数字摄影测量实验指导书.docx

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数字摄影测量实验指导书

《数字摄影测量实验》指导书

一、实验目的和任务

“数字摄影测量实验”是摄影测量与遥感专业的一门重要专业课。

数字摄影测量实验是一个综合性很强的操作过程，它是对摄影测量课程中所学摄影测量及相关专业的综合应用。

该实验课应用VirtuoZo系统来完成。

通过该实验课了解摄影测量的生产流程，并掌握摄影测量的专业技能（立体观测），制作出符合生产要求的4D产品：

数字高程模型（DigitalElevationModel，缩写DEM）；数字正射影像图（DigitalOrthophotoMap，缩写DOM）；数字线划地图（DigitalElevationModel，缩写DLG）；数字栅格地图（DigitalRasterGraphic，缩写DRG）。

结合实验，消化和理解课堂所学理论知识，增强学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

二、实验基本要求

⒈了解数字摄影测量的生产流程和对数字摄影测量系统的认识，了解VirtuoZoNT系统的运行环境及软件模块的操作特点，了解实验工作流程；

⒉掌握内定向、相对定向、绝对定向参数解算，沿核线重采样，为后面的立体量测做好准备工作；

⒊熟悉测图、图形编辑；

⒋掌握DEM、正射影像图制作。

5.通过算法实现空间后方交会内容，熟悉Matlab平台，掌握编程语言。

三、计划和安排

实验共16学时，8次课。

共包括两个部分内容：

一是利用VirtuoZoNT系统实现数字摄影测量过程；二是通过Matlab编程完成一个数字摄影测量实验，如空间后方交会、特征点提取、特征线提取等。

第二部分为辅助内容，在完成第一部分内容后可以选择性完成。

具体安排如下：

第一部分：

实验一数字摄影测量工作站工作流程介绍（2学时）

实验二模型定向参数解算（2学时）

实验三影像匹配、匹配编辑（2学时）

实验四DEM获取、拼接（2学时）

实验五DOM获取、拼接（2学时）

实验六自动等高线生成（2学时）

实验七立体测图（2学时）

实验八立体测图（2学时）

第二部分辅助内容：

实验一熟悉Matlab操作平台，了解基本的编程语句

实验二编写代码

四、成绩评定

⒈实验考勤、纪律与表现（50分）；

⒉实验报告质量（50分）；

考核成绩按合格与不合格二级分制评定。

实验一预备知识

数字摄影测量：

由计算机视觉（其核心是影像匹配与识别）代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何物理信息的自动提取。

4d产品生产实验是一个综合性很强的实验，它是对四年本科所学摄影测量及相关专业的综合应用。

该实验在数字摄影测量实验的基础上进行，应用VirtuoZoNT系统来完成。

不仅要求掌握4d生产的基本原理与方法，而且强调摄影测量的专业技能（立体观测），制作出符合生产要求的4d产品。

§1．1目地与要求

本单元实验是通过阅读实验指导书，了解4d的基本概念，了解VirtuoZoNT系统的运行环境及软件模块的操作特点，了解实验工作流程，从而能对4d产品生产实验有个整体概念。

§1．2实验内容

1．2．14d的基本概念

数字高程模型（DigitalElevationModel，缩写DEM）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。

DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。

根据不同的高程精度，可分为不同类型。

为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。

数字正射影像图（DigitalOrthophotoMap，缩写DOM）是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。

它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。

数字线划地图（DigitalElevationModel，缩写DLG）是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。

数字栅格地图（DigitalRasterGraphic，缩写DRG）是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。

每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。

数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。

1．2．2了解VirtuoZoNT系统

VirtuoZoNT系统是武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士研制的全数字摄影测量系统，属世界同类产品的五大名牌之一。

