第2章单幅影像解析基础.ppt
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1、摄影测量学第二章,单幅影像解析基础,主要内容:1、空中摄影的基本知识2、中心投影与透视变换3、共线方程4、航片的像点位移与比例尺5、单幅影像解析基础,第2章 单幅影像解析基础2-1 空中摄影的基本知识,一、摄影原理摄影原理:根据小孔成像原理,用摄影物镜代替小孔,在像面处放置感光材料,物体的投影光线经摄影物镜后聚焦于感光材料上,得到地面的影像。,摄影物镜:摄影物镜是一个复杂的光学系统,被摄物体影像的质量主要取决于摄影物镜的品质。由于单透镜有各种像差,一般摄影物镜都是由多个透镜组合而成,诸透镜的光轴应重合为一,即为物镜的主光轴。,如图,AB为物方光线,ab为像方光线,S和S称为物方主点和像方主点。
2、,物镜的成像公式:由光学成像公式知,它表明,一个物点发出的所有投影光线,经理想物镜后所有对应的折射光线仍会聚于一个像点上。物距为D的物体经透镜后,要获得清晰的光学影像,相距d应满足上述成像公式。,称为影像比例尺。,成像公式也可变形为:由公式可知:a、当物距相同时,用长焦距可得到较大的影像,用短焦距得到较小的像。b、欲得到大小相同的像,在物距大时用长焦距,物距较小时用短焦距。,物镜的光圈和光圈号数:实际使用的物镜都不是理想的,通过物镜边缘的光线会引起较大的影像像差。为了限制物镜边缘部分的使用,并控制和调节进入物镜的光量,通常在物镜中间设置一个光圈。,光圈示意图,通常将光圈放置在物镜的透镜组之间,
3、起着控制光束柱面的真实光圈孔径,称为有效孔径d。平行光线束成像于焦面上,单位面积影像的亮度与进入光束柱面断面的面积成正比,也就是与有效孔径d的平方成正比,与物镜焦距F的平方成反比。因此将d与F之比作为控制影像亮度的一个因素,称为相对孔径。相对孔径通常小于1,使用相对孔径的倒数更为方便,称为光圈号数K=F/d。焦面上影像的亮度与光圈号数的平方成反比,摄影时选择适当的光圈号数配以曝光时间就能得到一定的曝光量H=Et。,摄影时取E1和t1得到最恰当的曝光量H,那么当曝光时间取t2时,要得到相同的曝光量,则有:H=E1t1=E2t2,则有:E1/E2=t2/t1因为影像的亮度与光圈号数的平方成反比,即
4、:E1/E2=K22/K12,则:t2/t1=(k2/k1)2。这样曝光时间改变为一倍,则相应的曝光时间之比应为 倍。所以在摄影机上曝光时间的分划尺注记是按倍数改变的,而光圈上所标志的光圈号数的排列顺序是以 为公比等比级数排列。,景深和无穷远起点:当摄取物距为D的物点A时,在像距为d才能得到清晰的像点a。物距大于或小于D的景物如B和C,在像面上的构像将是模糊圆。由于人眼分辨能力有限,当模糊圆的直径小到一定程度时,人眼看起来仍是一个清晰的点。这样摄影时虽然对光于A,但在远景点B和近景点C,之间这一段的所有景物,在像面上仍可获得清晰的影像。把摄影对光调焦于D时远景点B和近景点C之间的纵深间距,称为
5、景深。,计算景深的公式为由上式可知,景深与物距、光圈号数及物距焦距有关,物距越大或光圈号数越大,景深也越大。摄影时通常取较大的光圈号数,即较小的相对孔径,而增才曝光时间,以增大景深,使摄影对光不很准确时,仍可获得清晰影像。,当物镜对光于无穷远,像距几乎等于物镜的焦距,远景点为无穷远处,这时设物距为D的某点在像面上的模糊圆等于允许的极限值,则比该物点更远的所有景物都能在对光于无穷远的像面上取得清晰的构像。在焦面上能构成清晰影像的最近物距称为无穷远起点,它随光圈号数等而定。摄影时,当调焦对光后,选好光圈号数,摄影机的景深标志的刻划就指出前景点距离和后景点距离,即得景深范围。,摄影机快门:用来控制曝
6、光时间的相机装置,快门从打开到关闭所经历的时间称为曝光时间,或称快门速度。在物镜筒上有一个控制曝光时间的套环,上面刻有曝光时间的数据,这些数值是以秒为单位的曝光时间倒数,如2表示0.5秒。,快门速度,二、航空摄影机1、光学摄影机:要求物镜畸变差小、分辨率高和透光性强,机械结构要稳定可靠,摄影过程的高度自动化。摄影时物镜都固定调焦于无穷远,像距是一个不变的值,几乎等于摄影物镜的焦距。获取的是光学模拟影像。,光学航空摄影机产生的影像为正方形,大小通常为18cm18cm、23cm23cm和30cm30cm。,框标,框标位于每边中点的称为机械框标,位于四角的为光学框标。光学航片可以同时具有8个框标。,
