数字摄影测量-第一讲(基本原理)

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<数字摄影测量>
第一讲
基本原理
昆明冶专 GIS 教研室
LPS 工程管理器对于航空三角测量使用了一种被称为组合分块调整的技术， 使得每幅图 像的内方位元素以及重叠图像之间的关系易于确定， 使图像同名点的确定与量测自动化。 当 某个数据块中涉及多幅图像时，该技术可以极大地简化对获取许多 GCP 点的需要，该技术 具有 5 项独特的功能。 可以很方便地建立多种相机和传感器的模型， 针对特定的相机和传感器建立内方位 几何特征，校正系统误差。 确定工程项目中每幅图想获取时的位置与方向， 导出图像的外方位元素参数， 并极 大地改进正射图像成果图的精度。 确定多幅图像重叠区域的高精度同名点地面坐标，便于从图像中产生地面控制点。 组合分块处理来自整个测区的信息，使用统计技术自动标识、分散或消除误差。 三角测量的结果就在于确定图像的位置和旋转角度，从而获取 DEM 和立体特征。
2.1 LPS工程管理器功能概述
要对数字图像进行校正，有多种可供选择的几何模型方法，诸如多项式变换模型、基于 射线的多面体函数、有限元素分析法、共线方程法等，实践中应该根据数据源及数据的可靠 性选择最适合的模型方法。而其中基于共线方程的正射校正方法是 LPS 工程管理器中使用 频率最高、获得结果最可靠的一种方法。该方法将获取图像的传感器或相机旋转、地形位移 及地球曲率等因素，综合在同一模型中进行处理。 LPS 工程管理器的正射校正可以将由于传感器或相机旋转、 地形起伏以及在图像获取和 处理过程中产生的位置误差全部剔除， 生成具有平面无变形的正射图像。 正射图像既具有地 图的几何特性，又具有像片的图像质量，正射图像上的地物位于其正确的位置上，所以正射 图像在几何精度方面等同于传统的线划测量地图。因此 LPS 工程管理器可以作为 GIS 获取 空间信息的理想模块，正射图像可以作为 GIS 信息维护与更新的参考图像，以此为基础再 应用 IMAGINE Vector 模块，可以很容易地获取地物类型信息，并建立与地物类型相关的空 间及非空间特征属性。 当然，借助 LPS 工程管理器进行正射校正处理，需要解决下列一些相关问题。 在野外或室内，通过多种测量手段获取地面控制点（GCP） ； 将地面控制点转移到多幅图像上， 并进行质量控制， 以便检测最终产品的综合精度； 处理各种摄影图像和卫星图像，包括标准航空摄影、数字摄影、成像产品、非专业 的 35mm 相机产品（地面摄影或倾斜摄影） 、SPOT 扫描式图像、桌面扫描图像等。 集成来自于航空摄影、全球定位系统（GPS）和其他摄影测量中的各种定位数据。 完成多幅图像的自动三角测量，实现多幅图像的正射校正处理。 正射图像校正离不开三角测量或工程三角测量。 三角测量就是在一个工程中建立多幅图 像与相机、 传感器模型及地面之间的数学关系， 三角测量的结果将作为正射校正处理所需要 的输入条件。
X M、YM、ZM 求解绝对定向参数 、、、、X 0、Y0、Z0 。
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第一讲
基本原理
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第 3 步：数字图像处理 数字图像处理包括数字图像像元扫描坐标系排列变换为按核线方向排列， 且对图像进行 增强和特征提取。 为了 按核线重排数字图像：原始数字化图像像元按扫描坐标系 、 轴方向规则排列， 利用相应点比在相应核线上这一几何约束特点， 应重新为原数字图像按核线方向逐条核线排 列，使图像匹配只需在核线方向做一维搜索相应像点。 图像增强处理： 为了改善图像质量和图像匹配的可靠性， 对按核线排列的数字图像进行 图像增强提高反差、特征提取等处理。 第 4 步：建立数字地面模型 建立数字地面模型包括沿核线的一维图像匹配、 计算点的模型坐标、 建立带图像灰度的 数字地面模型。 图像匹配： 目的是用图像匹配算法自动确定密集的相应像点对及其坐标。 