此系统是基于WindowsNT的全数字摄影测量系统，利用数字影像或数字化影像完成摄影测量作业。

由计算机视觉（其核心是影像匹配与影像识别）代替人眼的立体量测与识别，不再需要传统的光机仪器。

从原始资料、中间成果及最后产品等都是以数字形式，克服了传统摄影测量只能生产单一线划图的缺点，可生产出多种数字产品，如数字高程模型、数字正射影像、数字线划图、景观图等，并提供各种工程设计所需的三维信息、各种信息系统数据库所需的空间信息。

VirtuoZoNT不仅在国内已成为各测绘部门从模拟摄影测量走向数字摄影测量更新换代的主要装备，而且也被世界诸多国家和地区所采用。

下面简要介绍一下VirtuoZoNT的运行环境及软件模块等。

（1）运行环境及配置

VirtuoZoNT基于WindowsNT（4.0以上版本）平台运行，基本配置为：

PentiumⅡ300/128MBRAM/9GBHD/20×CDROM；17寸彩色显示器，1024×768分辨率，刷新频率大于100Hz。

另外还应有数字化影像获取装置（例高精度扫描仪）、成果输出设备以及立体观察装置等附属配置。

其中立体观察装置有偏振光、闪闭式、立体反光镜、互补色（红绿镜）等四种。

（2）主要软件模块

解算定向参数、自动空中三角测量、核线影像重采样、影像匹配、生成数字高程模型、制作数字正射影像、生成等高线、制作景观图、DEM透视图、等高线叠加正射影像、基于数字影像的机助量测、文字注记、图廓整饰。

（3）作业方式

自动化与人工干预。

系统在自动化作业状态下运行不须任何人工干预。

人工干预是作为自动化系统的“预处理”与“后处理”，如必要的数据准备、必要的辅助量测等及自动化过尚无法解决的问题。

人工干预不同于单的人工控制操作，而是尽可能达到了半自动化。

1．2．3了解系统目录

·硬盘目录结构简图：

·系统目录说明：

Bin目录：

执行程序目录，存放系统的所有可执行程序及框标模板文件。

Virlog目录：

测区的路径文件（c:

\Virlog\Blocks\<测区名>.blk）

·测区目录说明：

某测区用户目录（在创建一个新Block时，系统以用户所给的测区名自动产生该测区目录），存放该测区所有参数文件及中间结果、成果等。

Images目录：

影像目录，存放VirtuoZo影像文件、影像参数文件、内定向文件、影像外方位元素文件。

模型目录：

系统以所给的模型目录名自动建立（如37_38目录），存放该模型所有信息。

Product目录：

产品目录，存放当前模型所有已生成的产品及输出文件。

TMP目录：

核线影像目录，存放当前单模型的核线影像文件。

1．2．4系统启动

运行bin目录下的VirtuoZoNT.exe程序（或直接选择系统快捷图标），进入VirtuoZoNT系统，屏幕显示本系统主界面，如图1.1所示。

图1.1系统主界面

界面上方是主菜单条，中央为用户区，下方一行显示测区名和模型名。

1．2．54d产品制作流程

根据VirtuoZo制作4d产品的基本工作流程如下：

实验二数据准备

§2．1目的与要求

·掌握创建/打开测区及测区参数文件的设置。

·掌握参数文件的数据录入。

·完成原始数字影像格式的转换。

§2．2实验提示

·原始数字影像即是数字摄影测量所用的原始资料，有数字影像（如卫星影像）和数字化影像（如用模拟的航片经扫描而获得的影像）影像的数据格式有多种（一般常用的有tif格式等）。