7、框标的连线都要正交,交点与主光轴和像平面的交点尽量重合。以框标连线交点为原点可以建立框标坐标系。,摄影机主光轴与像平面的交点称为像片主点,摄影机物镜后节点到像片主点的垂距称为摄影机主距,也叫像片主距,用f表示。由于制造技术上的误差,框标坐标系原点与像主点不完全重合,主点在框标坐标系中的坐标不为零,用为x0、y0。,内方位元素,将f、x0、y0称为像片或摄影机的内方位元素。内方位元素通常是已知的,它确定摄影物镜与像平面之间的相对位置。,航空摄影机按物镜的焦距和像场角可分为:短焦距航摄机:焦距F100中焦距航摄机:150mm300mm,像场角270,2、数码航空摄影机数码航空摄影机在2000年IS
8、PRS大会上出现,目前已逐步取代光学航空摄影机,成为获取航空影像数据的主要传感器。数码航摄仪可直接获取数字影像,计算机可直接处理。目前生产的航空数码相机可分为单面阵航空数码相机、多面阵航空数码相机和线阵航空数码相机。,单面阵航空数码相机通常获取的是彩色影像,像幅为4k*4k或3k*4.5k,影像的地面分辨率较高,相机无框标,像元行列排列规则。下表是美国EQ-90mm-CLR相机的有关参数,多面阵航空数码相机目前大多数大面阵的数码航空摄影机是由多个小面阵合成的。代表性的产品有DMC。DMC有4台黑白全色相机和4台多光谱相机组成,相机之间倾斜安置,获得的4幅影像之间有一定的重叠,最后提供给用户的是
9、经过纠正和拼接的影像。,三线阵航空数码相机ADS40ADS40数字航摄仪是按线阵式扫描成像设计的。它有3组全色波段的CCD阵列,波段范围是465680nm,按前视、下视和后视安置,每组都有12000个像素并行排列,每个像元大小为6.5。,ADS40有4个多光谱CCD,其中蓝色波段430-490nm,绿色波段535-585nm,红色波段610-60nm,红外波段835-885nm,每个都是12000个像素。ADS40的焦距标定为62.5mm,每个CCD在旁向上的视场角64度。,ADS40能够为每一条航带连续获取不同投影方向的不同波段的影像,任何两张不同投影方向的影像都可以构成立体像对。,我国的数
10、码航摄仪SWDCSWDC数字航摄仪是我国研制出的具有知识产权的第一台数字航摄仪,由北京四维远见开发而成。,三、空中摄影为了测绘地形图,空中摄影要按航摄计划要求进行,并确保航摄像片质量。将航摄仪安装在航摄飞机上,从空中一定高度对地面进行摄影以获取航片。在整个摄区,飞机要保持一定的高度和直线飞行。,以测绘地形为目的的空中摄影多采用竖直摄影方式,要求航摄相机在曝光瞬间物镜主光轴保持垂直于地面。实际上由于飞机的稳定性和摄影操作的技能限制,主光轴总会有微小的倾斜,按规定要求像片倾斜角应小于23,这种摄影称为竖直摄影竖直航空摄影可分为面积航空摄影、条状地带航空摄影和独立地块航空摄影。,摄影比例尺:航片上一
11、线段与相应地面线段长度之比。由于航摄像片有倾斜,地形有起伏,所以摄影比例尺在航片上处处不等。如果相邻两张航片的比例尺像差太大,会影响立体观察,为此摄影比例尺的变化要有一定的限制范围。,当把航片当作水平,地面取平均高程时,摄影比例尺可表示为:1/m=f/H。平常所说的比例尺也是一个平均比例尺。,对相机来说f是固定值,因此影响摄影比例尺的主要因素是航高H。飞行中航高的差异不得大于5,同一航带内最大航高与最小航高之差要小于30米,实际航高与设计航高之差要小于50米。机场航高:摄影瞬间飞机相对于飞机场的航高;摄影航高:相对于摄区平均高程基准面的航高;真实航高:相对于某地面点的相对航高;绝对航高:相对于
12、平均海水面的航高。,摄影比例尺的选择:摄影比例尺的选取要以成图比例尺、摄影测量成图方法和成图精度等因素来考虑。另外还要考虑经济性和摄影资料的可使用性。摄影比例尺越大,像片地面分辨率越高,有利影像的解译和提高成图精度。但摄影比例尺过大要增加费用和工作量。当满足要求时通常选用较小比例尺。当确定相机和摄影比例尺后,即f和H为已知,就可按H=fm来计算航高了。,航空摄影比例尺和成图比例尺可参照下表:,摄站和摄影基线:曝光瞬间摄影物镜点所处的位置叫摄站,用S表示。航向上相邻两摄站之间的距离叫摄影基线,用B表示。,航向重叠与旁向重叠:为了便于立体测图及航线间接边,航片不仅要覆盖整个测区,而且还要求像片之间
