测量学概论-摄影测量学
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进入数码相机， 摄影测量发生了深刻的变化 无需冲洗、无需扫描；
无压平误差；无颗粒噪声。
无需冲洗 无需扫描
无压平误差 无颗粒噪声
为摄影测量 应急响应
提供了基础 为摄影测量
高精度 提供了基础
数码相机为多视觉摄影提供了实际的可能
多 视 匹 配 -- 增加匹配的可靠性
Twin view match is an ill-posed problem, there is no redundancy in each observation。 （双视图匹配是一个病态的问题，在每个
搜索区(>目标区)
x=012; y=1
x=1; y=0
xx=x=1=012345890－67; ; ; yyy===000
然后将目标区，沿 x、y方向顺序与搜索区叠合。
mi n g1( x, y) g2 ( x Δx, y Δy)
Δx,Δy
x=6; y=3
当x=6; y=3 灰度差绝对值之和为最小－－同名点
进行前方交会，求解未知点的坐标 A（X、Y、Z）。
A
b1
a1
S1
b2
a2
a1
a2
B
b1
b2
S2
由计算机视觉，看 摄影测量
计算机视觉的研究目标是使计算机具有 通过二维图像认知三维环境信息的能力，
《马颂德、张正友：计算机视觉－－理论与算法，1998》
左手前 －右手后
左手右 －右手左
左眼
左手左 －右手右
多次回波 多次回波－－这是激光特有的优势！
影像
LIDAR点云 地面点 断面
树上点
面 树林
屋顶
地面
LiDAR穿透海水
LiDAR系统向海面 发射波长为1064nm的红 外激光和倍频后波长为 532的蓝绿激光，由于 蓝绿激光较易直接穿透 海水而红外激光不易穿 透海水。
LiDAR浅海测绘原理
(4) 数码相机
(2) 摄影测量的基本内容
A
Z
a1
a2
B
S1
b1
Y
1 1
b2
O
1
S2
欲实现通过影像的量测实现对物体的直接测量，
条件有两个基本任务：
A（X、Y、Z）
2 2
2
X
1. 在像片上量测的点必须是同名点，如：
a1－a2，b1－b2 ，…….；
2. 恢复摄影光线 S1a1A－ S2a2A 在摄影时的空间方位。
摄影测量基本内容
a22 ( X a33( X
X X
SS SS
) )
bb2323((YY
YYSSSS))
cc3322((ZZ
ZZSSSS))
如何确定这9个方位元素，是摄影测量的重要内容
(5) 计算机怎样确定同名特征与应用 ① 模板匹配
模板匹配－－模式识别－－最基本的方法 例如：印刷数字识别
46839046894
观察有没有多余观测值。）
Multi view match 随着数字相机的应用，大重 叠度航空摄影已成为密集点云
匹配的发展方向
大重叠度
重叠度 p 与 影像数n (同一地物出现的影像数)
n 1.0 1.0 p
例如 航向 80％重叠， 同一地物同时出现在 5 张影像上
5
左 右
张 影 像
旁向重叠为70％ 上下
(1) 高分辨率遥感卫星 美国商业化的高分遥感卫星
Dallas Worldview-2 高度： 770 km，焦距: 13.3 m
国产光学卫星影像
我国光学卫星
2010.08.24.15:10： 天绘一号 2011.12.22.11:26: 02C 2012.01.09.11:17: ZY3 2012.05.06.15:10： 天绘一号02星
