数字摄影测量学要点.docx

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数字摄影测量学要点

数字摄影测量复习要点（2016.5）

1、摄影测量发展历程

模拟摄影测量（1851-1970）

模拟摄影测量主要是根据摄影过程的几何反转，反求地面点的空间位置。

它所采用的仪器为光学投影器、机械投影器或光学-机械投影器模拟摄影过程，用光线交会被摄物体的空间位置。

解析摄影测量（1950-1980）

1957年，Helava提出用“数字投影代替”物理投影，数字投影就是利用电子计算机实时的进行共线方程的解算，从而交会出被摄物体的空间位置。

数字摄影测量（1970-现在）

利用数字影像相关技术，实现真正的自动化测图。

Ø数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别：

1）处理的原始信息主要是数字影像；

2）以计算机视觉代替人眼的立体观测。

2、数字摄影测量的任务、特点

主要任务：

使用星载（机载）传感器所获取的可见光影像对地球陆地区域进行信息提取，具体包括：

目标量测、影像解译、地形图测绘、正射影像图制作、数字高程模型生成。

特点：

数据量大、计算机运算速度快、技术精度高。

3、数字摄影测量

定义：

数字摄影测量是利用影像相关技术来代替人眼的目视观测，自动识别同名点，实现几何信息的自动提取。

主要内容：

影像及特征点的识别、同名像点的自动相关和匹配、数字影像纠正技术、数字高程模型（DEM）的制作、数字摄影测量系统的完整操作和测绘产品的生产。

4、计算机辅助测图

计算机辅助测图（又称数字测图）是利用解析测图仪或具有机助系统的模拟测图仪，进行数据采集和数据处理，测绘数字地图，制作数字高程模型，建立测量数据库。

计算机辅助测图系统所处理的依旧是传统像片，且对影像的处理仍然需要人眼的立体量测，计算机则起数据记录与辅助处理的作用，是一种半自动化的方式。

计算机辅助测图是摄影测量从解析化向数字化的过渡阶段。

5、影像的点、线、面特征

点特征主要指明显点，如角点、圆点等。

提取点特征的算子称为兴趣算子或有利算子，即运用某种算法从数字影像中提取我们感兴趣的即有利于某种目的的点。

常用的兴趣算子有Moravec算子、Hannah算子和Forstner算子等。

线特征是指线状或面状地物的边缘在像片上的构像。

线特征提取算子也称边缘检测算子。

边缘检测通常是检测一阶导数（对离散数据为差分）最大或二阶导数（差分）为零的点。

常用检测算子有差分算子、拉普拉斯算子、LOG算子等。

6、影像定向

1）定义

在传统摄影测量中，是将模拟像片放到仪器承片盘进行量测，所量测的像点坐标为影像架坐标或仪器坐标，随后，应基于平面相似变换将仪器坐标变换为以像主点为原点的像平面坐标系坐标，这个变换过程称为影像内定向。

在数字摄影测量中，在扫描数字化时，模拟像片在扫描仪上的放置具有一定的随意性，也就是说，扫描后得到的数字化影像的像素坐标应转换为像平面坐标系坐标，这同样是影像内定向。

（严密内定向还包括透镜畸变改正）

2）如何进行内定向（实例见PDFLec2）

内定向实际上是确定像素坐标（I,J）与像平面坐标（x,y）转换关系——即多项式变换的过程。

一般可采用6参数的仿射变换，其模型为：

为确定ai和bi（i=0,1,2）这6个参数，需要借助影像的框标来解决。

所有框标坐标已知（由相机检定提供），且可通过量测数字影像上所有框标的像素坐标，因此根据这框标上的这两套坐标和最小二乘来求解这6个参数。

7、影像灰度的量化

如把有黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级，灰度值的范围为0-255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。

8、像点位移

当地面起伏、像片倾斜时，地面点在像片上的构像相对理想情况。

9、金字塔影像（分频道相关）

1）定义

对于二维影像逐次进行低通滤波，并增大采样间隔，得到一个像元素总数逐渐变小的影像序列，将这些影像叠置起来像一座金字塔，因而称之为金字塔影像结构。

2）建立

每2×2＝4个像元平均为一个像元构成第二级影像，在第二级影像的基础上构成第三级影像。

3）计算方法

可采用移动平均这种最简单的低通滤波方法，也可以采用较复杂、理想的低通滤波，如高斯滤波等。

4）相关过程

●从粗到精的相关策略：

即先通过低通滤波，进行初相关，找到同名点的粗略位置，然后利用高频信息进行精确相关。

●金字塔影像序列是实现由粗到精相关（匹配）的基础。

●先在最上一层影像进行相关，将其结果作为初值，再在下一层影像相关，最后在原始影像上相关，实现一个从粗到精的处理过程。

10、影像采样

1）相关概念

采样：

指对实际连续函数模型离散化的量测过程。

样点：

被量测的“点”是小的区域，即“像素”。

采样间隔：

采样矩形的大小，一般由扫面分辨率和数码相机的分辨率所确定，也决定了仪器的价格。

重采样：

在遥感和摄影测量中，经常需要对数字化影像进行几何变换，如：

时序遥感影像的空间配准、核线影像的提取、正射影像图生成等。

几何变换后的影像矩阵元素位置一般不与原始数字影像矩阵的元素位置一一对应。

因此，遥感和摄影测量中经常需要基于原始影像矩阵使用局部内插的方法来估计灰度值，即影像重采样。

一幅大小为M×N、灰度级数为G的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为：

M×N×g（bit）。

2）重采样方法

最邻近点法（最简单、计算小、精度差）、双线内插法（最常用）、双三次卷积法（精度高、计算大）

11、影像匹配

影像匹配（又叫影像相关）是利用互相关函数，评价两块影像的相似性以确定同名点。

常用的数字影像匹配算法包括一般匹配、基于物方坐标直接解的匹配、最小二乘匹配与特征匹配。

12、影像灰度

灰度图像指每个像素由一个量化的灰度值来描述的图像。

13、数字高程模型

表达形式：

规则矩形格网、不规则三角网TIN、Grid-TIN混合网。

数据获取方式：

地面测量（利用自动记录的全站仪在野外实测）、现有地图数字化（用数字化仪对已有地图进行数字化的方法，如：

手扶跟踪数字化仪、扫描数字化仪）、空间传感器（利用GPS、合成孔径雷达干涉和激光测高仪等进行数据采集）。

数据采集方式：

1）沿等高线采样:

