【第三章】摄影测量学

概述

摄影测量

• 概念：
  • 通过摄影的手段获得对物体可靠量测的科学与技术
  • 利用立体像对影像之间的移位构建立体模型，进行测量
  • 由二维影像到三维实体的科学技术
• 重要方法：利用立体像对与一对浮动测标进行立体观测，测定同名点
• 点云
  • 表示三维空间中点的集合的数据结构，包含三维坐标、有时还包含颜色信息、强度信息、法线向量等
  • 具有高密度、无序性、多维度、灵活性
• 左右视差较/横视差较：在立体像对上，某点的左右视差相对于作为基准点像点的左右视差的差值。即从不同角度所获得的影像是不同的，它们构成一个像对

三个发展阶段

• 模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量

分类

• 摄影对象：地球表面，用来测绘国家各种基本比例尺的地形图以及各类工程应用的大比例尺地形图，为各种地理空间信息系统提供基础空间信息
• 摄影机位置分
  • 航空摄影测量
    ~ 航向重叠：相邻影像之间的重叠度，大于60%
    ~ 旁向重叠：相邻航线影像之间的重叠度，大于20%
    ~ 摄影基线：在航线内相邻两张影像之间的距离；基线越短，重叠范围越大，交会角越小
  • 航天摄影测量：高分辨卫星影像，国家基本图测图和城市、土地规划的数据来源
  • 低空摄影测量：快速响应
  • 地面/近景摄影测量：测绘地形图、工程测量

立体观测方法

• 获得立体视觉条件
  • 分像：左眼只能看左影像，右眼只能看右影像，而不能同时看到
    ~ 通过光学系统获得立体视觉
    ~ 互补色法：红绿
  • 上下视差：左右影像必需平行眼睛基线，即不能上下岔开
  • 方法：同步闪闭法、偏振光法

摄影测量相机

小面阵拼接相机：基于光电效应

• 静态拼接方式：四台相机拼为一副，如DMC相机
• 动态拼接方式：四台相机“一字”排列，如UCD相机

三线阵相机：线阵CCD连续感光

• 一个成像平面上同时安排三条CCD线阵
• 三条CCD列阵被分别安排在是三个相机内

旋转扫描摄影

• 摄影机垂直于飞行方向旋转，一边旋转一边摄影
• 依赖于航线的旁向重叠
• 利用长焦距摄影，获得高清晰图像；获得较大的(总)视场角与交会角

倾斜摄影

• 五台相机：下视、前视、后视、左侧视、右侧视
• 数字城市建模
  • 几何建模：粗模、细模
  • 纹理渲染：纹理库—假纹理，真实纹理—倾斜摄影
• 全景摄影：是一种三维图像技术，利用微透镜阵列来记录、显示全真的三维场景

摄影测量基本知识与数据处理

数字影像与图像处理

• 数字影像：一个由行、列分布的电荷耦合器件CCD阵列，通过摄影、感光的结果
  - 基础：像元，即每个格网，传感器对地面景物进行扫描采样的最小单元，同时具有空间特征和波谱特征
  • 高度 = 行数 * pixel size
  • 宽度 = 列数 * pixel size
  • 总像素数 = rows * cols
• 视场角：照相机对地面的张角，焦距越长，视场角越小
• 地面元GSD：一个像元对应到地面上的大小
• m = 航高H / 焦距f，地面元越小，比例尺1:m越小，小比例尺摄影

两个基本问题

• 同名点(同名点对)：在不同影像上量测的点必须对应于空间同一个点
• 确定像点坐标与空间点坐标之间的几何关系

计算机识别同名点——影像匹配

• 摄影测量自动化的关键：利用机器代替人眼确定不同影像上的同名像点
• 识别同名点的核心：模式识别
• 最简单的方法：模版匹配
• 应用：图像拼接(检测特征点 → 寻找同名点，即相对定向)
• 像元匹配：基于像元灰度、特征的匹配