通常为了方便 起见， 假定现在左图像上按核线方向构成一个按规则格网排列的二维点阵， 点阵之间根据需 要选定这些点作为已知点，用图像匹配确定其在右图像上相应像点。显然，由于地形起伏和 图像倾斜角的影响，在右图像上相应像点构成半规则格网，即 y 方向是等间隔的，x 方向是 任意的。 确定点的模型坐标： 根据相应像点左右图像的像坐标和相对方向参数计算各点的模型坐 标，显然这些点在模型上是随机分布的。 确定点的地面坐标：根据各点模型坐标和绝对定向参数计算各点的地面坐标。 建立规则格网 DEM：用随机分布的离散点，内插成为地面坐标系中规则排列的各点之 高程，构成数字地面模型 DEM。 第 5 步：生成数字等高线 根据规则格网 DEM，采样一定的差值算法生成数字等高线。具体过程首先在 DEM 中 按规定的等高线间隔跟踪等高线离散点，然后光滑加密形成数字等高线数据。 第 6 步：生成正射数字图像 正射数字图像： 用数字正射投影 （数字微分校正） 技术将原始数字图像校正为正射图像。 如果将数字等高线与数字正射图像套合，即产生带等高线的正射数字图像。
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基本原理
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形成数字等高线：根据地面规则格网 DEM，在 DEM 中跟踪每一条等高线与格网的交点， 形成离散等高线点列， 并通过对这些离散点进行光滑处理得到密集的光滑的等高线点列， 形 成数字等高线。将等高线点所经过的像元灰度赋以最大灰度值（加黑） ，计曲线不仅加黑， 还要加粗，则形成等高线图像或带等高线的数字图像。
1.5 图像正射校正处理
当已知数字图像的外方位元素和相应的摄影地区的数字高程模型（DEM）时，可以根据相 应的数学模型将数字图像校正为正射投影的数字图像，并可在图像输出装置上晒印正射像 片。这个过程叫做数字图像校正或数字校正。
2 LPS工程管理器
LPS 工程管理器是一个基于 Widows 的综合数字摄影测量软件包，可以对来自不同类型的 航空遥感相机及卫星传感器的图像进行快速和精确地三角测量和正射校正， 与传统的三角测 量和正射校正相比， 可以极大地减少费用和时间。 LPS 工程管理器可以处理的图像包括航空 图像、卫星图像、数字相机及视频的图像等，用于获取空间信息。
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学习要点： 1、 数字摄影测量基本原理； 2、 数字摄影测量处理过程； 3、 数字摄图像内定向； 4、 图像核线数字相关； 5、 图像正射校正处理； 6、 LPS 工程管理器概述
数字摄影测量基本原理
1 数字摄影测量基本原理
由于航空图像和卫星图像的原始数据存在着一定的几何变形， 这种几何变形是由各种各样 的系统误差和非系统误差引起的，诸如相机和传感器的旋转、地形的起伏、地球的曲率、扫 描误差和量测误差等。 如果在没有经过校正处理的图像上直接进行量测， 所获取的空间信息 是不可靠的，其用途是非常有限的。数字摄影测量处理是对遥感图像进行校正的基本方法。
1.4 建立规则格网DEM
首先利用核线数字相关获得的相应像点坐标及已知的定向参数 （内定向参数和像片的外方 位元素） ， 由前方交会计算像片矩形格网的 DEM， 然后将这些在地面上为随机分布的点 （X、 Y、Z 已知）进行内插，成为地面上规则格网的 DEM，并按先前的变形改正参数对各点高 程进行改正，以进一步消除数字图像的变形。 对各模型的 DEM 进行接边， 剔除粗差并内插正确高程， 接边除取相邻模型的平均值。 DEM 的检查是利用检查点进行的。 剔除粗差是人工量测的， 根据检查点的像坐标和像片的定向参 数，用前方交会公式计算检查点的大地坐标（X、Y、Z）计；利用检查点所在像片格网 DEM 中某一格网四角的大地坐标 （由相关结果所计算） ， 用双线性内插确定检查点的内插值 Z 内插， 计算 Z 计-Z 内插之差，计算所有检查点上高程余差之中误差，用以评定相关的高程精度。
1.2 数字图像的内定向