这些影像格式VirtuoZoNT系统不能直接引用，必须转换为VirtuoZoNT所认识的vz格式。

·参数文件的设置与基本数据的录入一定要正确，否则将无法进行后继的处理，或者将出现错误。

·创建测区（block）即是为将要进行测量的区域创建一个工作区目录。

一个测区一般由多个相邻的模型所组成。

§2．3实验步骤

一、资料分析

·查看原始数字影像的分辨率、比例尺等。

·查看相机检校参数，及其影像方位、框标的位置等。

·查看地面控制点数据及其点位与分布。

二、创建新测区，设置测区参数文件。

三、相机参数文件的数据录入。

四、地面控制点文件的数据录入。

五、原始影像的数据格式转换。

§2．4实验指导

下面以实验的实例具体说明其步骤与操作。

2．4．1实验测区资料

实验的原始资料是某矿区，名为“hammer”测区，有两条航线，六张影像，可建四个模型，具体如下：

·原始影像的分辨率：

0.045mm；像片比例尺为1：

15000；

·全测区控制点分布（见hammerIndex主页）

·控制点数据（见hammerIndex主页）

·相机数据（见hammerIndex主页）

2．4．2创建一个测区

测区是待处理的航空影像所对应的地面范围（或区域）。

本次实验的测区名为【班级学号】，在VirtuoZoNT主菜单中，选择设置测区参数项，屏幕显示[打开或创建一个测区]文件对话框，输入测区名即【班级学号】，进入测区参数界面，如图2.1所示。

现以测区名为‘hammertest’为例。

图2.1测区参数界面

测区参数输入操作方法如下：

（1）测区目录和文件

·主目录行：

输入测区路径和测区名，即d:

\<班级学号>。

本系统自动在d盘建立名为【班级学号】文件夹。

·控制点文件行：

输入控制点文件名，即d:

\<班级学号>\hammer.grd

·加密点文件行：

输入与上行相同，即d:

\<班级学号>\hammer.grd

·相机检校文件行：

输入d:

