学－机械仪器解析摄影测量时代——摄影测量依赖于《精密的光学－机械仪器＋计算机》《计算机》进入摄影测量数字摄影测量时代——计算机完全替代原来的光机仪器2.摄影测量基本原理与内容(1)摄影测量过程与原理摄影－－由三维二维的过程摄影测量－－由二维三维的过程摄影测量是摄影的－－逆过程、反转过程摄影与测量投影摄影数据获取数据处理(2)摄影测量的基本内容BS1a2a1S2Ab2b1欲实现通过影像的量测实现对物体的直接测量，条件有两个基本任务：1.在像片上量测的点必须是同名点，如：a1－a2，b1－b2，…….；2.恢复摄影光线S1a1A－S2a2A在摄影时的空间方位。O1A（X、Y、Z）2YZ1212XThefundamentaltaskofphotogrammetryistorigorouslyestablishthegeometricrelationshipbetweentheimageandtheobjectasitexistedatthetimeoftheimagingevent.Oncethisrelationshipiscorrectlyrecovered,onecanthenderiveinformationaboutthestrictlyfromitsimagery.(摄影的根本任务是严格地建立的形象和对象之间的几何关系，正如成像事件实际存在的关系。这种关系一旦被正确恢复，就可以得出其图像信息严格)(E.M.Mikhailetc.ModernPhotogrammetry2001)《从二维影像到三维模型》徐刚日本近代科学社2000郑顺义翻译摄影测量基本内容建立“影像与被摄物体间的几何关系”解决对应性(correspondence)问题S2a2A(3)摄影测量基本方程式－－三点共线方程)()()()()()()()()()()()(SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx33322203331110它完整地描述：像点坐标x、y与物点坐标X、Y、Z的关系BS1a2a1S2Ab2b1S1a1A(4)摄影测量基本参数)()()()()()()()()()()()(SSSSSSSSSSSSZZcYYbXXaZZcYYbXXafyyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxx33322203331110在共线方程中：共有两组，9个参数ffx0x0摄影机的3个内方位元素：x0、y0、f影像的6个外方位元素：XS、YS、ZS、与、、(a1/a2/a3/b1/b2/b3/c1c2/c3)XSXSXSXSYSYSYSYSZSZSZSZSa1a3a3a2b3b3c3c3b1b2c2c1如何确定这9个方位元素，是摄影测量的重要内容模板匹配－－模式识别－－最基本的方法468390468940123456789例如：印刷数字识别我们首先建立09十个数字的模板：①模板匹配(5)计算机怎样确定同名特征与应用012345678946839046894将模板：与待识别的数字，逐个套合：4比较“灰度差的绝对值”＝最小，获得－解－4|g1(x，y)－g2(x，y)|＝mina2a1目标区---模板搜索区(目标区)②影像匹配分别在左、右影像上建立一个目标区－－搜索区x=1;y=0x=0;y=0x=0;y=0x=1;y=0x=2;y=0x=3;y=0x=4;y=0x=5;y=0x=6;y=0x=7;y=0x=8;y=0x=9;y=0x=10;y=0x=11;y=0x=0;y=1－x=1;y=1x=2;y=1然后将目标区，沿x、y方向顺序与搜索区叠合。)Δ,Δ(),(minΔ,Δyyxxgyxgyx21x=6;y=3当x=6;y=3灰度差绝对值之和为最小－－同名点这就是利用计算机识别同名点的原理图像拼接•Weneedtomatch(align)images③影像匹配的应用MatchingwithFeatures•DetectfeaturepointsinbothimagesMatchingwithFeatures特征匹配•Detectfeaturepointsinbothimages（检测两个图像的特征点）•Findcorrespondingpairs（寻找同名点）MatchingwithFeatures•Detectfeaturepointsinbothimages•Findcorrespondingpairs•Usethesepairstoalignimages测定影像间《同名点》，确定它们相对位置－－相对定向匹配密集点云、生成等高线等高线表示地形3.