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1、,摄影测量与遥感,第1章 摄影测量与遥感概述,摄影测量概述 遥感及其发展 摄影测量与遥感结合,摄影测量概述,摄影测量的任务 摄影测量的基本任务是基于像片的量测和解译，它是利用光学或数码摄影机摄影得到的影像，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相互关系的一门科学和技术。 在影像上进行量测和解译，无需接触被测目标物体本身。 严格建立像片获取瞬间所存在的像点与对应物点之间的几何关系,摄影测量的分类 按照研究对象不同，分为地形摄影测量和非地形摄影测量两大类； 按摄影站的位置或传感器平台，分为航天(卫星)摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量等。,摄影测量的发展,遥感及其发展,遥感泛指通过非接触传
2、感器遥测物体的几何与物理特性的技术。摄影测量是遥感的前身。遥感技术主要由遥感图像获取技术和遥感信息处理技术两大部分组成。 按电磁波波段的工作区域，分为可见光遥感、红外遥感、微波遥感和多波段遥感等。按传感器的运载工具分为航天遥感、航空遥感和地面遥感；按传感器工作方式分为主动方式和被动方式两种。,摄影测量与遥感的结合,国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)与1988年在日本京都召开的第十六届大会上给出定义:“摄影测量与遥感乃是对非接触传感器系统获得的影像及其数字表达进行记录、量测和解译，从而获得自然物体和环境的可靠信息的一门工艺、科学和技术”。,第2章 摄影测量基础,单张航摄像片解析 像点坐标的量测
3、 立体测图的原理与方法 摄影测量解析计算基础 数字摄影测量基础,单张航片像片解析,航摄像片与地图的区别 航摄像片是地面景物的中心投影构像，地图是地面景物的正射投影。 只有当地面严格水平且像片也严格水平时，上述两种投影结果才等效。,像片倾斜引起的像点位移 一般情况下，航空摄影所获取的像片是倾斜的，即使地面严格水平，航摄像片上的目标物体也会因为像片倾斜而产生变形或像点位移。 可用像片纠正的方法予以改正。,地面起伏引起的投影差 航空摄影的对象主要是地球表面，地球表面有起伏，包括自然地地形起伏和有人工建筑物。植被等引起的起伏。由于地球表面起伏所引起的像点位移称为像片上的投影差。,1像片的内方位元素：摄
4、影物镜后节点与像片 之间相互位置的参数,恢复内方位元素可恢复摄影时的摄影光束,航摄像片的内外方位元素,2像片外方位元素：已建立的摄影光束，确定像片摄 影瞬间在地面直角坐标系中空间 位置和姿态的参数,三个直线元素，描述摄影中心在地面空间直角坐标系中的坐标值(Xs、Ys、Zs)。三个角元素(、)，表示摄影光束空间姿态(像片在摄影瞬间空间姿态的要素）,中心投影共线方程 共线方程是指中心投影的构想方程，即在摄影成像过程中，摄影中心S、像点a及其对应的地面点A三点位于一条直线上。,(XA,YA,ZA),(x,y,-f),摄影中心S、象点a、物点A三点共线,共线条件,共线方程式可以写为：,以像主点为原点的
5、像点坐标x、y 相应地面点坐标 X、Y、Z 像片主距 f 外方位元素XS、YS、ZS、。,像点坐标量测,像平面坐标系 以像片上对边框框标的连线作为x、y轴，其交点P作为坐标原点，与航线方向相近的连线为x轴，在像点坐标量测中，像点坐标值常用此坐标系表示。,像点坐标的量测 量测像点的像片坐标(x,y) 传统的量测方法包括单像坐标量测仪和立体坐标量测仪。 可通过立体影像匹配进行自动量测。,像点坐标的系统误差改正 主要由摄影材料变形、摄影物镜畸变、大气折光以及地球曲率等因素引起，是系统误差。,立体测图的原理与方法,立体测图原理 人造立体视觉:利用相邻像片所组成的像对进行双眼观察时，可重建空间景物的立体
