航测基础知识

国际摄影测量与遥感学会（ ISPRS ） 在1988年对摄影测量与遥感下的定义为 ：“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、 量测和解译的过程获得自然物体和环境的 可靠信息的一门工艺、科学和技术”。航空摄影测量应用从飞机上对地表面所摄得的像 片为基础，根据其几何特征和物理特征 进行量测和分析，从而确定地面上物体 的形状、大小、空间位置及相互关系。 摄影测量的分类可以从不同角度对摄影测量学进行分类 ：v按距离远近分有航天摄影测量、航空摄 影测量、地面摄影测量、近景摄影测量 和显微摄影测量；v按用途分有地形摄影测量与非地形摄影 测量。v按技术处理方法分，则有模拟法摄影测 量、解析摄影测量和数字摄影测量。模拟法摄影测量是用光学和机械方法 模拟摄影成像过程，通过摄影过程的几 何反转建立缩小了的几何模型，在此模 型上量测便可得到所需的各种图件。A10解析摄影测量是用计算的方法在计 算机中建立像点坐标和物点坐标之间的 几何关系，所量测的结果先贮存在电子 计算机中，再通过数控绘图仪绘出图来 。C130数字摄影测量则是解析摄影测量的 进一步发展，包括摄影测量的数字测图 和以数字（化）影像为出发点的全数字 化摄影测量，是摄影测量的发展方向。VirtuoZo NT航测成图的简要过程航空摄影工作l 制定摄影计划l 航空摄影l 暗室冲洗、晒印l 质量评定工作外业测量工作l 测量控制点的平面坐标和高程l 像片判读调绘编制平面图（地形图）航摄仪镜箱暗箱物镜航摄仪物镜HH'ss'F'hh' Fff 'ABCD物镜像场 光线通过物镜光学中心在物镜的焦平面 上，呈现出一个影像清晰的圆形面积，这个圆 面积成为像场。像场角 由物镜的光学中心与像场直径端点的 连线所形成的角度，称像场角。常角 宽角 特宽角物镜的畸变差 航摄机物镜的构像误差。镜箱承片框：各边线严格处于同一平面，为航摄仪的成像 面摄影机轴:从摄影机物镜的后节点作框标平面的垂线像主点:摄影机轴在框标平面上的垂足像距：物镜中心到承片框的距离，也称镜箱焦距或航 摄仪主距。通常使之等于物镜焦距相幅：承片框中空部分大小，即物镜的内接像场的正 方形。框标边框标角框标内方位元素x0 y0oxysf航摄仪主距f 像主点坐标X0 、 Y0航空摄影航摄比例尺航高航向重叠和旁向重叠航摄比例尺航摄比例尺是指空中摄影计划设计 时的像片比例尺。航摄比例尺的选取要 以成图比例尺、测区地形、摄影测量内 业成图方法和成图精度等因素来考虑选 取，另外还要考虑经济性和摄影资料的 可使用性。航摄比例尺分母的相对误差不超过 5%航摄比例尺与成图比例尺的关系航高航高是指摄影飞机在摄影 瞬间相对某一水准面的高度相对航高相对航高是指摄影机物镜相对于某 一基准面的高度，常称为摄影航高绝对航高它是相对于平均海平面的航高，是 指摄影物镜在摄影瞬间的真实海拔高 度航线图重叠度航向重叠： 航摄像片沿飞行方向上 相邻像片的重叠。航向重叠反映在航摄 像片的影像上是以像幅边长的百分数表 示。 摄影基线旁向重叠：两相邻航带之间的重叠称 为旁向重叠。航线间距 航线图航带弯曲航带弯曲度是指航带两端像主点之 间的直线距离与偏离该直线最远的像主 点到该直线垂距的比，一般采用百分数 表示。航带弯曲度一般规定不得超过3%。航摄像片编制的图件像片平面图： 利用已经纠正的航片拼接镶嵌而成。像片索引图像片略图： 直接利用接触晒印的像片，以某一种方法 排列重叠起来，再把重叠部分以曲折线切开（不允许 割切重要地物），然后依切割的地物镶嵌而成。由于 这种图是未经纠正的航空像片镶嵌而成，故称略图。像片略图存在的误差： 重复、错开、遗漏。