单幅影像解析基础课件.pptx

1、主要内容：主要内容：1、空中摄影的基本知识、空中摄影的基本知识2、中心投影与透视变换、中心投影与透视变换3、共线方程、共线方程4、航片的像点位移与比例尺、航片的像点位移与比例尺5、单幅影像解析基础、单幅影像解析基础第第2 2章章 单幅影像解析基础单幅影像解析基础2-1 2-1 空中摄影的基本知识空中摄影的基本知识一、摄影原理一、摄影原理摄影原理：摄影原理：根据小孔成像原理，用摄影物镜代替小根据小孔成像原理，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。影物镜后聚焦于感光材料上，得到地面的影像。摄

2、影物镜：摄影物镜：摄影物镜是一个复杂的光学系统，被摄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，即为物镜的组合而成，诸透镜的光轴应重合为一，即为物镜的主光轴。主光轴。如图，如图，ABAB为物方光线，为物方光线，abab为像方光线，为像方光线，S S和和SS称为物方主点和像方主称为物方主点和像方主点。点。物镜的成像公式：物镜的成像公式：由光学成像公式知由光学成像公式知, ,它表明，一个物点发出的所有

3、投影光线，经理想物它表明，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。镜后所有对应的折射光线仍会聚于一个像点上。物距为物距为D的物体经透镜后，要获得清晰的光学影像，的物体经透镜后，要获得清晰的光学影像，相距相距d应满足上述成像公式。应满足上述成像公式。111DdF称为影像比例尺。称为影像比例尺。1dmD成像公式也可变形为：成像公式也可变形为：由公式可知：由公式可知：a、当物距相同时，用长焦距可得到较大的影像，、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。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，欲得到大小相同的像，在物

4、距大时用长焦距，物距较小时用短焦距。物距较小时用短焦距。(1)(1 1/)DFmdFm物镜的光圈和光圈号数：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。常在物镜中间设置一个光圈。光圈示意图光圈示意图通常将光圈放置在物镜的透镜组之间，起着控制通常将光圈放置在物镜的透镜组之间，起着控制光束柱面的真实光圈孔径，称为有效孔径光束柱面的真实光圈孔径，称

5、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，也就是与有与进入光束柱面断面的面积成正比，也就是与有效孔径效孔径d的平方成正比，与物镜焦距的平方成正比，与物镜焦距F的平方成反的平方成反比。因此将比。因此将d与与F之比作为控制影像亮度的一个因之比作为控制影像亮度的一个因素，称为素，称为相对孔径相对孔径。相对孔径通常小于相对孔径通常小于1，使用相对孔径的倒数更为方，使用相对孔径的倒数更为方便，称为便，称为光圈号数光圈号数K=F/d。焦面上影像的亮度与光。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圈

6、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数配以曝光时间就能得到一定的曝光量H=Et。摄影时取摄影时取E1和和t1得到最恰当的曝光量得到最恰当的曝光量H，那么当曝，那么当曝光时间取光时间取t2时，要得到相同的曝光量，则有：时，要得到相同的曝光量，则有：H=E1t1=E2t2，则有：，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：因为影像的亮度与光圈号数的平方成反比，即：E1/E2=K22/K12，则：，则：t2/t1=(k2/k1)2。这样曝光时间。这样曝光时间改变为一倍，则相应的曝光时间之比应为改变为一倍，则相应的曝光时间之比应为 倍。

7、倍。所以在摄影机上曝光时间的分划尺注记是按倍数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改变的，而光圈上所标志的光圈号数的排列顺序是以是以 为公比等比级数排列。为公比等比级数排列。22景深和无穷远起点：景深和无穷远起点：当摄取物距为当摄取物距为D的物点的物点A时，时，在像距为在像距为d才能得到清晰的像点才能得到清晰的像点a。物距大于或小。物距大于或小于于D的景物如的景物如B和和C，在像面上的构像将是模糊圆。，在像面上的构像将是模糊圆。由于人眼分辨能力有限，当模糊圆的直径由于人眼分辨能力有限，当模糊圆的直径小到一小到一定程度时，人眼看起来仍是一个清晰的点

