武汉大学《摄影测量原理与应用讲稿》(含当代摄影测量),主讲王树根
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第8章：数字微分纠正及其拓展
《高等摄影测量》
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第八章 数字微分纠正及其拓展
数字微分纠正的概念
q
ü
问题的提出
用线划图表示的地物地貌通常并不十分直 观，而航空或遥感影像才能最真实、最客 观地反映地表面的一切景物，具有十分丰 富的信息。
纠正的概念
q
然而，原始航空遥感影像存在由于影像倾 斜和地形起伏等引起的变形，故他们不能 直接作为地图使用。
正射影像制作
q 间接法数字微分纠正原理图：
正射影像制作
q 间接法数字微分纠正原理图： c
a1 ( X − X s ) + b1 (Y − Ys ) + c1 ( Z − Z s ) a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 (Z − Z s ) a2 ( X − X s ) + b2 (Y − Ys ) + c2 (Z − Z s ) y − y0 = − f a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 ( Z − Z s ) x − x0 = − f
航空影像 是中心投影
关于正射影像
正射影像 是正射投影
正射影像的优点 q 正射影像（DOM）作为摄影测量与遥感
的主要产品之一，它同时具有地图的几何 精度和影像的视觉特征，特别是对于高分 辨率、大比例尺的正射影像，它不仅具有 信息量丰富、直观真实的特点，而且还可 作为背景控制信息评价其他地图空间数据 的精度、现势性和完整性，因此，其应用 范围越来越广泛。
正射影像的制作
q
关于影像镶嵌：一张正射影像一般不能 覆盖一幅图（标准分幅）的范围（除非小 比例尺的卫星影像），因此，将多张像片 拼成整幅影像图的过程称为影像镶嵌。
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第八章 数字微分纠正及其拓展
数字微分纠正的概念
q
ü
问题的提出
用线划图表示的地物地貌通常并不十分直 观，而航空或遥感影像才能最真实、最客 观地反映地表面的一切景物，具有十分丰 富的信息。
纠正的概念
q
然而，原始航空遥感影像存在由于影像倾 斜和地形起伏等引起的变形，故他们不能 直接作为地图使用。
正射影像制作
q 间接法数字微分纠正原理图：
正射影像制作
q 间接法数字微分纠正原理图： c
a1 ( X − X s ) + b1 (Y − Ys ) + c1 ( Z − Z s ) a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 (Z − Z s ) a2 ( X − X s ) + b2 (Y − Ys ) + c2 (Z − Z s ) y − y0 = − f a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 ( Z − Z s ) x − x0 = − f
航空影像 是中心投影
关于正射影像
正射影像 是正射投影
正射影像的优点 q 正射影像（DOM）作为摄影测量与遥感
的主要产品之一，它同时具有地图的几何 精度和影像的视觉特征，特别是对于高分 辨率、大比例尺的正射影像，它不仅具有 信息量丰富、直观真实的特点，而且还可 作为背景控制信息评价其他地图空间数据 的精度、现势性和完整性，因此，其应用 范围越来越广泛。
正射影像的制作
q
关于影像镶嵌：一张正射影像一般不能 覆盖一幅图（标准分幅）的范围（除非小 比例尺的卫星影像），因此，将多张像片 拼成整幅影像图的过程称为影像镶嵌。
摄影测量原理与应用
相关系数法影像相关 q 相关系数法分析： ü 相关系数值ρ的大小一般在 0<ρ<1 之间，ρ的大小反映了相似性程度 ü 当ρ= 0，表示完全不相关 ρ= 1，则表示完全相关