确定影像与物体的几何关系——三点共线（共线方程）

• 三点共线：物点A、摄影中心S、像点a在一条直线上
• 共线方程：描述三点A、S、a共线的方程
  • 物点坐标XYZ、像点坐标xy、摄影中心坐标XsYsZs
  • 内方位元素f、x0、y0
  • 外方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ

内、外方位元素

• 内方位元素
  • 摄影机内部的方位元素，只能确定摄影光线；与摄影时摄影机的位置、姿态无关，不能确定摄影光线在物方空间的位置
    • 摄影机的焦距f：摄影中心到成像面的距离
    • 摄影中心到成像面的垂足o为像主点，该垂线为主光轴
    • 主点离影像中心点的距离x0、y0确定了像主点在影像上的位置
  • 确定：摄影机(量测、非量测)检校
• 外方位元素
  • 摄影机摄影瞬间在空间的方位（位置、姿态）
    • 摄影时摄影机在物方空间坐标系中的位置：Xs、Ys、Zs
    • 摄影机的姿态角：旁向倾角ω、航向倾角φ、像片旋角κ
  • 理论：空间后方交会法（利用地面上至少三个已知点A、B、C与其影像上三个对应的影像点a、b、c，即可解算影响的6个外方位元素）
  • 实践：空中三角测量

空中三角测量与区域网平差

• 相对定向：确定两张影像的相对位置
  - 无需外业控制点就能建立地面立体模型
  - 标准：两张影像上所有同名点的投影光线对对相交，所有同名点光线在空间的交点集合构成了物体的几何模型
  - 相对定向元素：确定两张影像的相对位置的方位元素
• 模型连接：解决模型与模型之间的连接
• 空中三角测量：通过相对定向、模型连接，把一张一张的影像连接起来，在一条航线内可以构成航线的立体模型，而通过航线与航线之间的重叠可以实现航带与航带之间的连接，从而将整个区域的影像连接在一起，构成一个空中三角网9(三维三角网)
• 区域网平差：最小二乘法(所有的测量误差的平方和等于最小)
• GPS/IMU(POS)空中三角测量
  • POS辅助空中三角测量/集成传感器法ISO：直接测定摄影机的空间位置与姿态

数字地面模型DEM、正射影像图DOM、数字线划图DLG

正射纠正

• 将地面点A(X,Y,Z)用共线方程投影到影像上，得到像点a(x,y)
• 利用点a四周进行灰度内插，求得点a的灰度g(x,y)
• 将g(x,y)赋予水平面A0的灰度G(X,Y)，即G(X,Y) = g(x,y)
• 按此过程，求得水平面上所有点的灰度

激光扫描与激光雷达

直接确定点云

激光雷达LiDAR

• 激光：方向性强、量度高、单色性和相干性好
• 激光雷达
  • 是一种集激光测距、GPS、惯导、计算机与数据处理于一体的新型测量技术
  • 利用GPS测定发射点的位置，用激光扫描测定激光发射器到目标的距离，用惯导系统测定发射瞬间飞行器的俯仰角、横滚角与航偏角，由此确定未知点在WGS84的位置

激光扫描的多次回波特性

• 激光雷达系统在发射激光脉冲时，一个脉冲可能会在遇到多个反射面后返回多个回波信号的现象
• 激光点云能获得高精度的DEM

激光测深：蓝绿激光(水底反射) + 红外激光(水面反射)

激光雷达与摄影测量

• 激光雷达系统组成：激光扫描部分、定位定姿部分、航空数码相机
• 数据处理流程
  

发展

• 高分辨率遥感影像
• 数码航空相机(多视匹配)
• POS系统(GPS+IMU)
• LiDAR
• 干涉雷达

课后题

1. 什么是摄影测量？为什么利用二维的影像能够实现空间物体的三维测量？

• 摄影测量是利用摄影手段，通过影像获取地物的空间信息的技术
• 通过拍摄同一物体从不同位置、不同角度的两张或多张影像，可以利用这些影像之间的几何关系和相似性，结合摄影测量原理和方法，计算出物体的三维坐标
• 二维影像能够实现三维测量的关键在于，通过多视角的影像可以恢复物体的深度信息，从而实现三维重建。