\<班级学号>\Rc30<学号后两位>.cmr

注意：

若以上文件已存在，可单击右边的文件查找按钮，查找当前文件。

（2）基本参数

·摄影比例分母：

输入‘15000’；

·航带数：

输入‘2’；

·影像类型：

选择‘摄影测量’；

·成图比例尺：

10000

（3）缺省测区参数

·DEM间隔：

10m

·等高线间距：

5m

·分辨率（DPI）：

254（即正射影像的输出分辨率）

（4）选择【保存】按钮，将测区参数存盘。

其参数文件存放在【班级学号】文件夹中。

2．4．3录入相机参数

相机检校数据用以做内定向计算。

在VirtuoZoNT主菜单中，选择设置相机参数项，屏幕弹出相机参数界面，如图2.2所示（注意：

若新建时，界面中无参数，请输入）。

相机检校文件名是在测区参数中生成的，即‘RC30<学号后两位>.cmr’。

图2.2相机检校参数界面

6,-110.0010.002

7,-0.004110.004

8,109.9970.0000

本次实验的相机数据为：

（见hammerIndex主页）

由上已知资料的相机数据，在输入处双击鼠标左键，将相机数据对应填写到本界面中，如图2.2所示。

选择【确定】按钮，将参数存盘。

2．4．4录入控制点数据

控制点参数用以绝对定向计算。

在VirtuoZoNT主菜单中，选择设置地面控制点项，屏幕显示当前控制点文件，如图2.4所示（注意：

若新建时，界面中无参数，请输入）。

控制点文件名是在测区参数中生成的，即‘hammer.grd’。

图2.4控制点文件界面

控制点数据（见hammerIndex主页）

由上已知资料控制点数据，在输入处双击鼠标左键，将控制点数据依次填写到本界中，如图2.4所示。

选择【确定】按钮，将控制点参数存盘。

2．4．5原始影像的数据格式转换

本次实验所采用的原始资料是由航片经扫描而获得的数字化影像，为tif格式，要转换为vz的格式。

在VirtuoZoNT主菜单中，选择文件引入影像文件项，屏幕显示输入影像对话窗（图2.5）。

图2.5输入影像对话窗

界面参数输入说明：

∙像素大小：

指定影像的像素大小，输入0.0045mm。

∙相机文件：

系统默认值与测区参数中设定的值相同。

∙旋转相机：

输入‘否’。

（1）增加：

添加待转换的文件，在4d实验数据/Hammer/Images-tif目录中选择‘01-155_50mic.tif等6个文件’添加到当前界面中如图2.6。

图2.6

（2）选项：

设置影像转换参数。

选中要转换的文件，单击选项按钮（若只需要修改单个文件的转换参数，可直接在文件列表中双击该文件），可进入转换选项对话框来修改输出文件的属性。

第一条航带相机不旋转，选中列表中第一条航带的3个文件，单击选项按钮，单击输出路径按钮，选择将选中的所有文件都输出到当前文件的输出路径上，如图2.7所示。

图

图2.7

第二条航带相机旋转，选中列表中第二条航带的3个文件，单击选项按钮，输出文件的属性修改后如图2.8所示。

图2.8

最后检查所有文件输出路径一定要在你测区的Images目录中。

输入影像转换窗参数完成后如图2.9所示。

图2.9

处理：

开始影像格式转换。

系统将依次转换列表中的所有文件，并自动生成相应的影像参数文件“<影像名>.spt”。

该文件记录了影像的高、宽、扫描像素大小及相机文件名等信息，次内容单击设置菜单项，系统弹出下拉菜单，单击影像参数项，可查看次信息。

转后的*.vz文件存放在你测区目录下的images分目录中。

退出：

退出输入影像对话框。

实验三制作数字高程模型（DEM）

数据准备完成后，就可进行DEM制作。

DEM制作基本流程如下：

数据准备

生成DEM

§3．1模型定向与核线影像生成

3．1．1目的与要求

·通过对模型定向的作业，了解数字影像立体模型的建立方法及全过程，并能较熟练地应用定向模块进行作业，满足定向的基本精度要求。

·掌握核线影像重采样，生成核线影像对。

3．1．2基本知识

·模型定向分为内定向、相对定向、绝对定向，解算其定向参数：

内定向：

框标自动识别与定位。

利用框标检校坐标与定位坐标计算扫描坐标系与像片坐标系间的变换参数。

相对定向：

利用二维相关，自动在相邻影像上识别同名点（几十至上百个点），计算相对定向参数。

绝对定向：