相关系数法影像相关 q 相关系数法精度：
ü 整像素相关的精度 ü 子像素相关的精度
相关系数 抛物线拟合
相关系数法影像相关 q 相关系数法不足：
《摄影测量原理与应用》
（含当代摄影测量）
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第5章 数字摄影测量及其发展
数字摄影测量概述 q 数字摄影测量回顾：
由数字影像或数字化影像出发，通过计算 机对这种数字影像信息进行处理和加工， 以获取所需要的图形和数字信息称之为数 字摄影测量。
q 最大特点是：
ü 由计算机代替人眼的立体观测 ü 与计算机图像处理联系紧密
最小二乘影像相关算法
分析： 基于灰度的影像匹配和绝大多数基于特 征的影像匹配，都是基于“单点”的影像 匹配或基于局部影像的匹配。 不足： 匹配结果的正确性与周围的点并无联系 或只有微弱的联系，经常会在匹配结果 之间出现矛盾。
最小二乘影像相关算法 q 多点最小二乘匹配（整体匹配范畴）
ü 针对单点影像匹配的不足（孤立的/不考虑 相邻关系的匹配）而提出。 ü 多点最小二乘匹配（Least Squares Multi-Point Matching）是 Rosenholm 提出的将有限元内插法 与最小二乘影像匹配相结合，直接解求规则分布 格网上的视差（或高程）的整体影像匹配方法。
的同名核线上。确定同名核线的目的是为了 变二维相关为一维相关，减少搜索范围。
S1 l1 a1 a2 S2 l2
A
同名核线
确定同名核线的意义
第2-2章：摄影测量解析基础及坐标转换
x X x
物方坐标系 q 物方空间坐标系
Y Z X
Zt
Xt
Ztp
A Yt p Zp Yp X
p
T
大地坐标系 (T－Xt Yt Zt)
Yt
X
tp
地面摄影测量坐标系 (P－Xtp Ytp Ztp )
摄影测量坐标系 (P－Xp Yp Z p)
物方坐标系
局部物方空间坐标系
摄影测量常用坐标系
航空摄影测量研究：
′ X ′p ′ = Y p′ Z ′p ′
若令：
U B ⋅C V W
p p p
∆ X ∆Y + ∆Z
坐标系转换过程
则有： X p
X ′ X 0 p ′ = + Y Y A Y p p 0 Zp Z ′p Z0
φ
y’ x’
ω x
共线方程的含义：即摄 影中心、像点及对应地 面点三点共线
Z
Y
G(X Y Z)
X
中心投影的构像方程
中心投影的构像方程是摄影测量与遥感学科 中最为重要的公式之一。 共线方程的主要应用： q 单片空间后方交会和多片空间前方交会 q 光束法空中三角测量的基础方程 q 数字投影基础（数字导杆） q 计算模拟像片数据（已知内、外方位元 素及物点坐标） q 利用DEM与共线方程制作正射影像 q 利用DEM进行单片测图 etc
中心投影的概念
q 透视投影
c b a
S
B A C
中心投影的构像方程
q
共线方程
κ
(XS YS ZS) z y
a1 ( X − X s ) + b1(Y − Ys ) + c1 (Z − Zs ) a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 (Z − Zs ) a2 ( X − X s ) + b2 (Y − Ys ) + c2 (Z − Zs ) y − y0 + ∆y = − f a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 (Z − Zs ) x − x0 + ∆x = − f
摄影测量与遥感 第四章
影像的内定向
q 扫描影像的内定向
内定向变换公式： ü 线性正形变换公式（四个参数） ü 仿射变换（六个参数） ü 双线性变换公式（八个参数） ü 投影变换（八个参数）
影像的内定向
内定向步骤(以仿射变换为例)： q 框标识别 q 利用框标的像片坐标和扫描坐标求转换
公式中的系数: x = a0 + a1x’+ a2 y’ y = b0 + b1x’+ b2 y’
《摄影测量原理与应用》
