摄影测量原理

《摄影测量原理》（含当代摄影测量）工程硕士讲课提纲
参考教材：《摄影测量学》、《Instruction to Modern Photogrammetry》
摄影测量原理部分
第一章 绪 论
§1-1 摄影测量学的定义、任务、分类和发展
－ 摄影测量（Photogrammetry，由希腊文的三个词根组成：light-writing-measurement）： 传统上：先摄影、后测量。现代：摄影与测量同时完成（至少是部分）是追求目标。
（其中 R 为正交矩阵： R T = R –1）
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－ 方向余弦的确定
cos
x
y
z
X
a1
a2
a3
Y
b1
b2
b3
Z
c1
c2
c3
三种转角系统： R = f (ψ，ω，κ) = f(ω’ψ’κ’) = f(A , α, kV )
注意：① ψ≠ψ’； ω≠ω’； κ≠κ’ 但由三种角元素计算所确定的方向余弦 ai, bi, ci 对应相等；
关于 Geomatics 的中文译法。（地球空间信息学）
－ 国际标准组织（ISO）的简明定义（1996）：“Geomatics is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement, analysis, management, and display of spatial data”
三个角元素可理解为是航空摄影时候飞机的：俯仰角、滚动角和航偏角。
确定方式：利用控制点空间后交（地→空型）；利用 GPS/IMU（POS）（空→地型）；
利用星相机空间后交。
百度文库
空间直角坐标变换： － S-xyz 与 S-XYZ 之间的变换： [X, Y, Z]T = R[x, y, -f]T 反算式： [x, y, -f]T = R T [X, Y, Z]T ，
GPS 辅助的空中摄影是发展方向。
补充：航摄像片上的特殊点、线 倾斜像片、水平像片、正片位置、负片位置、摄影中心、主距、像片倾角、像主点 像（地）底点、等角点、主纵线、灭点（vanishing point）
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§2-1 共线方程
摄影测量常用的坐标系：
－ 像方坐标系：
内定向
像平面坐标系（o-xy）＜＝＝＝＝＝＝＝ 扫描坐标系（i, j）
－ 影像信息科学的崛起：影像信息科学是由摄影测量学、遥感、地理信息系统、计算机图形学、 数字图像处理、计算机视觉、模式识别、人工智能、专家系统、航天科学与技术、传感器技 术和认知科学等相结合的一个边缘学科。（边缘效应：边缘学科最有发展潜力。）
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第二章 摄影测量解析基础
补充： 航空摄影的基本知识
－ 数字传感器的两种主要形式：（利用 CCD—Charge Coupled Device，CMOS 将取代 CCD） 线阵列扫描（line scanner / pushbroom） 面阵列扫描（matrix camera）
－ 摄影比例尺： 数字影像实际上是一个数据文件，我们更关心它的像元尺寸(Image Pixel Size)和地面采样间 隔(Ground Sampling Distance)。
－ 定义：最初的定义由《摄影测量手册》（Manual of Photogrammetry）给出。随着学科的发展、 应用的扩展和人们认识水平的提高，其内涵和外延也在不断发生变化。目前延用 1988 年 ISPRS（International Society of Photogrammetry and Remote Sensing）国际会议的定 义（与遥感一起定义）。 内容涉及信息获取、记录（存储）、量测和解译、产品表达、信息传输和产品应用等。
－ 航空摄影机：
胶片摄影机（Film Camera）
数字摄影机 (Digital Camrera)
需要胶片、需要显影、定影等， 需要扫描数字化、成像光谱窄
分辨率高、价格低，相当长时期内仍是主 流（已趋于成熟）
无需胶片及扫描数字化、便于自动数据处理， 成像光谱宽、对摄影天气要求降低、效率高， 应用范围广，发展潜力更大 价格偏高、制作大幅面数字相机还有困难（技 术尚未成熟）
像空间坐标系 (S-xyz)
像空间辅助坐标系 (S-XYZ)
－ 物方坐标系： 摄影测量坐标系 (P-XpYpZp) 地面摄影测量坐标系 (A-XtpYtpZtp) 大地坐标系 (T-XtYtZt) （左手系）
－ 航空摄影测量研究：
不能直接转换
o-xy = = = = = = = = = = = = = = = =＞ T-XtYtZt
Close-range Photogrammetry
显微摄影测量
Micro-range Photogrammetry
从用途（或应用范围）来考虑：
工业摄影测量
Industrial Photogrammetry
建筑摄影测量
Architectural Photogrammetry
生物医学摄影测量 Biomedical Photogrammetry
－ 分类：
从传感器平台（或摄影距离）来考虑：
航空摄影测量
Aerophotogrammetry / Aerial Photogrammetry
航天/卫星摄影测量 Space / Satellite Photogrammetry
地面摄影测量
Terrestrial Photogrammetry
近景摄影测量
Donald.L.Light 论文：“Film camera or digital sensor? The challenge ahead aerial imaging” （PE&RS, Vol.62, No.3, March 1996）
－ 胶片分辨率通常用：线对（lp）/mm 表示；数字影像分辨率则用像元（Pixel）大小表示。 标准的航空像片其分辨率通常为 40 lp/mm，相当于 80 Pixel/mm，或像元大小为 12um。 （同理可得：60 lp/mm ＜=======＞像元大小为 8um。） 如果分辨率用 dpi（dots per inch）表示，则有下列等效关系：