人工在左（或右）影像上定位控制点，最小二乘匹配同名点，计算绝对定向参数。

·生成核线影像即是形成按核线方向排列的立体影像：

同名核线影像灰度重排，形成核线影像。

3．1．3实验指导

一个测区是由多个模型组成，模型定向要逐个进行。

每个模型定向的作业流程为：

创建新模型->内定向->相对定向->绝对定向。

下面以实验的实例《1157-1156模型》，叙述其整个过程。

每个过程按例1、例2、例3、例4的形式具体说明其步骤与操作。

首先看看下面的作业流程图：

一、创建新模型

新模型是指尚未在当前测区建立目录的模型，作业要从创建模型开始。

在当前测区‘shixi.blk’下，创建《1157-1156模型》。

在系统主菜单中，选择文件→打开模型项，屏幕显示[打开或创建一个模型]文件对话框，输入当前模型名即‘1157-1156’，进入模型参数界面，如图3.1所示。

图3.1-1模型参数界面

其中模型目录、临时文件目录、产品目录均由程序自动产生，同学只需在左影像、右影像栏分别引入左影像名及右影像名。

影像匹配窗口和间距一般相同（其参数为奇数，最小值为5）。

模型参数填写好后，选择保存按钮即可。

二、模型内定向

【例1】对某个测区的某个新模型进行内定向。

作业步骤

对于一个单模型，内定向的步骤如下：

·进入某测区，选择该测区内需要定向的某个模型；

·建立框标模板（若模板已建立，则进入左影像的内定向）；

·左影像内定向；

·右影像内定向；

·退出内定向程序模块。

操作说明

建立框标模板：

当模型打开后，在系统主菜单中，选择处理→定向→内定向项，程序读入左影像数据后，屏幕显示建立框标模板界面，如图3.2-1所示。

图3.1-2框标模板界面

界面右边小窗口为某个框标的放大影像，其框标中心点清晰可见。

界面左窗口显示了当前模型的左影像，若影像的四角的每个框标都有红色的小框围住，框标近似定位成功。

若小红框没有围住框标，则需进行人工干预：

移动鼠标将光标移到某框标中心，单击鼠标左键，使小红框围住框标。

依次将每个小红框围住对应的框标后，框标近似定位成功。

选择界面左窗口下的接受按钮。

左影像内定向：

下一步

框标模板建立完成后，进入内定向界面，如图3.1-3所示。

图3.1-3内定向界面

该界面显示了框标自动定位后的状况。

可选择界面中间小方块按钮将其对应的框标放大显示于右窗口内，观察小十字丝中心是否对准框标中心，若不满意可进行调整。

框标调整有自动或人工两种方式：

自动方式：

选择自动按钮后，移动鼠标在左窗口中的当前框标中心点附近单击鼠标左键，小十字丝将自动精确对准框标中心。

人工方式：

若自动方式失败，则可选择人工按钮，移动鼠标在左窗口中的当前框标中心点附近单击鼠标左键，，再分别选择上、下、左、右按钮，微调小十字丝，使之精确对准框标中心。

注意调整中应参看界面右上方的误差显示，当达到精度要求后，选择保存退出按钮。

右影像内定向：

左影像内定向完成后，程序读入右影像数据，对右影像进行内定向。

具体操作同上。

至此一个新模型的内定向完成。

程序返回系统主界面。

紧接着可进行模型的相对定向。

三、模型相对定向

模型的相对定向主要通过找同名点，来确定两张影像之间的关系。

模型的相对定向、绝对定向和生成核线影像都可以在相对定向界面下完成

【例2】模型的相对定向。

作业步骤

·进入相对定向界面；

·自动相对定向；

·检查与调整；

操作说明

第一步

进入相对定向界面：

在系统主菜单中，选择处理→定向→相对定向项，系统读入当前模型的左右影像数据，屏幕显示相对定向界面，如图3.2-1所示。

图3.1-4相对定向界面

自动相对定向：

单击鼠标右键，弹出菜单，选择自动相对定向，程序将自动寻找同名点，进行相对定向。

完成后，影像上显示相对定向点（红十字丝）。

下一步

检查与调整：

在界面的定向结果窗中显示相对定向的中误差等。

拉动定向结果窗的滚动条可看到所有相对定向点的上下视差。

如某点误差过大，可进行调整（删除或微调）。

删除点：

选中（将光标置于定向结果窗中该点的误差行再点击鼠标左键）要删除的点后，选择界面上的删除点按钮，删除该点。

微调点：

选中（将光标置于定向结果窗中该点的误差行再击鼠标左键）要微调的点后，分别选择界面右下方的左影像或右影像按钮，然后对应按钮上方的两个点位影像放大窗中的十字丝，分别点击向上、向下、向左、向右按钮，使左、右影像的十字丝中心位于同一影像点上。