13、有一定的重叠度。同一条航线内的影像重叠称为航向重叠,航向重叠度一般要求在60以上。在航向上必须要有三度重叠部分,这是立体观测和像片连接的要求,也是控制点的选择区域。,为了进行航带连接,相邻航带之间也要求有一定重叠,称为航向重叠,旁向重叠要求在1530,设像片边长为l,其相应被摄地面的实际长度为L,航向重叠度为Px,则:B=L(1-Px),又由于l/L=f/H=1/m,则B=lm(100-Px)/100当选定相机和摄影比例尺后,就可算出航高H,当确定航向重叠后,就可计算出基线B,再根据飞行速度确定曝光时间间隔。,航带弯曲:指航带两端像片主点之间的直线距离L与偏离该直线最远的像主点到该直线垂距的比
14、,一般用百分数表示:R%=100%/L。像片倾角:摄影瞬间摄影机主光轴与铅垂方向夹角。像片旋偏角:相邻两像片的主点连线与像幅沿航带飞行方向的两框标连线之间的夹角。一般要求小于6度,不能连续3片超过6度。,相机类型:SWDC-4比 例 尺:1:500相机焦距:50mm相对航高:340m像元大小:9um GSD 大小:6cm,第2章 单幅影像解析基础2-2 中心投影与透视关系,一、中心投影和透视关系中心投影:航片是摄区地面的中心投影。,平行投影:可分为斜投影和正射投影,测量中,地面与地形图的关系属于正射投影。地形图上任意两点间的距离与相应地面点的水平距离之比为一常数,等于该地形图的比例尺。,正片位
15、置和负片位置:摄影时,物面和像片面在摄影中心的两侧,称为负片位置,称为负片。,将负片绕像主点旋转180度,再将它沿摄影方向移动到投影中心下方,并位于对称的位置,则各像点仍落在相应的射线上。航片处在负片位置与正片位置,几何特性保持不变。所有今后在讨论问题时,即可采用负片位置,也可采用正片位置。,二、透视变换中的点、线、面,1、像片平面P2、地面E3、主垂面,1、摄影中心S像面上:2、像主点o3、像底点n4、等角点c5、主合点i,地面上:6、地底点N,1、摄影机主光轴So2、主纵线vv3、主横线hoho,4、基本方向线VV5、透视轴TT6、合线hihi,1、像片倾角即oSn2、摄影机主光轴f,即S
16、o,三、透视变换中的点、线、面为了研究物和像之间的透视变换关系,建立空间概念,常需要作出直观的透视图,作出实物在像片上的构像。迹点:物面上直线与透视轴的交点,也叫二重点,透视轴上的点既是物点,又是像点。合点:地面上有一组平行线,由投影中心S作这组线的平行直线线,它与像面的交点就是这组平行线在无穷远处的交点的构像,这些像点就是合点。平行基本方向线的平行线的像点就是主合点。,透视变换作图的基本原则:1、确定迹点。物面上直线与透视轴的交点。2、确定合点。过投影中心作物面上直线的平行线与合线的交点。3、确定线段端点的中心投影。4、确定线段的中心投影。,实例1:已知地面E上有A点,求对应的像点。,S,A
17、,a,2)主合点i;,3)得到像点a。,1)求二重点t1;,实例2:已知地面E上有直线AB,求AB的构像。,S,i1,i,a,b,1)找二重点,2)找合点i1,3)连t1i1与SA,交点为a,连t1i1与SB,交点为b,实例3:垂直地面点、线的构像,S,i,1)在E面上的垂足点B,按E面上点的作图方式确定b2)连接nb3)nb与SA的交点为a4)ab为垂直E面上直线AB的像ab,第2章 单幅影像解析基础 2-3 共线方程,一、摄影测量常用的坐标系像方坐标系有:像平面坐标系o-xy;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A-XpYpZp;物空间坐标系O-X
18、tYtZt。,1、像平面坐标系o-xy以像主点o为原点,x、y轴分别与框标坐标系的x、y轴平行。框标坐标系:以框标连线的交点为原点,x轴与航线方向一致。,2、像空间坐标系S-xyz是一种过渡坐标系,用来表示像点在像方空间的位置。它以摄影中心S为坐标原点,摄影机的主光轴为z轴,像空间坐标系的x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行,构成右手坐标系。,在这个坐标系中像点的z坐标都等于-f,显然每张航片的像空间坐标系是独立的。,3、像空间辅助坐标系S-XYZ是一种过渡坐标系,它以摄影中心S为坐标原点。在航空摄影测量中通常以铅垂方向为Z轴,也可取某一竖直方向,取航线方向为X轴,构成右手系。,4、摄影测
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