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1、第二章 摄影测量基础知识,主要内容,航摄像片上的像点位移,航空摄影,中心投影的基本知识,航摄像片上的特殊点、线、面,摄影测量常用坐标系,航摄像片的内、外方位元素,像点的空间直角坐标变换与中心投影构象方程,2.1 摄影机,暗箱,镜箱,摄影物镜,等效透镜的基本点、线、面,主光轴： 透镜组诸透镜球面曲率的中心连线。 主焦点（F,F): 平行于主光轴的光线通过透镜组后与主光轴的交点。 主平面（Q,Q): 过等效折射点（h,h)且垂直于主光轴的平面。 主点（s,s)： 主平面与主光轴的交点。 主焦距： 主焦点到主点间距离。 节点（k,k）： 主光轴上角的放大率为1的一对光学共轭点。光线通过共轭节点时，角
2、放大率为1；物方与像方同介质时，k,k分别与s,s重合）。,高斯成像公式：,牛顿成像公式：,当uf，成正立、放大、虚像。 例如：放大镜,凸透镜成像规律,其中，u是物距，v是像距，f是焦距。,当u2f时，fv2f，成倒立，缩小，实像。 例如：照相机,当u2f时，v=2f，成倒立，等大，实像,当f2f，成倒立，放大，实像。 例如：幻灯机，投影机，电影机。,当u=f时，v=无穷大，此时无像；,照相机就是根据凸透镜的成像的原理，用一个摄影物镜代替凸透镜，在像面出放置感光材料，物体的投射光线经摄影物镜后聚焦于感光材料上，感光材料受成像光线的光化学作用后生成潜像，再经过摄影处理得到光学影像。,摄影的基本原
3、理,照相机的镜头相当于凸透镜，胶卷相当于光屏，机壳相当于暗室，被拍照的物体到镜头的距离要远远大于焦距才能在胶卷上得到倒立、缩小的实像。,一、量测用框幅式光学（胶片）航摄仪,主要工作平台为飞机。框幅式指每次摄影只能取得一帧影像。,1、结构：,物镜(镜箱)、光圈、快门、暗箱、检影器、座架及其控制系统的各种设备、压平装置、像移补偿器，以减少像片的压平误差与摄影过程的像移误差。,航摄像片的大小为18cmx18cm,23cmx23cm,30cmx30cm,承片框上四个边的中点各安置一个机械框标，在四个角设定四个光学框标来建立像平面坐标。,框标：设置在摄影机焦平面（承影面）上位置固定 的光学机械标志，用于
4、在焦平面上（亦即像片上）建立 像方坐标系。,框标的形式有,直线LL称为主光轴：组成物镜的各个透镜的光学中心位于该直线上,F1：物方主焦点，F2：像方主焦点,过焦点垂直于光轴的平面称为焦平面,在镜头的主光轴上，节点s1，s2分别称为物镜的物方(或前)节点和像方(或后)节点,从节点至焦点的距离称为镜头的焦距，用 F 表示，F=s1F1=s2F2,通常把两个节点看做一点，称为物镜中心 s,长焦距(焦距255mm) 中焦距(焦距102255mm) 短焦距(焦距102mm),摄影机主光轴与像平面的交点称为像片主点o ，摄影机物镜后节点到像片主点的垂距称为摄影机主距f ，也叫像片主距，它与物镜焦距基本一致
5、。,摄影机结构设计时要求像片主点o应与框标坐标系原点p重合。由于制造技术上的误差，常常是达不到完全重合的要求，但是必须精确地测定像片主点o在框标坐标系中的坐标值x0,y0,把f,x0,y0称为像片的内方位元素，内方位元素是否已知也是量测用摄影机的特点。,2、量测用胶片航摄仪的特性：,（1）光学特性,物镜成像分解力高,物镜成像畸变差小,物镜透光率高,光学影像反差大,焦面照度均匀,（2）焦面上设置有框标,（3）有胶片压平系统,（4）像距为定值（主距）,（5）有减震装置,（6） 有影像位移补偿装置,（7） 抗温差、抗过载,（8）有系列焦距和滤光片,像场：物镜焦面上中央成像清晰的范围 像场角2 ：像场