（含当代摄影测量）
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第4章
空中三角测量及其拓展
空中三角测量的基本任务
解析空中三角测量的目的和意义：
q 确定区域内所有影像的外方位元素 q 根据像片上点的二维量测坐标求出该点
所对应的物方空间三维坐标 （x，y）i -----> （X，Y，Z）i
空间后方交会精度评定
精度评定方法：
m0 = ±
[vv] 2n − 6
mi = m0 Qii
立体像对空间前方交会
目的：由立体像对中两张像片的内、外方位 元素和像点坐标来确定相应地面点的坐标
立体像对空间前方交会
q 基于共线方程的严格解法
x − x0 y − y0
= =
−f −f
a1 ( X
a3 (X a2 (X
q 将所求得的系数回代转换公式求任意一 点扫描坐标所对应的像片坐标
影像的内定向
q 扫描影像的内定向 ü 自动内定向存在问题 § 搜索窗口问题 § 框标模板的标准化和自适应问题
解析法相对定向
相对定向的目的：
q 恢复摄影时左、右片之间的相互（位置和 姿态）关系，建立与地面相似的几何模型
第5章：空中三角测量及其发展
ü 根据像片上点的量测坐标 求出该点所对应的物方空 间坐标
（x，y） （X，Y，Z）
以及像片的外方位元素
（Xs，Ys，Zs ，…κ）
空中三角测量的基本方法 q 共线方程主要应用
a1 ( X − X s ) + b1 (Y − Ys ) + c1 ( Z − Z s ) x − x0 = − f a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 ( Z − Z s ) a2 ( X − X s ) + b2 (Y − Ys ) + c2 ( Z − Z s ) y − y0 = − f a3 ( X − X s ) + b3 (Y − Ys ) + c3 ( Z − Z s )
T
∆v ∆ w ] aZ
∆Zs ]
T
上式为GPS 辅助空中三角测量新增的基本方程。
GPS辅助空中三角测量
q GPS辅助光束法区域网平差的误差方程
其矩阵形式如下：
V x = At + Bx + Cc Vc = Vs = Vg = A t Exx Ecc
− lx − lc − ls + Rr + Dd − l g
POS辅助全自动空中三角测量
POS辅助空中三角测量
q 目前世界上主要POS厂商有：
厂 商 Applanix IGI mbH 国 名 设备名 POS/AV-510 DG （系列） AERO Control IIb
加拿大 德国
q Applanix POS系统组成： ü 一个IMU
ü 一个GPS接收机
q 对摄影测量产品的思考
附有内、外方位元数的原始影像数据就是产品。从 传统的摄影测量而言，摄影的影像，只是原始的资 料。其它的用户可以购买拷贝片，作为下一步处理 的原始资料。但是现在，摄影被数字化了。如果我 们对原始的数字摄影进行了空中三角测量的处理， 这时影像的内方位元素、外方位元素已经是已知数 据，如果我们把内、外方位元素作为头文件与影像 数据一起刻在光盘上，这就是一个产品。 在数字摄影测量时代，“加密”的结果中，影像的方 位元素要比加密点的坐标重要得多。
武大《摄影测量》课件-第15讲空间前方交会
点的三维坐标。
空间前方交会技术在卫星遥感测 量中同样发挥着重要作用，能够 提高遥感数据的精度和可靠性。
卫星遥感测量的应用范围包括全 球气候变化监测、环境监测、资
源调查、灾害预警等方面。
地面激光雷达测量
地面激光雷达测量是一种主动式测量技 术，通过向地面发射激光束并接收反射 回来的信号，能够快速准确地获取地面
武大《摄影测量》课件第15讲空间前方交会
CATALOGUE
目 录
• 空间前方交会概述 • 空间前方交会的基本步骤 • 空间前方交会在摄影测量中的应用 • 空间前方交会中的问题与解决方案 • 空间前方交会的前沿技术与发展趋
势
01
CATALOGUE
空间前方交会概述
定义与原理
定义