8、。这样定程度时，人眼看起来仍是一个清晰的点。这样摄影时虽然对光于摄影时虽然对光于A，但在远景点，但在远景点B和近景点和近景点C之间这一段的所有之间这一段的所有景物，在像面上仍景物，在像面上仍可获得清晰的影像。可获得清晰的影像。把摄影对光调焦于把摄影对光调焦于D时远景点时远景点B和近景和近景点点C之间的纵深间之间的纵深间距，称为距，称为景深景深。计算景深的公式为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。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，即较小的相对孔摄影时通常取

9、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。不很准确时，仍可获得清晰影像。2422()()K FDD FFKD当物镜对光于无穷远，像距几乎等于物镜的焦距，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，这时设物距为远景点为无穷远处，这时设物距为D的某点在像面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晰的构

10、像。在焦面上能构成清晰影像的最近物距称为称为无穷远起点无穷远起点，它随光圈号数等而定。，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。离，即得景深范围。摄影机快门：摄影机快门：用来控制曝光时间的相机装置，快用来控制曝光时间的相机装置，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

11、值是以套环，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，如秒为单位的曝光时间倒数，如2表示表示0.5秒。秒。快门速度快门速度二、航空摄影机二、航空摄影机1 1、光学摄影机：、光学摄影机：要求要求物镜畸变差小、分辨率高和透光性强，机械物镜畸变差小、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。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。变的值，几乎等于摄影物镜的焦距。获取的是光获取的是光学模拟影像。学模拟影像。光学航空摄影机产生的影像为正方形，大小通常为光

12、学航空摄影机产生的影像为正方形，大小通常为18cm18cm、23cm23cm和和30cm30cm。框标框标框标位于每边中点的称为框标位于每边中点的称为机械框标机械框标，位于四角的，位于四角的为为光学框标光学框标。光学航片可以同时具有。光学航片可以同时具有8个框标。个框标。框标的连线都要正交，交点与主光轴和像平面的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。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影机物镜后节点到像

13、片主点的垂距称为摄影机主摄影机主距距，也叫，也叫像片主距像片主距，用，用f表示。表示。由于制造技术上的误差，框标坐标系原点与像主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点不完全重合，主点在框标坐标系中的坐标不为零，用为零，用为x0、y0。内方位元素内方位元素将将f 、x0、y0称为像片或摄影机的内方位元素。内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。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：航空摄影机按物镜的焦距和像场角可分为：短焦距航摄机：短焦

14、距航摄机：焦距焦距F100中焦距航摄机：中焦距航摄机：150mmF300mm， 像场角像场角 702300mm， 像场角像场角2702 2、数码航空摄影机、数码航空摄影机数码航空摄影机在数码航空摄影机在20002000年年ISPRSISPRS大会上出现，目前大会上出现，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，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。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

15、和线阵航空数码相机。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单面阵航空数码相机通常获取的是彩色影像，像幅为通常获取的是彩色影像，像幅为4k4k* *4k4k或或3k3k* *4.5k4.5k，影像的地面分辨率较高，相机无框标，像元行列排影像的地面分辨率较高，相机无框标，像元行列排列规则。下表是美国列规则。下表是美国EQ-90mm-CLREQ-90mm-CLR相机的有关参数相机的有关参数相机名称相机名称EQ-90mm-CLREQ-90mm-CLR相机焦距相机焦距91.729mm91.729mm像幅尺寸像幅尺寸3.69cm3.69cm3.69cm3.69cm视场角视场角30.5

16、30.5像元行列数像元行列数4096409640964096校准精度校准精度RMSE0.5RMSE0.5像素像素数据格式数据格式TIFFTIFF影像类型影像类型8bit8bit全色影像全色影像多面阵航空数码相机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。代表性的产品有阵合成的。代表性的产品有DMCDMC。DMCDMC有有4 4台黑白全台黑白全色相机和色相机和4 4台多光谱相机组成，相机之间倾斜安置，台多光谱相机组成，相机之间倾斜安置，获得的获得的4 4幅影像之间有一定的重叠，最后提供给用幅影像之间有一定的重叠，最后提供给用