《精密的光学－机械仪器＋计算机》
《计算机》进入摄影测量
数字摄影测量时代 ——
计算机完全替代原来的光机仪器
2.摄影测量基本原理与内容
(1) 摄影测量过程与原理 摄影 与 测量投影
摄影 数据获取
数据处理
摄 影－－由三维 二维的过程 摄影测量－－由二维 三维的过程
摄影测量是摄影的－－逆过程、反转过程
( a1/ a2 / a3 / b1 /b2 /b3 / c1 c2 / c3 )
x f aa XX bb YY cc ZZ x x00 f
a11( X a33( X
X X
SS ) SS)
b11(Y b33(Y
YSS) YSS)
c11( Z c33 ( Z
ZS
ZSSS
) )
x f aa XX bb YY cc ZZ y y00 f
用于直接确定影像的外方位元素。 它也是激光扫面的基础。
(3) 激光扫描与LiDAR系统－－直接确定“点云”
经纬仪
全站仪
扫描仪
两个测站—— 一个测站—— 一个测站面测
点测量
点测量
量
航空激光 扫描系统
GPS
Laser scanner
IMU
GPS
航空激光扫描：LiDAR系统－－直接产生“点云” 加拿大.多伦多
2. 互相重叠 (20%以上) 的“航带”构成“区域”
地面（近景）摄影测量
大 坝 施 工 测 量
工业零件测量
建筑摄影测量
(3) 摄影测量的发展－－经历了三个发展阶段
模拟
摄影测量
解析
摄影测量
数字
摄影测量
模拟摄影测量时代 ——
摄影测量完全依赖于
精密的光学－机械仪器
解析摄影测量时代 —— 摄影测量依赖于
走进测绘殿堂
摄影测量 及其 发展
1. 概述－－什么是摄影测量 2. 摄影测量的基本原理与内容 3. 摄影测量发展与应用 4. 小结
1 概述－－什么是摄影测量
随着网络、信息时代的到来，地理空间信息正在被人们 所熟悉，地球上所有的一切，离不开它的空间位置，
摄影测量测量，则是 “通过影像获取地理空间信息的”学科。 通俗而言：“摄影测量通过摄影，进行测量。”
我们首先建立 0 9 十个数字的模板：
0123456789
将模板：
0123456789
与待识别的数字，逐个套合：
46839046894
4
比较“灰度差的绝对值”＝最小，获得－解－4
| g1(x，y)－ g2(x，y) |＝min
② 影像匹配 分别在左、右影像上建立一个
目标区－－搜索区
a1
a2
目标区---模板
S2
y y0
f
a2 ( X a3( X
X S ) b2 (Y YS ) c2 (Z Z S ) X S ) b3(Y YS ) c3(Z Z S )
它完整地描述：
像点
坐标x、 y 与物点坐标X、 Y 、 Z 的关系
(4) 摄影测量基本参数
在共线方程中：共有两组，9个参数
摄影机的3个内方位元素：x0、 y0 、f 影像的6个外方位元素：XS、 YS 、 ZS、与 、、
右眼
ba ba
两眼中影像的差异 摄影测量与计算机立体视觉的基础
摄影测量的基本流程
数据获取
b1
a1
b2
a2
数据处理
构建三维实体模型
23
摄影测量是 一门由“二维影像”“三维空间”的学科
摄影测量是
通过影像对物体进行测量
Photogrammetry is defined as “the science or art of obtaining reliable measurements by means of photographs.”