Evolutionary
Revolutionary
模拟阶段 =========＞ 解析摄影测量阶段========＞ 数字（Digital/Softcopy）阶段
（1900-1970）
（1970-1990）
（1990-？）
70 years
20 years
? years
摄影测量学三个发展阶段的特点（表 1-1）。
水下/双介质摄影测量 Underwater / Two-medium Photogrammetry
城市摄影测量
Urban Photogrammetry
铁路摄影测量
Railway Photogrammetry
地质摄影测量
Geological Photogrammetry
森林摄影测量
Forest Photogrammetry
发展阶段 模拟摄影测量
原始资料 像片
投影方式
仪器
物理投影 模拟测图仪
操作方式 作业员手工
解析摄影测量 数字摄影测量
像片
数字化影像 数字影像
数字投影 解析测图仪 机助作业员操作
数字投影
计算机
自动化操作 +作业员的干预
产品
模拟产品 模拟产品 数字产品 数字产品 模拟产品
－ 摄影测量学与遥感的结合：摄影测量学的发展历史就是遥感的发展历史，它们目的相同，只 是各自所处的科技发展历史时期不同，可以说摄影测量学发展到数字摄影测量阶段就是遥感 （王之卓）。 特点：从细分走向综合（集成、一体化）。
－ 外方位元素： 即描述摄影瞬间摄影光束在空间的位置和姿态的参数，共有 6 个。
外方位线元素 （Xs, Ys, Zs）
外方位角元素 ψ，ω，κ
-- 以 Y 为主轴（双像测图即立体测图）
ω＇，ψ＇，κ＇ -- 以 X 为主轴（双像测图即立体测图）
A , α, kV
-- 以 Z 为主轴（单像测图即单片纠正）
补充： 影像信息科学的形成与内涵 － 影像信息科学是信息科学的一个分支；21 世纪信息的主要载体是影像。
－ 摄影测量、遥感与地理信息系统的结合： ① RS 是 GIS 数据采集和数据更新的重要手段； ② GIS 信息对 RS 数字图像处理和自动分类起重要作用。
－ 对影像信息科学（Iconic Informatics / Geomatics / Geoinfomatics）的形成有以下共识： ① 影像信息科学涵盖了现代测绘科学的全部内容； ② 强调了对地球空间数据和信息的计算机处理技术； ③ 强调了相关学科的结合，强调对地球空间数据(Geo-spatial data)的集成处理，强调从 数据采集、处理、量测、分析、管理、存储、显示到发布的信息流全过程。
－ 空中摄影基本理论：（基本概念：B、H、B/H、f） 航摄计划（航高、重叠度……经费预算、用户要求） 选择合适的摄影机（宽角、特宽角、胶片……） 航摄飞行（天气条件、空域申请……） 交叉飞行、构架飞行 摄影处理（显影、定影、水洗、透明正片、相片……） 质量检查（重叠度大小、航偏角大小、影像反差……）航摄漏洞：绝对、相对
航摄像片的内、外方位元素： － 内方位元素：（xo≈0, yo≈0 , f）即描述摄影中心与像片之间相互位置关系的参数。 确定方式：摄影机检校（Camera Calibration），主要方法包括： 实验室检校；控制场检校；光束法自检校 摄影机检校的主要内容（光学和数字相机略有不同）： 光学：内方位元素、物镜畸变差、框标间距等。 数码：内方位元素、物镜畸变差、像元大小等。
② 计算过程中有时只需要求方向余弦即可（作为附加产品），没必要求出角元素。
中心投影的构像方程与投影变换： － 中心投影的构像方程：它是摄影测量与遥感学科中最为重要的公式之一。 共线方程（Collinearity Condition Equation）的含义：即摄影中心、像点及对应地面点三点共线 （2-11 式）。要求掌握式中每个符号的意义。
等等
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－ 发展：
1839年
发明摄影术
1858 年
气球拍摄第一张空中像片
1903年
发明飞机，使航空摄影成为可能
1901 年~1909 年 立体坐标量测仪、模拟立体测图仪
1957年
海拉瓦（Helava）提出了解析测图仪的思想
1987 年以后 开始研究开发数字摄影测量工作站
根据美国 Franz W. Leberl 教授：
12um pixel size ＜=======＞ 2000dpi 8um pixel size ＜=======＞ 3000dpi
关于影像扫描数字化的数据量：对 230×230 航片，当采样间隔为 12.5 um 时，每行（列）有 18400 pixels，则存储量为：18400×18400 / （1024×1024）= 22MB.
↓
↑
S-xyz → S-XYZ → P-XpYpZp → A-XtpYtpZtp
（其中：t 代表 terrain 地面； p 代表 photogrammetry 摄影测量） （除像平面坐标系和大地坐标系外，其他坐标系都可认为是过渡坐标系）
对于遥感而言，常用的坐标系还包括： － 传感器坐标系、框架坐标系、平台坐标系； － 地理坐标系（L、B、H） － 地心直角坐标系（XCYCZC） － 局部切面坐标系（XTYTZT） － 还有 WGS-84 世界大地坐标系 等
地面采样间隔（GSD）= 像元尺寸 * (H / f) 显示（打印）比例尺 = 显示（打印）像元尺寸 / GSD
Robert P. Comer 在“Talking Digital”一文中说道：“…It should be clear that scale does not tell the whole story for digital imagery”
－ 任务：任务也是发展变化的，笼统而言包括： 定量的（Quantitative） → 几何处理（metric） （解决是多少的问题：Where、how much、when） 定性的（Qualitative） → 解译处理 interpretation （解决是什么的问题：What）
－ 现状：定量问题相对解决的较好，自动化程度较高，如：空三测量、DEM、DOM 的生产等。 定 性问题还需付出很大努力。问题解决涉及多学科交叉、认知科学以及对人类自身的了解 和研究。