6、直径对物镜后节点的夹角,3、胶片航摄仪的感光特性,感光度：感光材料对光的敏感程度,反差系数：景物反差与影像反差的比值,宽容度：能按比例记录景物亮度的曝光量最大范围,灰雾密度：未曝光试片显影后所产生的密度,显影动力学曲线：感光特性随显影时间而改变的特性曲线,4、胶片航摄仪的感光材料,（1）黑白感光材料,红外片：可感受红外光,（2）彩色感光材料,彩色反转片：记录原景物颜色的影像,盲色片：只能感受波长500nm以下的蓝紫光,正色片：只能感受波长580nm以下的（紫，兰，青，绿，黄绿）,全色片：感受全部可见光波,彩色负片：记录原景物颜色的补色影像,彩色正片：将彩色负片拷贝或放大成透明正片,感色性：感光
7、材料对各种波长光的敏感程度。,5、胶片航摄仪的胶片处理,干燥：使膨胀了的明胶层中水分蒸发,显影：将已曝光的卤化银变成可见的由银粒组成的影像,定影：固定显出的影像,水洗：用水洗掉乳剂层中残留的可溶性银络合物,（1）黑白摄影处理:显影，中间水洗，定影，最后水洗，干燥,胶片航摄仪摄影过程中已曝光的感光片经过摄影处理（冲洗），才能将已曝光的感光片转变成一张负像底片。,（2）彩色摄影处理,水洗：,彩显：将已曝光的卤化银还原成金属银，其显影剂氧化产物与成色剂起作用生成染料。,漂白：将金属银及黄色滤光层溶解为可溶性银盐。,定影：将未曝光的卤化银溶解，将可溶性银盐溶解。,6、航空摄影对胶片航摄仪主距的选择原则
8、,（1）综合法测图,应选择长焦距（常角或窄角）物镜，使由于地形起伏引起的投影差最小。如大比例尺测图中的正射影像制作。,（2）立体测图,1）平坦地区 坡度 20,选择较短的焦距（宽角或特宽角） ，可以提高基高比（垂直夸大），从而提高立体量测精度。,综合法测图应选择长焦距物镜，使由于地形起伏引起的投影差最小。 立体测图时， 平坦地区:选择短焦距物镜，可以提高基高比，提高立体量测精度。山区:选择长焦距物镜，减少摄影死角的影响、减少像片的数量、改善立体观测条件。,2）丘陵、山区 选择长焦距,原因：,减少摄影死角的影响 减少像片的数量 改善立体观测条件,结论：,二、量测用数码航摄仪,（1）面阵数码相机,
9、1）DMC,分为框幅式（面阵CCD）和推扫式（线阵CCD）两种。,采用8个镜头同步曝光，4个全色波段航飞获得的数字影像有部分重叠，通过镜头的几何检校、影像匹配、相机自检校和光束法空三技术等将4个全色波段获得的4个中心投影影像拼接成1幅具有虚拟投影中心、固定虚拟焦距（120）的虚拟中心投影“合成”影像，分辨率为768013824，实现对地的大面积覆盖。,同样，4个多光谱波段获得的数字影像与4个全色波段获得的数字影像重叠，通过影像匹配和融合技术，可将4个多光谱波段获得的数字影像与全色的“合成”影像进行融合，进而获得高分辨率的真彩色或彩红外影像（分辨率为7680 13824）,有四个全色波段和四个多
10、光谱波段（近红外红绿兰）,2）UCX,（2）线阵数码相机,3）UCD,1）SWDC,有四个全色波段和四个多光谱波段（近红外红绿兰）,有九个全色波段和四个多光谱波段（近红外红绿兰）,有四个全色波段和四个多光谱波段（近红外红绿兰）,ADS40采用单个镜头成像，可见光通过ADS40的分光镜主件时被按照RGB三种色光分出，落在焦平面上各自对应的不同区域， RGB三种色光及近红外波段能够同时对地面相同的区域获取影像。,2）Leica ADS40/80,利用GPS和IMU技术，三行线阵CCD推扫式，多中心投影影像，每次摄影得到的一行影像对应其单独的投影中心，拍摄得到的是一整条带状无缝隙的影像，同一条航线的
11、影像不存在拼接的问题。,（前视（全色）下视（全色）后视（全色）（近红外红绿兰）（多光谱安置于全色阵列之间） 全色多光谱 利用三个航空摄影条带进行摄影测量,三、航摄影像的分辩率,地面分辨率（Rg）地面上所能分辨的最小地物宽度，也称之为几何分辨率。,动态分辨率底片（反映摄影系统的质量）,静态分辨率物镜或胶片,物镜的分辨率R物镜分辨微小细部的能力。（线对/毫米） 在整个像幅内R不同，一般R中心R边缘。 航摄仪有效使用面积内镜头分辨率的要求为每毫米内不少于25线对,只有地物大于2个像元时才能从图像上正确地分辨出来，即像片上能根据光谱特征判读出地物性质的最小单元的地面宽度。,空间分辨率（传感器瞬时视场内