17、户的是经过纠正和拼接的影像。户的是经过纠正和拼接的影像。相机名称相机名称DMCDMC相机焦距相机焦距120mm120mm像元大小像元大小1212像幅尺寸像幅尺寸16cm16cm* *9cm9cm单像元行列数单像元行列数全色全色7K7K4K,4K,多光谱多光谱3K3K* *2K2K拼接后影像大小拼接后影像大小768076801382413824三线阵航空数码相机三线阵航空数码相机ADS40ADS40ADS40ADS40数字航摄仪是按线阵式扫描成像设计的。数字航摄仪是按线阵式扫描成像设计的。 它有它有3 3组全色波段的组全色波段的CCDCCD阵列，波段范围是阵列，波段范围是465465680nm6

18、80nm，按前视、下视和后视安置，每组都有，按前视、下视和后视安置，每组都有1200012000个像素并行排列，每个像元大小为个像素并行排列，每个像元大小为6.56.5。ADS40ADS40有有4 4个多光谱个多光谱CCDCCD，其中蓝色波段，其中蓝色波段430430-490nm490nm，绿色波段绿色波段535-585nm535-585nm，红色波段，红色波段610610-60nm，红外波，红外波段段835-885nm，每个都是，每个都是12000个像素。个像素。ADS40的焦距标定为的焦距标定为62.5mm，每个，每个CCD在旁向上的视场在旁向上的视场角角64度。度。ADS40ADS40能

19、够为每一条航带连续获取不同投影方向的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。可以构成立体像对。我国的数码航摄仪我国的数码航摄仪SWDCSWDCSWDCSWDC数字航摄仪是我国研制出的具有知识产权的第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。一台数字航摄仪，由北京四维远见开发而成。相机名称相机名称SWDCSWDC相机焦距相机焦距50mm/80mm50mm/80mm像元大小像元大小6.86.8拼接后影像大小拼接后影像大小14.5k14.5k10.2k/ 10

20、.2k/ 14k14k11k11k三、空中摄影三、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，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，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。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，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

21、由于飞机的稳定性和摄影操作的技能限面。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斜角应小于2 23，这种摄影称为竖直摄影，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。摄影和独立地块航空摄影。摄影比例尺：摄影比例尺：航片上一线段与相应地面线段长度之航片上一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。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比例尺

22、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。的变化要有一定的限制范围。fH当把航片当作水平，当把航片当作水平，地面取平均高程时，地面取平均高程时，摄影比例尺可表示为：摄影比例尺可表示为：1/m=f/H1/m=f/H。平常所说的比例尺也平常所说的比例尺也是一个平均比例尺。是一个平均比例尺。对相机来说对相机来说f f是固定值，因此影响摄影比例尺的主是固定值，因此影响摄影比例尺的主要因素是航高要因素是航高H H。飞行中航高的差异不得大于。飞行中航高的差异不得大于5 5，同一航带内最大航高与最小

23、航高之差要小于同一航带内最大航高与最小航高之差要小于3030米，米，实际航高与设计航高之差要小于实际航高与设计航高之差要小于5050米。米。机场航高：机场航高：摄影瞬间飞机相对于飞机场的航高；摄影瞬间飞机相对于飞机场的航高；摄影航高：摄影航高：相对于摄区平均高程基准面的航高；相对于摄区平均高程基准面的航高；真实航高：真实航高：相对于某地面点的相对航高；相对于某地面点的相对航高；绝对航高：绝对航高：相对于平均海水面的航高。相对于平均海水面的航高。摄影比例尺的选择：摄影比例尺的选择：摄影比例尺的选取要以成图比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。例尺、摄影测量成图