注意调整中应参看定向结果窗中的误差显示，以保证精度要求。

当达到精度要求后，单击鼠标左键弹出菜单，选择保存，则相对定向完成。

四、模型绝对定向

【例3】普通方式的模型绝对定向。

提示：

普通方式是指控制点的量测在相对定向界面下进行。

作业步骤

·量测控制点

·绝对定向计算

·检查与调整

操作说明

第一步

量测控制点：

在相对定向的界面下，按照控制点的真实地面位置（参见《control_point_image目录》中的图片点位），在影像上逐个量测。

其量测方法一般采用半自动量测，分述如下：

半自动量测：

1）移动鼠标将光标对准左影像上的某个控制点的点位，单击左键弹出该点位放大影像窗。

2）再将光标移至点位放大影像窗，精确对准其点位单击鼠标左键，程序自动匹配到右影像的同名点后，弹出该点位的右影像放大窗以及点位微调窗（如图）。

3）在点位微调窗中可以鼠标左键点击左或右影像的微调按钮，精确调整点位直至满意。

4）在点位微调窗中的点号栏中输入当前所测点的点号，然后选择确定按钮，则该点量测完毕。

此时该点在影像上显示黄色十字丝。

按以上操作依次量测三个控制点后（三个控制点不能位于一条线上），可进行控制点预测：

即单击鼠标右键弹出菜单，选择预测控制点。

随即影像上显示出几个蓝色小圈，以表示待测控制点的近视位置。

然后继续量测蓝圈所示的待测控制点。

下一步

绝对定向计算：

控制点量测完后，单击鼠标右键弹出菜单，选择绝对定向→普通方式，随即在定向结果窗中显示绝对定向的中误差及每个控制点的定向误差。

另弹出控制点微调窗（如图图3.3-1），窗中显示当前控制点的坐标，且设置了立体下的微调按钮。

图3.1-5绝对定向界面

检查与调整：

根据误差显示可知绝对定向的精度如何，若某控制点误差过大，则可进行微调。

其微调方法与步骤如下：

1）在定向结果窗中对某控制点误差行单击鼠标左键，选中该点，弹出该控制点的微调窗。

2）立体影像微调

注意在操作中随时参看定向结果窗中的误差变化，以确保控制点位和计算精度要求。

3）选中另一个需调整的点，进行微调。

4）所需调整的点均完成后，选择控制点微调窗中的确定按钮，程序返回相对定向界面。

至此，绝对定向完成。

五、生成核线影像

【例4】按非水平核线的方式生成核线影像。

提示：

非水平方式的核线重采样是基于模型相对定向结果，遵循核线原理对左右原始影像沿核线方向保持X不变在Y方向进行核线重采样，这样所生成的核线影像保持了原始影像同样的信息量和属性。

作业步骤

·定义作业区；

·生成核线影像；

·退出；

操作说明

定义作业区：

在相对定向界面，单击鼠标右键弹出菜单，选择全局显示，界面显示模型的整体影像，然后再弹出菜单，选择定义作业区，随之将光标移至右影像窗中，置于作业区左边一角点处，按下鼠标左键，然后拖动鼠标朝对角方向移动，当屏幕显示的绿色四边形框符合作业区范围时，停止拖动，松开鼠标左键，则作业区定义好，显示为绿色四边形框。

如果在弹出的菜单中，选择自动定义最大作业区，程序将自动定义一个最大作业区。

生成核线影像：

单击鼠标右键弹出菜单，选择生成核线影像→非水平核线，程序依次对左、右影像进行核线重采样，生成模型的核线影像。

退出：

单击鼠标右键弹出菜单，选择保存，然后再弹出菜单，选择退出，然后回答界面上的提示，程序退出相对定向的界面，回到系统主界面。

以上的四个例子叙述了一个模型的定向与核线影像生成的最基本的作业与操作。

至此，该模型的内定向、相对定向、绝对定向及核线影像生成均已完成。

同样，接着可以建立第二个、第三个····第n个模型。

当每个模型的核线影像生成后，则进行影像匹配计算（见下章节）。

§3．2影像匹配及匹配后的编辑

3．2．1目的与要求

·掌握匹配窗口及间隔的设置，运用匹配模块，完成影像匹配。

·掌握匹配后的基本编辑，能根据等视差曲线（立体观察）发现粗差，并对不可靠区域进行编辑，达到最基本的精度要求。

3．2．2实验提示

·影像匹配是数字摄影测量系统的关键技术，是沿核线一维影像匹配，确定同名点。

其过程是全自动化的。

·匹配窗口及间隔在模型参数中设置（参见实验三内容）。

窗口设置的大，则数据量小，但损失地形细貌；窗口设置的小