6、视觉，所产生的立体视觉称为人造立体视觉。,观察人造立体的条件,1 两个不同摄站点摄取同一景物的一个立体像对 2 分像条件 3 两眼各自观察同一景物的左右影像点的连线应 与眼基线近似平行 4 像片间的距离应与双眼的交会角相适应,像点的立体观测方法 立体镜观测法 叠映影像的立体观测法 双目镜观测光路的立体观测法,像对的立体测图方法 模拟法立体测图 解析法立体测图 数字化立体测图 目前，在生产单位前两种方法不再采用，已基本实现了全数字化立体测图 地物与地貌的测绘,摄影测量解析计算基础,基于立体相对的解析摄影测量是利用解析计算的方法处理影像信息，从而获得地面的基础空间信息。,像点的立体观测方法 立体镜
7、观测法 叠映影像的立体观测法 双目镜观测光路的立体观测法,单像空间后方交会:利用一定数量的地面控制点，根据共线条件方程式，解求像片外方位元素的过程,当已知（至少）三个空间已知点 A、B 、 C，与它们在影像上的三个对应点 a、b 、 c，就能求得影像的 6 个外方位元素。,其理论基础为：共线方程，一个点有两个方程，已知三个点可列6个方程，因此可以解得6个外方位元素。,立体相对的空间前方交会 前方交会的定义：由立体像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标确定相应地面点的地面坐标的方法。 设在空中S1和S2相邻两个摄站点对地面进行摄影，获得一个立体像对，任一地面点A在该像对的左右像片上的构像分别为
8、a1和a2，在左右两张像片的内、外方位元素均已知的情况下，使用立体像对上两同名像点的左右像片坐标a1(x1,y1)和a2 (x2,y2)，即可根据共线方程式计算出A点的物方空间坐标(X,Y,Z).,相对定向与绝对定向 用立体像对确定地面点坐标的另一途径： 先恢复两张像片的相对位置和姿态（相对定向）建立起立体模型 ，再恢复立体模型的绝对方位（绝对定向）,解析法相对定向：通过计算相对定向元素建立地面立体模型,目的：恢复两张像片的相对位置和姿态，使同名光线对对相交,相对定向元素：确定立体像对中两张像片相对位置和姿态关系的参数,连续像对相对定向元素：,单独像对相对定向元素：,数学模型描述：同名射线对对
9、相交 数学描述：三射线共面,S1,S2,b,A,a1,a2,共面条件方程式,三矢量共面，混合积为零,解析法相对定向原理 解求相对定向元素，建立立体模型 特征：恢复两张像片的相对位置，同名射线对对相交,绝对定向：相对定向后得到模型点在像空间辅助坐标系中的坐标（U,V,W ) 地面摄影测量坐标(X,Y,Z) (两空间坐标系的变换，也称相似变换）,基本关系式：,地面点在地面摄影测量坐标系中坐标,模型点在像空间辅助坐标系中的坐标,坐标原点的平移量,计算的方向余弦,模型比例尺缩放系数,七个绝对定向元素,解析法绝对定向：利用已知的地面控制点，解求绝对定向元素,数字摄影测量基础,影像数字化与影像重采样 影像
10、数字化包括量化和采样,采样：每隔一个间隔获取一个点的灰度值 。 对实际连续函数模型离散化的量测过程 量化：将各点的灰度值转换为整数 ，将透明底片有可能出现的最大灰度变化范围进行等分，分为若干灰度等级，一般都取为 ， 时得到256个灰度级，其级数是介于0到255之间的一个整数，0为黑，255为白，每个像元素的灰度值占8bit，即一个字节,影像的内定向：,内定向参数，利用四个框标点平差解算,问题的提出：经典的摄影测量已经建立了一整套像点坐标与对应的物点坐标间的关系，只要确定扫描坐标系与像平面坐标系之间的关系（内定向）就能利用原有理论,两种坐标之间存在仿射变换,内定向的目的：确定扫描坐标系和像片坐标