24、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。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。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，即当确定相机和摄影比例尺后，即f和和H为已知，就可为已知，就可按按H=fm来计算航高了。来计算航高了。成图比例尺成图比例尺摄影比例尺摄影比例尺航摄计划用图航摄计划用图1：5001：20001：300

25、01：1万1：10001：40001：60001：1万或1：2.5万1：20001：80001：1.2万1：2.5万或1：5万1：50001：1万1：2万1：100001：2万1：4万1：250001：2.5万1：6万1：10万或1：25万1：500001：3.5万1：8万1：1000001：6万1：10万航空摄影比例尺和成图比例尺可参照下表：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：摄站和摄影基线：曝光瞬间摄影物镜点所处的位置曝光瞬间摄影物镜点所处的位置叫摄站，用叫摄站，用S S表示。航向上相邻两摄站之间的距离表示。航向上相邻两摄站之间的距离叫叫摄影基线摄影基线，用，用B B表示

26、。表示。航向重叠与旁向重叠：航向重叠与旁向重叠：为了便于立体测图及航线间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，而且还要求像片接边，航片不仅要覆盖整个测区，而且还要求像片之间有一定的重叠度。同一条航线内的影像重叠称之间有一定的重叠度。同一条航线内的影像重叠称为为航向重叠航向重叠，航向重叠度一般要求在，航向重叠度一般要求在6060以上。以上。在航向上必须要有三度重叠部分，这是立体观测和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。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为了进行航带连接，相邻航带之间也要求

27、有一定重叠，称为航向重叠，旁向重叠要求在叠，称为航向重叠，旁向重叠要求在1530-1-1LyPy第一条航带第一条航带第二条航带第二条航带设像片边长为设像片边长为l，其相应被摄地面的实际长度为，其相应被摄地面的实际长度为L，航向重叠度为航向重叠度为Px，则：，则：B=L(1-Px)，又由于，又由于l/L=f/H=1/m，则，则B=lm (100-Px) /100当选定相机和摄影比例尺后，就可算出航高当选定相机和摄影比例尺后，就可算出航高H，当，当确定航向重叠后，就可计算出基线确定航向重叠后，就可计算出基线B，再根据飞行，再根据飞行速度确定曝光时间间隔。速度确定曝光时间间隔。航带弯曲：航带弯曲：指

28、航带两端像片主点之间的直线距离指航带两端像片主点之间的直线距离L L与偏离该直线最远的像主点到该直线垂距与偏离该直线最远的像主点到该直线垂距的比，的比，一般用百分数表示：一般用百分数表示：R%=R%=100%/L100%/L。像片倾角：像片倾角：摄影瞬间摄影机主光轴与铅垂方向夹角。摄影瞬间摄影机主光轴与铅垂方向夹角。像片旋偏角：像片旋偏角：相邻两像片的主点连线与像幅沿航带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。一般要求小于飞行方向的两框标连线之间的夹角。一般要求小于6 6度，不能连续度，不能连续3 3片超过片超过6 6度。度。A铅垂线铅垂线摄影机主光轴摄影机主光轴相机类

29、型：相机类型：SWDC-4SWDC-4比比 例例 尺：尺：1 1：500500相机焦距：相机焦距：50mm50mm相对航高：相对航高：340m340m像元大小：像元大小：9um 9um GSD GSD 大小：大小：6cm6cm第第2 2章章 单幅影像解析基础单幅影像解析基础2-2 2-2 中心投影与透视关系中心投影与透视关系一、中心投影和透视关系一、中心投影和透视关系中心投影：中心投影：航片是摄区地面的中心投影。航片是摄区地面的中心投影。平行投影：平行投影：可分为斜投影和正射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。测量中，地面与地形图的关系属于正射投影。地形地形图上任

30、意两点间的距离与相应地面点的水平距离之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。比为一常数，等于该地形图的比例尺。正片位置和负片位置：正片位置和负片位置：摄影时，物面和像片面在摄摄影时，物面和像片面在摄影中心的两侧，称为影中心的两侧，称为负片位置负片位置，称为负片。，称为负片。将负片绕像主点旋转将负片绕像主点旋转180度，再将它沿摄影方向移度，再将它沿摄影方向移动到投影中心下方，并位动到投影中心下方，并位于对称的位置，则各像点于对称的位置，则各像点仍落在相应的射线上。仍落在相应的射线上。航片处在负片位置与正片航片处在负片位置与正片位置，几何特性保持不变。位置