影像地图像片控制点像片控制点的分类平面高程控制点平面控制点高程控制点外业控制测量选点 刺点 施测航摄像片与地形图的差别表示方法的差别在航片上，地物、地貌是通过影像的形状、大小、色 调来表示的，而地形图石由各种图式符号、注记和等 高线来表示的 投影方式的差别地形图是正射投影、航片是中心投影投影用一组假想的直线将物体向几何面投射 称为投影，其投射线称为投影射线，投 影的几何面通常取平面称为投影平面， 在投影平面上得到的图形称为该物体在 投影平面上的投影。地形图的正射投影当诸投影射线都平行于某一固定 方向时，这种投影称为平行投影。 平行投影中，当投影射线与投影平 面斜交的称为斜投影；投影射线与 投影平面正交的称为正射投影。正射投影的特点 1、投影后的图形与实际物体形状相似 2、点的投影与点到投影面的距离无关 3、各部分的比例尺一致中心投影投影中心fpa1a2s2s1A1A2S在航摄像片上 的地面构像可 以认为是由地 面各点指向投 影中心的直线 投射光线所形 成，这样所得 到的影像属于 中心投影。航摄像片的中心投影ABCDabcdocadbSoP1P2中心投影的特性空间点在像片上的透视构像仍为一个点空间直线的透视构像一般是直线ABCDSabcp像片上主要的点、线S 投影中心 Es 像地平面（合面） P像平面 hihi 像地平面（合线） E水平地面 i 主合点o像主点 h0h0 主横线W主垂面 hchc 等比线SoO摄影机轴 SnN铅垂射线 航摄像片倾角n 像底点N地底点c 等角点VV 主纵线V。V。 基本方向线TT 透视轴（迹线）Eshihiih0h0hchc合点 空间一组互相平行的直线，其无 穷远点的像汇合于一点，此点称为合点M1M3M2ABCmS cb ap中心投影作图水平地面上任一直线的像ABt1S iab水平地面上铅垂线的像Sn NABt2abp摄影测量常用的坐标系像平面坐标系像空间坐标系 像空间辅助坐标系 摄影测量坐标系 地面摄影测量坐标系地面坐标系像平面坐标系像平面坐标系用以表示像点在像平面的位置。通常以 像主点为坐标原点，x、y 轴的方向按需要而定。像空间坐标系描述像点在像方空间位置的空间直角坐标 系Szyxyxa像空间坐标 x、y 、-f像空间辅助坐标系像空间辅助坐标系是为建立相邻像片或航线中各像 片之间的坐标关系而建立的一种过渡性坐标系。S1ZyxYXaS2Z YXZ YXS3摄影测量坐标系摄影测量坐标系也称物方空间坐标系，是描述物点（ 包括地面控制点和地面模型点）在物方空间位置所建 立的空间直角坐标系。是像点由像方空间变换地面的 过渡性坐标系DZYXSZYX地面摄影测量坐标系地面摄影测量坐标系用于表示表示地面点位置的空间表示地面点位置的空间 直角坐标系，是最终往大地坐标系过渡的坐标系。直角坐标系，是最终往大地坐标系过渡的坐标系。DZYXSZYX地面坐标系是国家统一的测量坐标系统，取平面纵 坐标为X轴，横坐标为Y轴YGXGOZG航摄像片的内方位元素和外方位元素内方位元素外方位元素内方位元素确定物镜中心与像平面间相对位置所需 要的数据称为内方位元素。x0 y0 f恢复内方位元素的意义是为了确定摄影 光束形状。外方位元素在已知内方位元素的条件下，确定投影中心与航片在摄影瞬间的 空间位置，即摄影光束的空间位置的数据，称为外方位元素。包括投影中心在地面坐标系中的三个坐标值Xs、Ys、Zs，摄影方 向相对空间坐标轴的两个角度和像片绕摄影方向选状的一个角度 。DXYZXYZS ZsXsYsO´Oxyop 航向倾角旁向倾角像片旋角空间直角坐标的变换共线方程共线方程在摄影测量学中，按照投影中心在摄影测量学中，按照投影中心、像点和相应的地面点的理想共、像点和相应的地面点的理想共线关系建立的数学模型，称为共线关系建立的数学模型，称为共线条件方程。线条件方程。