11、系之间的关系,数字化的扫描方向,数字化的步进方向,x,y,o,O,基于灰度的影像匹配 （Area Based Image Matching）,全数字化摄影测量的核心问题：如何在两幅（或多幅）影像之间自动识别同名像点（影像相关）,匹配点确定的基础：匹配测度。基于不同的理论可以定义各种不同的匹配测度，因而形成了各种影像匹配方法,数字影像相关：利用计算机对数字影像进行数值计算的方式完成影像的相关（匹配）,一、相关系数法: 目标区：以左片目标点为中心选取 个像素的灰度阵列 搜索区：估计出右片上同名点可能出现的范围，建立一个 个像素的灰度阵列,n,n,m,目标区,搜索区,l,计算相关系数值：,依次在搜索
12、区内取出 个 像素的灰度阵列，计算其与目标区的相似性测度相关系数，可求出(l-n+1)*(m-n+1)个相关系数,结果：目标区相对于搜索区不断移动一个整像素，当相关系数最大时，对应窗口的中心点即是目标点的同名像点,特点： 搜索的结果均以整像素为单位 相关系数是标准化协方差函数，目标影像的灰度与搜索影像的灰度之间存在线性畸变时，仍能较好地评价它们之间的相似性程度 目标区和搜索区都是一个二维的影像窗口，二维相关,二、协方差法,n,n,m,目标区,搜索区,可求出(l-n+1)*(m-n+1)个协方差值，当协方差值为最大时，对应的相关窗口的中点就是待定点的同名像点。,l,差平方和测度,n,n,m,目标
13、区,搜索区,可求出(l-n+1)*(m-n+1)个S2值，当S2为最小时，对应的相关窗口的中点就是待定点的同名像点,灰度差的平方和最小,l,差绝对值和测度,n,n,m,目标区,搜索区,可求出(l-n+1)*(m-n+1)个S值，当S为最小时，对应的相关窗口的中点就是待定点的同名像点,灰度差的绝对值最小,l,三、高精度最小二乘影像匹配,问题的引出：匹配怎样达到子像素精度？,在相关运算中引入变形参数，补偿两相关窗口之间的 辐射畸变 几何畸变 引入的变换参数作为待定值，一同纳入到最小二乘解算中，使匹配可达到1/10甚至1/100像素的高精度（子像素精度）,由德国Stuttgart大学Ackerman
14、n教授与Pertl提出,影像灰度的系统变形 辐射畸变（产生的原因） 照明及被摄物体辐射面的方向 摄影处理条件的差异 影像数字化过程中产生的误差等 几何畸变 ：产生了影像灰度分布之间的差异（相对移位、图形变化 ） 摄影方位不同所产生的影像畸变 由于地形坡度所产生的影像畸变等,最小二乘影像匹配的精度,相关系数法：相关系数越大，匹配质量越好。但是无法获得其精度指标 最小二乘匹配算法：根据法方程式系数矩阵的逆矩阵，同时求得其精度指标,核线的性质：同名像点必然位于同名核线上 沿核线（一维）进行相关计算,效果：沿同名核线进行相关计算会加快搜索速度和增加影像匹配的可靠性,过程： 左核线上建立目标区，目标的长
15、度为n个像素 在右片上沿同名核线建立搜索区，其长度为m个像素 计算相关系数 :共计算 个相关系数,注意事项：相似性测度一般是统计量，应有较多的样本进行估计（窗口中的像素数不应太少），目标区长，灰度信号重心与几何重心不重合，产生相关误差，目标区、搜索区都取二维窗口，搜索过程只在核线上进行,基于核线的一维影像匹配,基于特征的影像匹配 基本思想：首先用某种特征提取算子提取左右影像中的特征(点、线、面)；然后对多提取的特征进行参数描述；最后一特征的参数值为依据进行同名特征的搜索，继而获得同名像点,第3章 遥感基础,遥感基础知识 遥感图像特征 常用卫星遥感简介 遥感图像解译,基于特征的影像匹配 基本思想：首先用某种特征提取算子提取左右影像中的特征(点、线、面)；然后对多提取的特征进行参数描述；最后一特征的参数值为依据进行同名特征的搜索，继而获得同名像点,遥感基础知识,电磁波谱与电磁辐射传输 电磁波谱 紫外、可见光、红外 大气窗口太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透