31、，几何特性保持不变。所有今后在讨论问题时，所有今后在讨论问题时，即可采用负片位置，也可即可采用负片位置，也可采用正片位置。采用正片位置。二、透视变换中的点、线、面二、透视变换中的点、线、面1 1、像片平面、像片平面P P2 2、地面、地面E E3 3、主垂面、主垂面1 1、摄影中心、摄影中心S S像面上：像面上：2 2、像主点、像主点o o3 3、像底点、像底点n n4 4、等角点、等角点c c5 5、主合点、主合点i i地面上：地面上：6 6、地底点、地底点N N1 1、摄影机主光轴、摄影机主光轴SoSo2 2、主纵线、主纵线vvvv3 3、主横线、主横线h ho oh ho o4、基本方向

32、线、基本方向线VV5、透视轴、透视轴TT6、合线、合线hihi1、像片倾角、像片倾角即即oSnoSn2、摄影机主光轴、摄影机主光轴f，即，即So2sin2onf tgocf tgoif ctgfSiciONHtgCNHtg三、透视变换中的点、线、面三、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，作出实物在像片上念，常需要作出直观的透视图，作出实物在像片上的构像。的构像。迹点：迹点：物面上直线与透视轴的交点，也叫二重点，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。透视轴上的点既

33、是物点，又是像点。合点：合点：地面上有一组平行线，由投影中心地面上有一组平行线，由投影中心S作这组作这组线的平行直线线，它与像面的交点就是这组平行线线的平行直线线，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，这些像点就是在无穷远处的交点的构像，这些像点就是合点合点。 平行基本方向线的平行线的像点就是平行基本方向线的平行线的像点就是主合点主合点。透视变换作图的基本原则：透视变换作图的基本原则：1 1、确定迹点。物面上直线与透视轴的交点。、确定迹点。物面上直线与透视轴的交点。2 2、确定合点。过投影中心作物面上直线的平行线、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。与合线的交点

34、。3 3、确定线段端点的中心投影。、确定线段端点的中心投影。4 4、确定线段的中心投影。、确定线段的中心投影。实例实例1 1：已知地面：已知地面E E上有上有A A点，求对应的像点。点，求对应的像点。PvvttSAt1iaE二重点主合点2）主合点）主合点i； 3）得到像点）得到像点a。1）求二重点）求二重点t1；实例实例2 2：已知地面：已知地面E E上有直线上有直线ABAB，求，求ABAB的构像。的构像。EVVSPhihii1ittavvABt1b1）找二重点）找二重点2）找合点）找合点i13）连）连t1i1与与SA,交点为交点为a，连连t1i1与与SB，交点为，交点为b实例实例3 3：垂直

35、地面点、线的构像：垂直地面点、线的构像SBAT1ibnavvvvTTEP1 1）在）在E E面上的垂足点面上的垂足点B B，按，按E E面上面上点的作图方式确定点的作图方式确定b b2 2） 连接连接nbnb3 3） nbnb与与SASA的交点为的交点为a a4 4）abab为垂直为垂直E E面上直线面上直线ABAB的像的像abab第第2 2章章 单幅影像解析基础单幅影像解析基础 2-3 2-3 共线方程共线方程一、摄影测量常用的坐标系一、摄影测量常用的坐标系像方坐标系有：像方坐标系有：像平面坐标系像平面坐标系o-xy；像空间坐标系；像空间坐标系S-xyz；像空间辅助坐标系；像空间辅助坐标系S