12、观察到地面的宽度，或像素所代表的地面范围的大小Instantaneous Field Of View (IFOV)），也可用地面采样距离GSD (Ground Sample Distance)表示。,一个光敏元件通过光学系统后，投影在地面上的长度。,地面分辨率（Rg）和空间分辨率（IFOV）的区别：,预估扫描成像为模拟图像后的最大成像比例尺：,若=0.1mm,1、数字影像的分辨率,对于数字航空影像或航天遥感影像而言，影像分辨率通常指空间分辨率(IFOV) 或地面采样距离GSD ，一般以一个像素所代表的地面的大小来表示（米/像素），并不代表能从照片上识别地面物体的最小尺寸。,对于数字航空影像，其
13、成图比例尺与数码相机像素空间分辨率对应关系如下表所示：,对于航天遥感影像，常用卫星空间分辨率与影像成图比例尺对应关系如下表所示：,2、胶片影像分辩率,像片上或底片上1mm内分辨出线条的数目。它只与航摄仪、感光材料二者有关。单位：线对/毫米。“线对”指的是一条白线和宽度相等的间隔（黑色）。反映了线条及其背景间的特定反差比，相当于物镜的分辨率R。通常情况下，胶片式航空摄影不直接对影像空间分辨率提出要求，如需要，可以通过胶片摄影分辨率和摄影比例尺来推算。,3、扫描影像的分辨率,当采用胶片影像进行数字摄影测量生产时，需要用影像扫描仪进行扫描数字化，扫描影像以扫描分辨率表示（微米/像素） 。扫描分辨率指
14、影像扫描仪在实现图像的模数转换时，通过扫描元件将扫描对象表示成像素所采用的最小面元单位，即一个扫描像素在原始胶片上的实际尺寸。,如果采用大比例尺航摄资料，底片（胶片）扫描分辨率最大不得超过60m，,R=20（m/M）,R为航片扫描分辨率（m）； m为成图比例尺分母；M为航摄比例尺分母。,扫描影像的地面分辨率可以通过原始胶片影像的摄影分辨率、摄影比例尺及扫描分辨率测算，应优于正射影像的地面分辨率。,4、多光谱扫描图像与多光谱摄影图像的区别,（1）多光谱摄影（Multi Spectral Photography）,将几个焦距相同的摄影机组装在一起，各物镜的光轴彼此平行，在每个物镜前分别带上不同的波
15、谱滤光片，快门同步，同时对地面进行黑白摄影。,（2）多光谱扫描（Multi Spectral Scanning）,地物的亮度反射到多光谱扫描仪，经过分光系统分成n个波段，然后分别被光敏元件接收，再将模拟信号进行模/数转换，以二进制形式记录在磁带上。,（3）数据记录的形式,摄影图像以密度的形式记录在胶片上,摄影图像以对数记录,扫描图像以亮度的形式记录在磁带上,扫描图像以真数记录,四、航摄仪的检定,检校内容,检校要求,像主点位置：x0, y0与主距f的测定； 摄影物镜光学畸变差或畸变系数大小的测定； 底片压平误差的测定； 框标间距以及框标坐标系的垂直性的测定。,距前次检定时间超过2年或快门曝光次数
16、超过20000次 经过大修或主要部件更换以后 使用或运输过程中产生剧烈震动,检校方法,实验室检校法 试验场检校法 自检校法,2.2 航空摄影,一、航空摄影过程,航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。,安装在航摄飞机上的航摄仪从空中一定角度对地面物体进行摄影,飞行航线一般为东西方向,要求航线相邻两张像片应有60%左右的重叠度,相邻航线的像片应有30%左右的重叠度,机载数码成像系统,竖直摄影：摄影瞬间摄影机的主光轴近似与地面垂直，偏离铅垂线的夹角小于30，夹角为像片倾角，也叫航摄倾角。,1、航摄倾角,二、航空摄影的基本要求,航空摄影分类,按摄影倾角,竖直航空摄影：像片倾角 2 3 倾斜航空摄影：,按摄影方式,面积航空摄影；线状航空摄影；独立地块航空摄影,按摄影比例尺,大比例尺航空摄影： 1/10000 中比例尺航空摄影：1/100001/50000 小比例尺航空摄影： 1/50000,三度重叠（立体观测和像片模型连