AaSfAazxyxyZYXx y-fXZYS点的坐标变换xyzXYZa1a2a3b1b2b3c1c2c3由空间解析几何学可知：写成矩阵形式：zxyS由线性代数知：旋转矩阵RT=R-1RT=R-11 1、旋转矩阵旋转矩阵ZYX正交矩阵正交矩阵 矩阵R中的九个参数为两轴坐标系 间的方向余弦=cosXxcosXycosXzcosYxcosYycosYzcosZxcosZycosZz旋转矩阵参数（a1/b1/c1/a2/b2/c2/a3/b3/c3）AaSzxyxy -fxAyAzAx yo共线条件方程的共线条件方程的解析表达式解析表达式共线方程x-x0=-fa1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)y-y0=-fa2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs) a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)像点位移因像片倾斜引起的像点位移因地形起伏引起的像点位移像片与地面均水平像片倾斜引起的像点位移因地形起伏引起的像点位移航空像片的构像比例尺立体观察和立体测量立体视觉交向角差生理视差在双眼观察下能感觉出 景物有远近凸凹的视觉， 称为立体视觉r 为两眼视线的交会角， 称为交向角，交向角之差 称为交向角差弧a1b1 a2b2 之差称为生 理视差人造立体视觉人造立体视觉的过程 (空间物体)空间物体的构像信息生理视差立体感觉视觉的空间物体的存在立体观察的条件由两个摄影站点摄取同一景物而组成立 体像对；每只眼睛必须分别观察像对的一张像片 ；两条同名像点的视线与眼基线应在一个 平面内。立体观察的方法立体镜法人眼直接观察法光学法互补色法偏振光法立体摄影测量以立体像对作为作业单元,确定 地面点的平面和高程位置.立体摄影测量的过程相对定向 绝对定向 量测相对定向 恢复摄影瞬间像对像片间相对位置关系，称为像 对的相对定向 相对定向元素是确定像对两张像片像对位置的元素绝对定向 将模型方位确定在大地坐标系中，称为绝对定向 绝对定向元素是确定相对定向所建立的几何模型的比例尺和恢复 模型空间方位的元素像片纠正借助于某种仪器将倾斜误差予以消除， 成为符合于某一固定比例尺的水平像片 ，这一变换过程叫像片纠正。纠正只能消除像片倾斜引起的像点位移 ，而不能消除因地形起伏所引起的像点 位移摄影过程的几何反转：恢复内、外方位 元素的投影投影差的纠正原理起伏地区投影转绘：按地面高程分成多 个带，再用每一带中间截面的航高来确 定投影面的高度，在整个一带范围内的 地物和地貌完全消除了投影差，而上下 带边残留的投影差能够限制在允许的范 围内。微分纠正也称正射投影技术，是以立体像对建立 地面模型为基础，采用纠正单元进行纠 正，获得各纠正单元的正射投影，从而 得到正射像片像对坐标的系统误差底片变形航摄机物镜的畸变差大气折光差地球曲率每片纠正像片面积范围内高差较大，或在像片比 例尺 较小而成图比例尺较大时使用隔片纠正按每隔号像片进行的纠正分带纠正以每条航线为单位进行的纠正分区域纠正以几条航线或一个区域作为单位进行的纠正空中三角测量空中三角测量是以摄影站、像点和地面 点三点共线，及相邻摄影站间相应投影 光线共面为基础，按前方交会方式建立 地面模型，并求解地面点坐标的一种测 量方法。解析空中三角测量是用数学公式描述、 通过计算实现前方交会，得到地面点的 空间直角坐标解析空中三角测量优点：加密控制点的精度较高速度较快对原始资料的限制较少能够在计算过程消除系统误差可以减少野外控制点空间后方交会恢复摄影时的光束，即将空间的模型纳入到大 地坐标系中，通过已知的像点坐标及其对应的 大地坐标系下的坐标求解出相应的外方位元素 （摄站坐标：Xs、Ys、Zs；三个转角：、 、；）；空间前方交会空间前方交会：在恢复摄影时的光束的 前提下，由立体像队两片的内、外方位 元素和观测的像点坐标，通过共线方程 求解出像点对应的大地坐标系下的坐标 ；因此，我们要求取地面上任一点的大地坐标，可通过 航空摄影的