36、-XYZ。物方坐标系：物方坐标系：摄影测量坐标系摄影测量坐标系A-XpYpZp； 物空间坐标系物空间坐标系O-XtYtZt。1 1、像平面坐标系、像平面坐标系o-xyo-xy以像主点以像主点o o为原点，为原点，x x、y y轴分别与框标坐标系的轴分别与框标坐标系的x x、y y轴平行。轴平行。框标坐标系：框标坐标系：以框标连线的交点为原点，以框标连线的交点为原点，x x轴与航轴与航线方向一致。线方向一致。PxyoxyPxyoxy2 2、像空间坐标系、像空间坐标系S-xyzS-xyz是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位是一种过渡坐标系，用来表示像点在像方空间的位置。它以摄影中心置。它以

37、摄影中心S S为坐标原点，摄影机的主光轴为坐标原点，摄影机的主光轴为为z z轴，像空间坐标系的轴，像空间坐标系的x x、y y轴分别与像平面坐标轴分别与像平面坐标系的系的x x、y y轴平行，构成右手坐标系。轴平行，构成右手坐标系。在这个坐标系中像点的在这个坐标系中像点的z z坐坐标都等于标都等于-f-f，显然每张航片，显然每张航片的像空间坐标系是独立的。的像空间坐标系是独立的。3 3、像空间辅助坐标系、像空间辅助坐标系S-XYZS-XYZ是一种过渡坐标系，它以摄影中心是一种过渡坐标系，它以摄影中心S S为坐标原点。为坐标原点。在航空摄影测量中通常以铅垂方向为在航空摄影测量中通常以铅垂方向为Z

38、 Z轴，也可取轴，也可取某一竖直方向，取航线方向为某一竖直方向，取航线方向为X X轴，构成右手系。轴，构成右手系。4 4、摄影测量坐标系、摄影测量坐标系A-XA-Xp pY Yp pZ Zp p是一种过渡坐标系，用来描述摄影测量过程中模是一种过渡坐标系，用来描述摄影测量过程中模型点的坐标。它通常以地面上某一点型点的坐标。它通常以地面上某一点A A为坐标原为坐标原点，它的坐标轴与像空辅平行。点，它的坐标轴与像空辅平行。5 5、地面坐标系、地面坐标系O-XO-Xt tY Yt tZ Zt t测绘中使用的是大地坐标系，属左手系。它的测绘中使用的是大地坐标系，属左手系。它的X Xt t轴轴指向正北方向

39、，与大地测量中的高斯平面坐标系相指向正北方向，与大地测量中的高斯平面坐标系相同，高程系为我国黄海高程系为基准。同，高程系为我国黄海高程系为基准。二、影像的内外方位元素二、影像的内外方位元素1 1、内方位元素：、内方位元素：确定摄影机的镜头中心相对于影确定摄影机的镜头中心相对于影像位置关系的参数。内方位元素包括像位置关系的参数。内方位元素包括像主点在像片像主点在像片框标坐标系中的位置位置框标坐标系中的位置位置x0、y0和摄影主距和摄影主距f。 像片的内方位元素通常是已知的，在航空摄影机的像片的内方位元素通常是已知的，在航空摄影机的鉴定表中有记载。鉴定表中有记载。2、外方位元素、外方位元素确定摄影

40、瞬间摄影机或航片的空间位置和姿态的确定摄影瞬间摄影机或航片的空间位置和姿态的参数称为像片的外方位元素。参数称为像片的外方位元素。一幅影像的外方位元素一幅影像的外方位元素包括包括6 6个参数，其中个参数，其中3 3个个是线元素，用来描述摄是线元素，用来描述摄影中心影中心S S在某物方空间坐在某物方空间坐标系的位置标系的位置X XS S、Y YS S和和Z ZS S；另外，另外，3 3个是角元素，用个是角元素，用于描述影像面在摄影瞬于描述影像面在摄影瞬间的空中姿态。间的空中姿态。XYZApSXsYsZs3个角元素中的个角元素中的2个用以确定摄影机主光轴在空间的个用以确定摄影机主光轴在空间的方向，另