测定影像间《同名点》，确定它们相对位置 －
－相 对 定 向
匹配密集点云、生成等高线
等高线表示地形
3.摄影测量发展与应用
• 各类传感器的发展 • 理论与算法的发胀 • 计算机与网络的发展
为摄影测量的未来提供了
“无限的遐想空间”
摄影测量发展与 各类传感器的发展密切有关
（1） 高分辨率遥感影像 （2）数码航空相机 （3）POS系统 （4）LiDAR （5）干涉雷达
• 建立“影像与被摄物体间的几何关系”
The fundamental task of photogrammetry is to rigorously establish the geometric relationship between the image and the object as it existed at the time of the imaging event. Once this relationship is correctly recovered, one
(1) 什么是摄影测量
由测绘的前方交会，看摄影测量
在地面上两个已知位置点 上，安置经纬仪，对未知 点 A 测定水平角、垂直角，就能 测得未知点的坐标
A（X、Y、Z）。
A（X、Y、Z）
Z
Y
1 1
2 2
2
O1
X
摄影测量
在地面上两个已知位置上，对未知的物体拍摄两张照片， 然后在影像上，量测同名点：
a1(x1、y1)、 a2(x2、y2)
( Manual of Photogrammetry 1966 )
(2) 摄影测量的分类及应用
根据影像获取的位置， 摄影测量基本可分为： ①航天摄影测量(卫星) ②航空摄影测量(飞机) ③地面摄影测量(近景)
低空
地面
卫星 航空
摄影测量的基本任务是测绘各种比例尺的地形图
航空摄影测量，可测绘各种比例尺地形图，如1:5万、1:1万、1:5千、 1:2千、1:1千、1:500 ； 航天摄影测量主要测绘1:5万、1:1万地形图； 地面摄影测量主要测绘大比例尺地形图； 近景摄影测量可用于各种工程、工业、医学、建筑、考古等领域。
3 条不同航带
15 张 影
总 数 达
3×5
像
(5) 摄影测量与智慧城市 摄影测量为智慧城市提供基础地理空间信息
数字《迪拜》
6.摄影测量与嫦娥工程 嫦娥一号首绘完整三维月球图像
为获得三维月球图像在“嫦娥一号”上安装一台三线阵相机
三线阵相机
三线阵相机的影像
第一幅月面图像局部区域的假彩色地形图
•• 解决对应性(correspondence)问题
《从二维影像到三维模 型》 徐刚 日本 近代
科学社 2000
郑顺义翻译
(3) 摄影测量基本方程式－－三点共线方程
A
A
a1
a1
a2
S1
b1
B
S1
b2
a2
S2
x x0
f
a1( X X S ) b1(Y YS ) c1(Z Z S ) a3( X X S ) b3(Y YS ) c3(Z Z S )
can then derive information about the strictly from its imagery.
(摄影的根本任务是严格地建立的形象和对象之间的几何关系，正如成像事件实 际存在的关系。这种关系一旦被正确恢复，就可以得出其图像信息严格) (E. M. Mikhail etc. Modern Photogrammetry 2001 )
三个视角影像处理形成的数字高 正规影像与数字高程模型处理形成 正射影像与数字高程模型处理形
程模型图
的正射影像图
成的数字高程色彩—— 三个 眼睛的“视网膜”
从不同的视点 观察物体
(7) 计算机的发展 计算机的发展为摄影测量开辟了 难以预料的空间
当年，1978 王之卓先生提出 《全数字化自动测图系统》
这就是利用计算机识别同名点的原理
③ 影像匹配的应用 图像拼接
• We need to match (align) images
Matching with Features
•Detect feature points in both images