空间前方交会是一种通过处理立 体像对的同名光线，确定地面点 空间位置的方法。
点的三维坐标信息。
空间前方交会技术在地面激光雷达测量 中能够提高对复杂地形的测量精度，尤 其在山区、森林等复杂环境下具有显著
优势。
地面激光雷达测量的应用范围包括地形 测绘、林业调查、考古探测等方面。
04
CATALOGUE
空间前方交会中的问题与解决 方案
误差来源与控制
误差来源
由于测量设备、环境因素和数据处理方法的限制，空间前方 交会中存在多种误差来源，如观测误差、模型误差和匹配误 差等。
精度评估的方法包括比较已知 的真值、重复观测、交叉验证 等，评估指标包括中误差、均 方根误差等。
精度评估的目的是发现和纠正 空间前方交会中可能存在的误 差和问题，提高交会结果的可 靠性和精度。
03
CATALOGUE
空间前方交会在摄影测量中的 应用
航空摄影测量
航空摄影测量是利用航空摄影所获取的影像信息，通过摄影测量技术确 定地面点的三维坐标，为各种地理信息数据采集、地图制作和更新提供 重要依据。
空间前方交会技术在卫星遥感测 量中同样发挥着重要作用，能够 提高遥感数据的精度和可靠性。
卫星遥感测量的应用范围包括全 球气候变化监测、环境监测、资
源调查、灾害预警等方面。
地面激光雷达测量
地面激光雷达测量是一种主动式测量技 术，通过向地面发射激光束并接收反射 回来的信号，能够快速准确地获取地面
武大《摄影测量》课件第15讲空间前方交会
CATALOGUE
目 录
• 空间前方交会概述 • 空间前方交会的基本步骤 • 空间前方交会在摄影测量中的应用 • 空间前方交会中的问题与解决方案 • 空间前方交会的前沿技术与发展趋
势
01
CATALOGUE
空间前方交会概述
定义与原理
定义
空间前方交会是一种通过处理立 体像对的同名光线，确定地面点 空间位置的方法。
点的三维坐标信息。
空间前方交会技术在地面激光雷达测量 中能够提高对复杂地形的测量精度，尤 其在山区、森林等复杂环境下具有显著
优势。
地面激光雷达测量的应用范围包括地形 测绘、林业调查、考古探测等方面。
04
CATALOGUE
空间前方交会中的问题与解决 方案
误差来源与控制
误差来源
由于测量设备、环境因素和数据处理方法的限制，空间前方 交会中存在多种误差来源，如观测误差、模型误差和匹配误 差等。
精度评估的方法包括比较已知 的真值、重复观测、交叉验证 等，评估指标包括中误差、均 方根误差等。
精度评估的目的是发现和纠正 空间前方交会中可能存在的误 差和问题，提高交会结果的可 靠性和精度。
03
CATALOGUE
空间前方交会在摄影测量中的 应用
航空摄影测量
航空摄影测量是利用航空摄影所获取的影像信息，通过摄影测量技术确 定地面点的三维坐标，为各种地理信息数据采集、地图制作和更新提供 重要依据。
第章数字摄影测量与影像匹配
《高等摄影测量》
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第6-1 章数字摄影测量与影像匹配
高等摄影测量研究范畴
*摄影（成像）→记录（胶片、数字）→处理、加工定量的（几何的）→解决是多少？
定性的（解译的）→解决是什么？
→表达（产品）→存贮、管理、更新→发布、应用→新的应用需求、认识水平提高
→促成新的成像/非成像方式的研究、集成→回到*
数字摄影测量的核心问题之一影像匹配
匹配应用场合（广义）
匹配应用场合
相关系数法影像相关
基于特征的影像匹配
1、特征提取（使用“影像段”分割法）
E
Z
B
一条特征段一条核线上的多个特征段
整体影像匹配。
《数字摄影测量学》教学大纲
数字摄影测量学一、课程说明课程编号：010415Z10课程名称（中/英文）：数字摄影测量学/Digital Photogrammetry课程类别：专业核心课学时/学分：48/3 （其中实验学时：10）先修课程：摄影测量学基础、数字图像处理、误差理论与测量平差基础适用专业：遥感科学与技术教材、教学参考书：1、《数字摄影测量学》，张祖勋、张剑清，武汉测绘科技大学出版社,1997.12、《遥感影像的数字摄影测量》，陈鹰编著，同济大学出版社，20033、《摄影测量学》，张剑清、潘励、王树根编著，武汉大学出版社，20034、《摄影测量原理续编》，王之卓，绘出版社,1990二、课程设置的目的意义该课程为遥感技术与科学专业的必修课、主干课。