41、一个角元素确定像片在像平面内的方位。方向，另一个角元素确定像片在像平面内的方位。a、以、以Y轴为主轴的轴为主轴的 -系统系统航向倾角航向倾角 ：是是SoSo在在XZXZ面上的面上的投影同投影同Z Z轴之间的夹角。轴之间的夹角。旁向倾角旁向倾角：是摄影方向同它是摄影方向同它在在XZXZ平面的投影之间的夹角。平面的投影之间的夹角。像片旋角像片旋角：SOSOx xO O平面在像片平面在像片面上的交线与面上的交线与y y轴之间的夹角。轴之间的夹角。外方位的外方位的3 3个角元素也可看作是摄影机主轴从起始个角元素也可看作是摄影机主轴从起始的铅垂方向绕坐标系按某种次序连续旋转所形成的。的铅垂方向绕坐标系按

42、某种次序连续旋转所形成的。假定摄影机主光轴铅垂，像片水平，且假定摄影机主光轴铅垂，像片水平，且x x、y y轴与地轴与地面坐标系平行，而实际摄影机主光轴不可能铅垂，面坐标系平行，而实际摄影机主光轴不可能铅垂，像片也不可能水平，像片的实际摄影姿态可认为是像片也不可能水平，像片的实际摄影姿态可认为是从理想姿态绕三个坐标轴依次旋转三个角度后所得。从理想姿态绕三个坐标轴依次旋转三个角度后所得。由上述可知，理想的姿态坐标实际就是像空辅坐标，由上述可知，理想的姿态坐标实际就是像空辅坐标，上述旋转的过程实际上就是由像空辅坐标旋转到像上述旋转的过程实际上就是由像空辅坐标旋转到像空间坐标。这样外方位角元素就将像

43、空间坐标和像空间坐标。这样外方位角元素就将像空间坐标和像空辅坐标联系起来了。空辅坐标联系起来了。首先首先S-XYZS-XYZ绕绕Y Y轴旋转轴旋转角到角到 S-XS-XYZYZ。此时。此时Z Z轴与轴与SOSOx x重合。重合。S-XS-XYZYZ绕绕X X轴旋转轴旋转角到角到 S-XS-XY YZ Z。此时。此时Z Z旋转到旋转到SOSO位置。位置。S-XS-XY YZ Z绕绕Z Z旋转旋转角到像角到像空间坐标系空间坐标系S-xyzS-xyz。和和唯一确定主光轴的方唯一确定主光轴的方向，向，确定像片面内的姿态。确定像片面内的姿态。b、以、以X轴为主轴的轴为主轴的- -系统系统旁向倾角旁向倾角

44、：是摄影机主光轴是摄影机主光轴在在YZYZ平面的投影与平面的投影与Z Z轴的夹角。轴的夹角。航向倾角航向倾角 ：是是SoSo同它在同它在YZYZ面面上的投影之间的夹角。上的投影之间的夹角。像片旋角像片旋角：SOSOy yO O平面在像片平面在像片面上的交线与面上的交线与x x轴之间的夹角。轴之间的夹角。首先首先S-XYZS-XYZ绕绕X X轴旋转轴旋转角到角到S-XYS-XYZ Z。此时。此时Z Z轴与轴与SOSOy y重合。重合。S-XYS-XYZ Z绕绕Y Y轴旋转轴旋转角到角到S-S-X XY YZ Z。此时。此时Z Z旋转到旋转到SOSO位置。位置。S-XS-XY YZ Z绕绕Z Z旋

45、转旋转角到像空角到像空间坐标系间坐标系S-xyzS-xyz。和和唯一确定主光轴的方唯一确定主光轴的方向，向，确定像片面内的姿态。确定像片面内的姿态。c、以、以Z轴为主轴的轴为主轴的A-系统系统方位角方位角A A：主垂面的方位角，主垂面的方位角，亦即基本方向线与亦即基本方向线与Y轴之间的轴之间的夹角。夹角。像片倾角像片倾角：是摄影方向是摄影方向SOSO同同铅垂线之间的夹角。铅垂线之间的夹角。像片旋角像片旋角：主垂面与像片主垂面与像片面的交线同像平面坐标系面的交线同像平面坐标系y y轴轴之间的夹角。之间的夹角。S-XYZS-XYZ绕绕Z Z轴旋转轴旋转A A角到角到S-XS-XY YZ Z。此时此