Matching with Features 特征匹配
ZY3: 正视：2.08米，前后视：3.46米；02C；两台 HR相机，2.36米; 天绘：两台HR相机： 2.0米
资源三号－下视影像（GSD=2.1m）
辽宁－大连港
大连港－空间点云
(2) POS —— 直接确定外方位元素
POS ＝GPS＋IMU （Inertial system ），
用于直接测定“外方位元素”， 有车载、机载，
台 北 中 山 纪 念 堂
从680km高空观测地面（IKONOS影像）
上海东方明珠塔（快鸟影像－－450 km）
我国ZY3卫星－－德国慕尼黑机场
(高度为 506km)
航空摄影 重叠部分（立体像对）
利用相互重叠的影像覆盖整个摄影区域:
1. 沿飞行方向，互相重叠 (60%以上) 的影像，相邻影像构 成“立体像对”、构成“航带”；
•Detect feature points in both images（检测两个图 像的特征点）
•Find corresponding pairs（寻找同名点）
Matching with Features
•Detect feature points in both images •Find corresponding pairs •Use these pairs to align images
当时，我们使用的 TQ16－－晶体管计算机
20世纪 80年代
NOVA3/12
无压平误差；无颗粒噪声。
无需冲洗 无需扫描
无压平误差 无颗粒噪声
为摄影测量 应急响应
提供了基础 为摄影测量
高精度 提供了基础
数码相机为多视觉摄影提供了实际的可能
多 视 匹 配 -- 增加匹配的可靠性
Twin view match is an ill-posed problem, there is no redundancy in each observation。 （双视图匹配是一个病态的问题，在每个
搜索区(>目标区)
x=012; y=1
x=1; y=0
xx=x=1=012345890－67; ; ; yyy===000
然后将目标区，沿 x、y方向顺序与搜索区叠合。
mi n g1( x, y) g2 ( x Δx, y Δy)
Δx,Δy
x=6; y=3
当x=6; y=3 灰度差绝对值之和为最小－－同名点
进行前方交会，求解未知点的坐标 A（X、Y、Z）。
A
b1
a1
S1
b2
a2
a1
a2
B
b1
b2
S2
由计算机视觉，看 摄影测量
计算机视觉的研究目标是使计算机具有 通过二维图像认知三维环境信息的能力，
《马颂德、张正友：计算机视觉－－理论与算法，1998》
左手前 －右手后
左手右 －右手左
左眼
左手左 －右手右
多次回波 多次回波－－这是激光特有的优势！
影像
LIDAR点云 地面点 断面
树上点
面 树林
屋顶
地面
LiDAR穿透海水
LiDAR系统向海面 发射波长为1064nm的红 外激光和倍频后波长为 532的蓝绿激光，由于 蓝绿激光较易直接穿透 海水而红外激光不易穿 透海水。
LiDAR浅海测绘原理
(4) 数码相机
(2) 摄影测量的基本内容
A
Z
a1
a2
B
S1
b1
Y
1 1
b2
O
1
S2
欲实现通过影像的量测实现对物体的直接测量，
条件有两个基本任务：
A（X、Y、Z）
2 2
2
X
1. 在像片上量测的点必须是同名点，如：
a1－a2，b1－b2 ，…….；
2. 恢复摄影光线 S1a1A－ S2a2A 在摄影时的空间方位。
摄影测量基本内容
a22 ( X a33( X
X X
SS SS
) )
bb2323((YY
YYSSSS))
cc3322((ZZ
ZZSSSS))
如何确定这9个方位元素，是摄影测量的重要内容
(5) 计算机怎样确定同名特征与应用 ① 模板匹配
模板匹配－－模式识别－－最基本的方法 例如：印刷数字识别
46839046894
观察有没有多余观测值。）
Multi view match 随着数字相机的应用，大重 叠度航空摄影已成为密集点云
匹配的发展方向