本课程的任务是使学生掌握数字摄影测量的基础理论、以及4D产品生产的基本方法。
三、课程的基本要求对应的专业培养要求1.4.3摄影测量与激光扫描数据处理（1）掌握航空摄影相片的解析、像点测量及立体测图的原理与方法，摄影测量解析计算方法及数字摄影测量基本理论与方法；（3）掌握基于摄影测量与遥感的数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图和数字栅格地图的生产技术、生产流程及质量管理；2.1 工程实践能力掌握遥感工程项目的设计、数据采集、数据处理、统计分析与专题制图工作。
工程设计中，能理解工程应用要求，掌握外业施测和内业数据处理方法，严格贯彻专业设计规范和专业设计流程，选用合适仪器和数据源、外业实施方案、数据处理方法及软件。
知识：掌握数字摄影测量的基础理论、4D产品的生产的知识。
能力：能编写数字摄影测量的简易程序。
素质：了解数字摄影测量的发展现状，能利用数字摄影测量的基础知识处理新型传感器数据。
四、教学内容、重点难点及教学设计注：实践包括实验、上机等课堂教学内容与要求第一章绪论（2课时）1.1 摄影测理的发展阶段及特点1.2 数字摄影测量1.3 全数字摄影测量的若干典型问题教学要求：了解摄影测量的发展现状以及数字摄影测量的若干典型问题。
航空航天摄影测量与认知科学王树根教授-WuhanUniversity
[1] 高俊,龚建华,鲁学军.地理信息科学的空间认知研究, 2008
[2] 鲁学军,秦承志,张洪岩.空间认知模式及其应用. 遥感学报， Vol.9, No.3,2005
[3] 马荣华,黄杏元.GIS认知与数据组织研究初步. 武汉大学 学报（信息科学版）,Vol.3, No.6,2005
[4] 邬伦,王晓明,史文中.基于地理认知的GIS数据元模型研究. 遥感学报，Vol.9, No.5,2005
智慧城市 = 数字城市＋物联网＋云计算
物联网 ≠ 互联网＋传感器
物联网是以感知客观物理世界为 目的，物物互联的综合信息系统， 是建立在人类信息技术的智能化 和网络化基础之上的全新社会化 体系。
物联网是物理、是哲学、是社会
本学科应用举例
遥感方面参考文献：
[1] 骆剑承,周成虎. 遥感影像生理认知概念模型和方法体系. 遥感技术应用，Vol.16,No.2,2001
智能科学与技术是生命科学与技术的精华， 是信息科学与技术的核心，是现代科学与 技术的前沿和制高点，涉及自然科学的深 层奥秘，触及哲学的基本命题
Ph.D
引言
影像信息科学的崛起
影像被认为是 21世纪信息的主要载体 之一，对影像信息的处理加工和认知一 直是人们所关注的焦点;
摄影测量与遥感作为地球空间信息研究 的重要手段，其输入主要是影像；或者 说影像已成为地球空间信息的最重要数 据源。
[5] 艾廷华. 适宜空间认知结果表达的地图形式.遥感学报， Vol.12, No.2,2008
……
本学科应用举例
博士论文：
[1] 鲁学军. 地理认识理论与地理专家决策模型研究[D]， 北京大学, 1996
[2] 杜清运. 空间信息的语言学特征及其自动理解机智研究[D]， 武汉大学, 2001
[2] 鲁学军,秦承志,张洪岩.空间认知模式及其应用. 遥感学报， Vol.9, No.3,2005
[3] 马荣华,黄杏元.GIS认知与数据组织研究初步. 武汉大学 学报（信息科学版）,Vol.3, No.6,2005
[4] 邬伦,王晓明,史文中.基于地理认知的GIS数据元模型研究. 遥感学报，Vol.9, No.5,2005
智慧城市 = 数字城市＋物联网＋云计算
物联网 ≠ 互联网＋传感器
物联网是以感知客观物理世界为 目的，物物互联的综合信息系统， 是建立在人类信息技术的智能化 和网络化基础之上的全新社会化 体系。
物联网是物理、是哲学、是社会
本学科应用举例