2. 摄影测量的相机与常规的相机有什么区别？普通的相机能否进行测量？

• 区别：精度和稳定性。摄影测量相机通常具有更高的分辨率、更精确的几何稳定性和更精确的控制。它们还可能配备有特殊的镜头和传感器，以确保影像的几何精度
• 普通的相机在一定程度上可以用于测量，但其精度和稳定性可能不足以满足专业摄影测量的要求

3. 摄影测量的分类？航空、航天摄影测量的相机的结构？为什么线阵、面阵相机都能进行摄影测量？

• 分类：地面摄影测量、航空摄影测量和航天摄影测量
• 相机结构
  • 航空摄影测量相机通常设计为能够承受高速飞行中的振动和温度变化
  • 航天摄影测量相机则需要适应太空环境
• 线阵相机、面阵相机
  - 线阵相机通过扫描方式获取影像，适合于高分辨率的连续影像获取；
  - 面阵相机则可以一次性获取整个场景的影像，适合于快速获取大面积信息
  - 两者都能进行摄影测量，因为它们都能提供足够的几何信息来计算物体的空间位置

4. 什么是摄影测量的方位元素？如何获得方位元素？数据处理的方法？利用GPS与IMU怎样在摄影瞬间直接获得方位元素？

• 方位元素是指摄影测量中，相机相对于地面的方位和姿态信息
• 通过控制点、交会法等传统方法获得，也可以通过现代技术如GPS、IMU直接获得
• 数据处理：基于共线方程
  - 利用控制点和共线方程，通过迭代方法求解外方位元素，这涉及到误差方程和法方程的组成，以及外方位元素的改正值的计算
  - 通过量测控制点对应的像点坐标，利用待求数初始值和共线方程，计算控制点像点的坐标近似值，然后组成误差方程和法方程，计算外方位元素的改正值，并进行迭代直到收敛
• GPS提供位置信息，IMU提供姿态信息，两者结合可以在摄影瞬间直接获得方位元素，从而提高测量的精度和效率

5. 为什么计算机能够代替人眼在不同的影像上确定“同名点”？

• 计算机通过算法可以快速、准确地在不同影像上识别和匹配同名点。这些算法通常基于图像处理和模式识别技术，能够识别特征点并计算它们之间的对应关系，从而确定同名点。计算机的处理速度和准确性远远超过人眼，能够处理大量数据，并且减少人为误差。

6. 进入数字化、信息化时代，摄影测量发生哪些本质的变化？

• 数字化和信息化时代使得摄影测量技术更加自动化、智能化。现代摄影测量可以利用数字影像、计算机视觉和人工智能技术，实现快速、高精度的数据处理。此外，大数据和云计算技术的应用也使得摄影测量数据处理更加高效，能够处理更大规模的数据集。

7. 摄影测量的生产的产品？DSM、DEM、DOM与DLG是什么？点云是什么？

• 数字表面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像图DOM、数字线划图DLG
• 点云是一组在三维空间中的点的集合，每个点包含位置信息，通常由激光扫描或摄影测量技术生成，用于表示物体的三维形状。

8. 激光扫描、LiDAR是什么？它的优点是什么？有哪些特性？

• 激光扫描：是一种使用激光来测量物体距离和形状的技术
• 激光雷达LiDAR：是一种特殊的激光扫描技术，能够快速获取地物的高精度三维信息
• 优点：高速度、高精度、大范围覆盖和能够穿透植被
• 特性：提供高密度的点云数据，适用于地形测绘、林业调查、城市规划等领域

9. 摄影测量在数字、智慧城市中的作用？

• 摄影测量在数字和智慧城市中扮演着重要角色。它能够提供城市空间信息的高精度三维模型，支持城市规划、交通管理、环境监测等多种应用。此外，摄影测量技术还可以用于灾害评估、基础设施监测和城市安全等领域，为智慧城市的建设和管理提供重要的数据支持。

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