摄影测量发展与应用各类传感器的发展理论与算法的发胀计算机与网络的发展为摄影测量的未来提供了“无限的遐想空间”（1）高分辨率遥感影像（2）数码航空相机（3）POS系统（4）LiDAR（5）干涉雷达摄影测量发展与各类传感器的发展密切有关(1)高分辨率遥感卫星美国商业化的高分遥感卫星DallasWorldview-2高度：770km，焦距:13.3m国产光学卫星影像我国光学卫星2010.08.24.15:10：天绘一号2011.12.22.11:26:02C2012.01.09.11:17:ZY32012.05.06.15:10：天绘一号02星ZY3:正视：2.08米，前后视：3.46米；02C；两台HR相机，2.36米;天绘：两台HR相机：2.0米资源三号－下视影像（GSD=2.1m）辽宁－大连港大连港－空间点云(2)POS——直接确定外方位元素POS＝GPS＋IMU（Inertialsystem），用于直接测定“外方位元素”，有车载、机载，用于直接确定影像的外方位元素。它也是激光扫面的基础。IMUGPSLaserscannerGPS经纬仪两个测站——点测量全站仪一个测站——点测量扫描仪一个测站面测量航空激光扫描系统(3)激光扫描与LiDAR系统－－直接确定“点云”航空激光扫描：LiDAR系统－－直接产生“点云”加拿大.多伦多影像LIDAR点云断面树上点地面点多次回波－－这是激光特有的优势！多次回波树林屋顶地面地面LiDAR系统向海面发射波长为1064nm的红外激光和倍频后波长为532的蓝绿激光，由于蓝绿激光较易直接穿透海水而红外激光不易穿透海水。LiDAR浅海测绘原理LiDAR穿透海水(4)数码相机进入数码相机，摄影测量发生了深刻的变化无需冲洗无需扫描为摄影测量应急响应提供了基础无压平误差无颗粒噪声为摄影测量高精度提供了基础无需冲洗、无需扫描；无压平误差；无颗粒噪声。数码相机为多视觉摄影提供了实际的可能Twinviewmatchisanill-posedproblem,thereisnoredundancyineachobservation。（双视图匹配是一个病态的问题，在每个观察有没有多余观测值。）Multiviewmatch随着数字相机的应用，大重叠度航空摄影已成为密集点云匹配的发展方向多视匹配--增加匹配的可靠性左左中中右中右例如航向80％重叠，同一地物同时出现在5张影像上重叠度p与影像数n(同一地物出现的影像数)pn0101..大重叠度左右5张影像旁向重叠为70％上下3条不同航带总数达3×5张影像15(5)摄影测量与智慧城市摄影测量为智慧城市提供基础地理空间信息数字《迪拜》6.摄影测量与嫦娥工程嫦娥一号首绘完整三维月球图像为获得三维月球图像在“嫦娥一号”上安装一台三线阵相机三线阵相机三线阵相机的影像第一幅月面图像局部区域的假彩色地形图三个视角影像处理形成的数字高程模型图正规影像与数字高程模型处理形成的正射影像图正射影像与数字高程模型处理形成的数字高程色彩编码地形图航空三线阵相机——工作原理三条线——三个眼睛的“视网膜”从不同的视点观察物体(7)计算机的发展当年，1978王之卓先生提出《全数字化自动测图系统》当时，我们使用的TQ16－－晶体管计算机计算机的发展为摄影测量开辟了难以预料的空间20世纪80年代NOVA3/1264K内存10余万美金20世纪90年代SGI工作站64M内存4万美金21世纪初PC机4G内存1万人民币•计算机网络、集群处理，特别是GPU的发展与应用必将开创当代摄影测量新的旅程计算机的发展为摄影测量实时开辟了大门航空三线阵相机ADS80计算机的发展为摄影测量实时开辟了大门卫星（ZY3）三线阵相机影像匹配与3D－－－－摄影(原始影像)影像匹配－－－另一实例基本流程----影像增强影像匹配与3D－－－－影像增强影像匹配与3D－－－－产生《金字塔影像》线特征－－构架线特征－－构架影像匹配与3D－－－－特征提取点－特征－－细部点特征－－细部影像匹配与3D－－－－特征提取立体匹配－－点云(withr、g、b)三维－－点特征－－云影像匹配与3D－－－－点云基本流程----渲染－－renderingD:\E\软件\大____足____石____窟__\软件\20120417－PCd-fo