大重叠度
重叠度 p 与 影像数n (同一地物出现的影像数)
n 1.0 1.0 p
例如 航向 80％重叠， 同一地物同时出现在 5 张影像上
5
左 右
张 影 像
旁向重叠为70％ 上下
(1) 高分辨率遥感卫星 美国商业化的高分遥感卫星
Dallas Worldview-2 高度： 770 km，焦距: 13.3 m
国产光学卫星影像
我国光学卫星
2010.08.24.15:10： 天绘一号 2011.12.22.11:26: 02C 2012.01.09.11:17: ZY3 2012.05.06.15:10： 天绘一号02星
《精密的光学－机械仪器＋计算机》
《计算机》进入摄影测量
数字摄影测量时代 ——
计算机完全替代原来的光机仪器
2.摄影测量基本原理与内容
(1) 摄影测量过程与原理 摄影 与 测量投影
摄影 数据获取
数据处理
摄 影－－由三维 二维的过程 摄影测量－－由二维 三维的过程
摄影测量是摄影的－－逆过程、反转过程
( a1/ a2 / a3 / b1 /b2 /b3 / c1 c2 / c3 )
x f aa XX bb YY cc ZZ x x00 f
a11( X a33( X
X X
SS ) SS)
b11(Y b33(Y
YSS) YSS)
c11( Z c33 ( Z
ZS
ZSSS
) )
x f aa XX bb YY cc ZZ y y00 f
用于直接确定影像的外方位元素。 它也是激光扫面的基础。
(3) 激光扫描与LiDAR系统－－直接确定“点云”
经纬仪
全站仪
扫描仪
两个测站—— 一个测站—— 一个测站面测
点测量
点测量
量
航空激光 扫描系统
GPS
Laser scanner
IMU
GPS
航空激光扫描：LiDAR系统－－直接产生“点云” 加拿大.多伦多
2. 互相重叠 (20%以上) 的“航带”构成“区域”
地面（近景）摄影测量
大 坝 施 工 测 量
工业零件测量
建筑摄影测量
(3) 摄影测量的发展－－经历了三个发展阶段
模拟
摄影测量
解析
摄影测量
数字
摄影测量
模拟摄影测量时代 ——
摄影测量完全依赖于
精密的光学－机械仪器
解析摄影测量时代 —— 摄影测量依赖于
走进测绘殿堂
摄影测量 及其 发展
1. 概述－－什么是摄影测量 2. 摄影测量的基本原理与内容 3. 摄影测量发展与应用 4. 小结
1 概述－－什么是摄影测量
随着网络、信息时代的到来，地理空间信息正在被人们 所熟悉，地球上所有的一切，离不开它的空间位置，
摄影测量测量，则是 “通过影像获取地理空间信息的”学科。 通俗而言：“摄影测量通过摄影，进行测量。”
我们首先建立 0 9 十个数字的模板：
0123456789
将模板：
0123456789
与待识别的数字，逐个套合：
46839046894
4
比较“灰度差的绝对值”＝最小，获得－解－4
| g1(x，y)－ g2(x，y) |＝min
② 影像匹配 分别在左、右影像上建立一个
目标区－－搜索区
a1
a2
目标区---模板
S2
y y0
f
a2 ( X a3( X
X S ) b2 (Y YS ) c2 (Z Z S ) X S ) b3(Y YS ) c3(Z Z S )
它完整地描述：
像点
坐标x、 y 与物点坐标X、 Y 、 Z 的关系
(4) 摄影测量基本参数
在共线方程中：共有两组，9个参数
摄影机的3个内方位元素：x0、 y0 、f 影像的6个外方位元素：XS、 YS 、 ZS、与 、、
右眼
ba ba
两眼中影像的差异 摄影测量与计算机立体视觉的基础
摄影测量的基本流程
数据获取
b1
a1
b2
a2
数据处理
构建三维实体模型
23
摄影测量是 一门由“二维影像”“三维空间”的学科
摄影测量是
通过影像对物体进行测量
Photogrammetry is defined as “the science or art of obtaining reliable measurements by means of photographs.”