遥感方面参考文献：
[1] 骆剑承,周成虎. 遥感影像生理认知概念模型和方法体系. 遥感技术应用，Vol.16,No.2,2001
智能科学与技术是生命科学与技术的精华， 是信息科学与技术的核心，是现代科学与 技术的前沿和制高点，涉及自然科学的深 层奥秘，触及哲学的基本命题
Ph.D
引言
影像信息科学的崛起
影像被认为是 21世纪信息的主要载体 之一，对影像信息的处理加工和认知一 直是人们所关注的焦点;
摄影测量与遥感作为地球空间信息研究 的重要手段，其输入主要是影像；或者 说影像已成为地球空间信息的最重要数 据源。
[5] 艾廷华. 适宜空间认知结果表达的地图形式.遥感学报， Vol.12, No.2,2008
……
本学科应用举例
博士论文：
[1] 鲁学军. 地理认识理论与地理专家决策模型研究[D]， 北京大学, 1996
[2] 杜清运. 空间信息的语言学特征及其自动理解机智研究[D]， 武汉大学, 2001
《摄影测量原理与应用》
视差与立体视觉原理 q 视差的概念
在立体像对上
在模型上
p = x − x x
left
right
p = y − y y
left
right
视差与立体视觉原理
q 视差的概念
两个重要特性:
1) 地面上任何一点在像 片上视差的大小与这 一点的高程有关;
2) 地面上越高处，在像 片上的视差就越大
视差与立体视觉原理 q 人眼的立体视觉是立体测图的基础
《摄影测量原理与应用》
（含当代摄影测量）
主讲：王树根
武汉大学遥感信息工程学院
第3章 立体测图的原理与方法
视差与立体视觉原理 q 人眼相当于一架照相机
视差与立体视觉原理 q 人眼的立体视觉
视差与立体视觉原理
问：单眼是如何产生立体感的？
视差与立体视觉原理 q 视差的概念
视差与立体视觉原理 q 视差的概念
视差与立体视觉原理 q 人造立体视觉
像对的立体观察与量测
q 对纵深/距离/高度的判断，立体观测优于 单目观测
q 分像(一只眼睛看一张像片)
像对的立体观察与量测
q 基/高比大，有利于提高立体观测的精度
像对的立体观察与量测
q 高程夸张(基/高比增大)
B
pa
=
f
B HA
H
B
H
像对的立体观察与量测 q 分像方法 分光路法
数字摄影测量测图的原理与方法
Virtuozo
像对的立体观察与量测 q 分像方法
互补色法
像对的立体观察与量测 q 分像方法
光栅法、偏振光法
像对的立体观察与量测 q 分像方法
分屏法
像对的立体观察与量测
摄影测量原理与应用
关于量化
量化即定量描述（举例）
F0 投射量
F 透过量 透过率: T = F / F0 不透过率: O = F0 / F 影像灰度：D = logO = log(1/T) ≈ 0.2~1.8 量化成 2m 级表示
采样和量化的结果
结果：得到数字化影像 (二维灰度阵列)
g 0,0 g 1, 0 g= M g m −1,0 g 0 ,1 g1,1 M g m −1,1 g 0 ,n −1 L g1,n −1 M L g m −1, n −1 m×n L
数字图像处理概述
数字影像与数字化影像
q 什么叫数字影像？（胶片相机与数码相机） q 什么叫数字化影像？
影像扫描数字化
q 数字影像获取基本方法
胶片摄影机
模拟像片
扫描仪 DPWS
数码摄影机
数字影像
影像扫描数字化
q 影像数字化过程：采样和量化 q 影像数字化仪器：扫描仪（器）
ü 电子光学扫描器 § 平台式 § 滚筒式 ü 固体阵列扫描器
v u 重采样后
影像重采样 常用的灰度内插方法： q 邻近点法 q 双线性内插法 q 沿核线重采样
影像重采样
q 双线性采样
影像重采样
q 双线性采样
1 g = 2 [(∆ − x1)(∆ − y1) g1 + (∆ − y1) x1g2 + x1 y1g3 + (∆ − x1) y1g4 ] ∆
数字摄影测量的核心问题之一
影像匹配
数字影像匹配
q 影像匹配（相关）是数字摄影测量的核心 问题之一，是指在数字摄影测量中以影像 匹配技术代替传统的人工观测，以达到自 动确定同名像点（特征）的目的（狭义）