46、时SYZSYZ旋转到主垂面内。旋转到主垂面内。S-XS-XY YZ Z绕绕X X轴旋转轴旋转角到角到S-S-X XY YZ Z。此时。此时Z Z旋转到旋转到SOSO位置。位置。S-XYZ绕绕Z Z旋转旋转角到像空角到像空间坐标系间坐标系S-xyzS-xyz。A和和唯一确定主光轴的方向，唯一确定主光轴的方向，确定像片面内的姿态确定像片面内的姿态三、空间直角坐标系的旋转变换三、空间直角坐标系的旋转变换由高等数学可知，一个坐标系按某种顺序依次地旋由高等数学可知，一个坐标系按某种顺序依次地旋转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系，这转三个角度即可变换为另一个同原点的坐标系，这就是空间直角坐标的变换。

47、就是空间直角坐标的变换。由前面知识可知，像空辅坐标系经过由前面知识可知，像空辅坐标系经过3 3个外方位角个外方位角元素可旋转到像空间坐标系，这样就可以建立像空元素可旋转到像空间坐标系，这样就可以建立像空间坐标与像空辅坐标时间的解析关系。间坐标与像空辅坐标时间的解析关系。设像点设像点a a在像空间坐标系中的坐标为在像空间坐标系中的坐标为(x,y,-f)(x,y,-f)，在，在像空辅坐标中的坐标为像空辅坐标中的坐标为(X,Y,Z)(X,Y,Z)，两者之间的正交，两者之间的正交变换关系为：变换关系为：111222333XXYYZZTxabcyabcRfabc123123123XYZaaaxxbbby

48、Rycccff式中式中R R是一个是一个3 3* *3 3的正交矩阵，的正交矩阵，RRT=E，RT=R-1。有：有：a、同一行（列）的各元素平方和为、同一行（列）的各元素平方和为1。b、任意两行（列）的对应元素乘积之和为、任意两行（列）的对应元素乘积之和为0。c、旋转矩阵的行列式为、旋转矩阵的行列式为1。d、每个元素的值等于其代数余子式。、每个元素的值等于其代数余子式。f、每个元素的值为变换前后两坐标轴相应夹角的、每个元素的值为变换前后两坐标轴相应夹角的余弦。余弦。123123123XYZaaaxbbbycccz 123123123coscoscoscoscoscoscoscoscosaaaX

49、xXyXzbbbYxYyYzcccZxZyZz对于对于夹角夹角XYZX9090- Y90090Z90+90XZX Z S1 1、当取、当取Y Y轴为主轴时，像空辅经过轴为主轴时，像空辅经过、三三个角度旋转，得到像平面坐标系：个角度旋转，得到像平面坐标系：a、S-XYZ绕绕Y轴旋转轴旋转角，得到角，得到S-XYZ：Xcos0sinY010Zsin0cosXXYRYZZb b、S-XYZ绕绕X X轴旋转轴旋转角，得到角，得到S-XYZYZYZS夹角夹角XYZX 09090Y 9090+Z 9090-1000cossin0sincosXXXYYRYZZZ夹角夹角xYzX90+ 90Y90- 90Z9

50、0900cossin0sincos0001XxxYyRyZzz XYySxc c、S-X YZ绕绕Z旋转旋转角，得到角，得到S-xyzS-xyz坐标坐标将将c c、b b中的变换带入中的变换带入a a中，可得：中，可得：cos0sin1000100cossinsin0cos0sincoscossin0111sincos0222001333XxYR R RyZfxabcxyabcyfabcf最后得到旋转矩阵最后得到旋转矩阵R R中的各元素为：中的各元素为：a a1 1 = cos = coscos cos sin sinsinsinsinsina a2 2 = -cos = -cossin si