测定影像间《同名点》，确定它们相对位置 －
－相 对 定 向
匹配密集点云、生成等高线
等高线表示地形
3.摄影测量发展与应用
• 各类传感器的发展 • 理论与算法的发胀 • 计算机与网络的发展
为摄影测量的未来提供了
“无限的遐想空间”
摄影测量发展与 各类传感器的发展密切有关
（1） 高分辨率遥感影像 （2）数码航空相机 （3）POS系统 （4）LiDAR （5）干涉雷达
• 建立“影像与被摄物体间的几何关系”
The fundamental task of photogrammetry is to rigorously establish the geometric relationship between the image and the object as it existed at the time of the imaging event. Once this relationship is correctly recovered, one
(1) 什么是摄影测量
由测绘的前方交会，看摄影测量
在地面上两个已知位置点 上，安置经纬仪，对未知 点 A 测定水平角、垂直角，就能 测得未知点的坐标
A（X、Y、Z）。
A（X、Y、Z）
Z
Y
1 1
2 2
2
O1
X
摄影测量
在地面上两个已知位置上，对未知的物体拍摄两张照片， 然后在影像上，量测同名点：
a1(x1、y1)、 a2(x2、y2)
( Manual of Photogrammetry 1966 )
(2) 摄影测量的分类及应用
根据影像获取的位置， 摄影测量基本可分为： ①航天摄影测量(卫星) ②航空摄影测量(飞机) ③地面摄影测量(近景)
低空
地面
卫星 航空
摄影测量的基本任务是测绘各种比例尺的地形图
航空摄影测量，可测绘各种比例尺地形图，如1:5万、1:1万、1:5千、 1:2千、1:1千、1:500 ； 航天摄影测量主要测绘1:5万、1:1万地形图； 地面摄影测量主要测绘大比例尺地形图； 近景摄影测量可用于各种工程、工业、医学、建筑、考古等领域。
3 条不同航带
15 张 影
总 数 达
3×5
像
(5) 摄影测量与智慧城市 摄影测量为智慧城市提供基础地理空间信息
数字《迪拜》
6.摄影测量与嫦娥工程 嫦娥一号首绘完整三维月球图像
为获得三维月球图像在“嫦娥一号”上安装一台三线阵相机
三线阵相机
三线阵相机的影像
第一幅月面图像局部区域的假彩色地形图
•• 解决对应性(correspondence)问题
《从二维影像到三维模 型》 徐刚 日本 近代
科学社 2000
郑顺义翻译
(3) 摄影测量基本方程式－－三点共线方程
A
A
a1
a1
a2
S1
b1
B
S1
b2
a2
S2
x x0
f
a1( X X S ) b1(Y YS ) c1(Z Z S ) a3( X X S ) b3(Y YS ) c3(Z Z S )
can then derive information about the strictly from its imagery.
(摄影的根本任务是严格地建立的形象和对象之间的几何关系，正如成像事件实 际存在的关系。这种关系一旦被正确恢复，就可以得出其图像信息严格) (E. M. Mikhail etc. Modern Photogrammetry 2001 )
三个视角影像处理形成的数字高 正规影像与数字高程模型处理形成 正射影像与数字高程模型处理形
程模型图
的正射影像图
成的数字高程色彩—— 三个 眼睛的“视网膜”
从不同的视点 观察物体
(7) 计算机的发展 计算机的发展为摄影测量开辟了 难以预料的空间
当年，1978 王之卓先生提出 《全数字化自动测图系统》
这就是利用计算机识别同名点的原理
③ 影像匹配的应用 图像拼接
• We need to match (align) images
Matching with Features
•Detect feature points in both images
Matching with Features 特征匹配
ZY3: 正视：2.08米，前后视：3.46米；02C；两台 HR相机，2.36米; 天绘：两台HR相机： 2.0米
资源三号－下视影像（GSD=2.1m）
辽宁－大连港
大连港－空间点云
(2) POS —— 直接确定外方位元素
POS ＝GPS＋IMU （Inertial system ），
用于直接测定“外方位元素”， 有车载、机载，
台 北 中 山 纪 念 堂
从680km高空观测地面（IKONOS影像）
上海东方明珠塔（快鸟影像－－450 km）
我国ZY3卫星－－德国慕尼黑机场
(高度为 506km)
航空摄影 重叠部分（立体像对）
利用相互重叠的影像覆盖整个摄影区域:
1. 沿飞行方向，互相重叠 (60%以上) 的影像，相邻影像构 成“立体像对”、构成“航带”；
•Detect feature points in both images（检测两个图 像的特征点）
•Find corresponding pairs（寻找同名点）
Matching with Features
•Detect feature points in both images •Find corresponding pairs •Use these pairs to align images
当时，我们使用的 TQ16－－晶体管计算机
20世纪 80年代
NOVA3/12