第 1 步：框标的自动搜索 根据框标的几何图形， 采用专用框标标识程序自动搜索框标中心。 只要在框标扫描图像区 中找到任何一条直线，沿这条扫描线搜索就可找到小黑点——框标。 由于小黑点被若干像元覆盖，为了提高识别框标的精度，可以用最黑点像元及其左右两个 ，再用二次曲线拟合， 相邻像元的灰度 D0、D1、D3（为最黑点像元的灰度，J0 为其扫描坐标） 并内插出最具黑点的扫描坐标改正数 J
1.1 数字摄影测量处理过程
数字摄影测量处理的过程一般包含如下 6 个步骤。 第 1 步：图像数字化转换 图像数字化转换的目的是将航空或航天的摄影类图像数字化为数字图像， 并以二维像元 灰度矩阵表示。像元大小在图像上一般为 50*50 、25*25 ，像元灰度为 0~255 中某一 个值。数字化之后的数字图像存储在硬盘。如果直接使用遥感所获取的数字图像，这一步省 略。 第 2 步：数字图像的定向 数字图像的定向包括整幅数字图像的内定向、相对定向和绝对定向，以确定相关参数。 内定向：确定扫描坐标系和像平面坐标系的关系。为此要利用图像匹配（相关）技术活 根据框标在像平面坐标系中的坐标 x、y ， 其他方法自动确定数字图像中框标的坐标 、 ， 用平差方法确定内定向参数，即两坐标系的仿射变换参数。 相对定向： 用图像匹配算法自动确定立体数字图像中的相对定向点的像坐标， 用解析摄 影测量相对定向解算相对方向参数 1、 2、 1、 2、 。 绝对定向：用已知控制点的像坐标和内定向参数计算控制点在一幅数字图像中的坐标， 用图像匹配算法自动确定它们在另一幅数字图像中的坐标， 利用空间前方交会公式计算控制 点 的 模 型 坐 标 X M、YM、ZM 。 然 后 根 据 控 制 点 的 已 知 地 面 坐 标 X G、YG、ZG 和
1.3 图像核线数字相关
数字相关：对于图像核线数字相关，开始几条核线采用分频道的多层相关算法。开始相关 时，由于缺乏预测相关点位的视差信息，在连续的几条核线上使用分频道相关。选择其中相 关结果最好的一条核线， 并用其相邻的几条核线的相关结果剔除相关粗差和进行视差平滑处 理。以后核线的相关以此作为预测的基础，在已知核线上的视差预测待相关点位，并根据这 个预测点位对搜索区内预测点和其左右各 3 个像元位置上计算 7 个相关系数。 用几条相邻核 线组成二维目标窗口和搜索区， 搜索仍沿核线做一维搜索。 其作用是在目标区长度有限的条 件下，增加目标区和搜索区信息容量，提高相关结果的可靠性。 采用多重判据提高相关结果的可靠性： 根据分析， 单一判断可能会产生相关结果出现粗差， 可以采用相关系数、相位系数的一阶差分、目标区与搜索区像元灰度的方差、相邻相关点的 视差之差以及相关点位与预测点为之差等判据，综合确定相关点位。 粗差剔除：相关结果中粗差是难以避免的，对于相关结果必须进行粗差检测和改正。对于 低反差区域， 难以得到正确的视差； 对于一般地区， 每一个点都可以用附件若干个点的视差， 按二次曲线拟合， 检测该点的视差， 若拟合值与相关结果之差大于 3 倍标准差， 则视为粗差， 并相应地进行改正，这种方法属于后处理，可有效剔除粗差。
来自百度文库第 2 步：内定向参数的计算 像坐标 x、y 与扫描坐标系 I、J 的关系可用下式计算
x m0 m1 I m2 J y n0 n1 I n2 J
4 个框标的 x、y 由框标坐标检定值得到，I、J 是框标在扫描坐标中坐标。4 个框标可列 8 个方程，用平差方法可求解 6 个内定向参数 m0 、 m1 、 m2 、 n0 、 n1 、 n2 。利用上述公式， 在已知像元的扫描坐标 I、J 时，即可求得其像坐标 x、y。 第 3 步：变形改正设置与计算 变形改正：摄影图像数字化时，数字图像在 x 方向产生变形，除内定向经过仿射变换改正 之外，仍残留部分高次项的影响。改正方法是对控制点用二维数字相关求出视差（像坐标） ， 用空间前方交会计算控制点的大地坐标， 根据高程不符值计算二次多项式改正系数， 在建立 DEM 时用这些系数对高程进行改正。
I
D3 D1 2 D1 D3 2 D0
若 D0、D3 为扫描方向的像元灰度，则计算得 J 。框标的坐标为
I I 0 I J J 0 J
这样就使得框标的扫描坐标 I、J 达到子像元的精度。
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