沿等高线采样可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数据方式进行；

2）规则格网采样：

方法简单、精度较高、作业效率也较高，特征点可能丢失。

内插方法：

局部加权平均法、移动曲面拟合法、多面函数法DEM内插、有限元法DEM内插、克立格内插、整体函数拟合法。

应用：

1）在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图与地图的修测；

2）在遥感中可作为分类的辅助数据，是地理信息系统的基础数据；

3）在军事上可用于导航及导弹制导；

4）在工业上可利用DSM（DigitalSurfaceModel）绘制出表面结构复杂物体的形状。

14、数字正射影像

原理：

数字正射影像是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片/遥感影像（单色/彩色），经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。

定义：

数字正射影像图是对航空（或航天）像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集，它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。

特点及应用：

DOM具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，可作为地图分析背景控制信息，也可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或最新信息,为防治灾害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据；还可从中提取和派生新的信息，实现地图的修测更新（评价其它数据的精度、现实性和完整性都很优良）

15、核线影像

定义：

从原始图像沿核线重采样得到的没有上下视差的图像。

16、数字影像的像方、物方匹配方法与策略

●基于像方的匹配基本算法

影像匹配实质上是在两幅（或多幅）影像之间识别同名点，影像匹配是数字摄影测量（DP）的核心问题之一，也是DP与模拟或解析摄影测量相区别的关键所在。

常用方法有五种：

相关函数（矢量数积）、协方差函数（矢量投影）、相关系数（矢量夹角）、差平方和、差绝对值和。

●基于物方的影像匹配（VLL法）

影像匹配的目的是提取物体的几何信息，确定其空间位置。

能够直接确定物体表面点空间三维坐标的影像匹配方法得到了研究，这些方法也被称为“地面元影像匹配”。

待定点平面坐标（X,Y）已知，只需确定其高程Z，因而基于物方的影像匹配可理解为高程直接解求的影像匹配方法。

铅垂线轨迹法

在物方有一条铅垂线轨迹，它在影像上的投影是一直线。

就是说VLL与地面的交点A在影像上的构像必定位于相应的“投影差”上。

VLL法影像匹配具体步骤

1）给定地面点的平面坐标（X，Y）与近似最低高程Zmin。

2）Zi＝Zmin＋i·Z,高程搜索步距Z可由所要求的高程精度确定。

3）由共线方程计算左右像点坐标：

（xi',yi'）与（xi''，yi''）。

4）分别以（xi',yi'）与（xi''，yi''）为中心在左右影像上取影像窗口，计算其匹配测度，如相关系数pi。

（5）将i的值增加1，重复

（2）、（3）两步，得到0、1、2……n取其最大者k：

k＝max{0、1、2……n}。

（6）还可以利用K及其相邻的几个相关系数拟合一抛物线，以其极值对应的高程作为A点的高程，以进一步提高精度，或以更小的高程步距在一小范围内重复以上过程。

17、光束法空中三角测量的优缺点与意义

优点及意义

光束法区域网平差的数学模型是共线条件方程式，平差单元是单个光束，每幅影像的像点坐标为原始观测值，未知数是各影像的外方位元素和待定点的地面坐标。

光束法区域网平差也称“一步定向法”，是最严密的解算方法。

误差方程式直接对原始观测值列出，能方便地顾及影像系统误差的影响（自检校光束法区域网平差），最便于引入非摄影测量附加观测值。

缺点

需对共线方程线性化，且需对未知数提供初始值，计算量大。

18、影像相关测度计算方法

19、影像内插的基本方法与实现策略

20、核线影像含义、特点

定义：

从原始图像沿核线重采样得到的没有上下视差的图像。

特点：

21、DEM数据采集质量控制方法的优缺点

22、数字高程模型的表述方法

23、最小二乘影像匹配的理论

灰度差的平方和最小。

按Σvv＝min原则进行影像匹配的数学模型。

若在此系统中引入系统变形的参数，按Σvv＝min的原则，解求变形参数，就构成了最小二乘影像匹配系统。

24、相关系数法影像相关的计算原理与计算方法

若（p0,q0）＞（p,q）（p≠p0，q≠q0），则p0,q0为搜索区影像相对于目标区影像的位移参数。

对于一维相关应有q＝0。

25、相关系数与信噪比的关系

26、DEM、DTM、DOM

数字高程模型（DEM或DHM）是表示区域D上地形的三维向量有限序列

｛Vi=（Xi,Yi,Zi）i=1,2,…,n｝

其中（Xi,Yi）∈D是平面坐标，Zi是（Xi,Yi）对应的高程。

数字地面模型（DTM）是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。

DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序列：

{Vi,i=1,2,…,n}

其向量Vi=（Vi1,Vi2,…,Vin）的分量为地形（Xi,Yi,Zi）（（Xi,Yi）∈D）、温度、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定量或定性描述。

数字正射影像图（DOM）是对航空（或航天）相片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。

27、比例尺与地面分辨率

航摄像片比例尺：

设摄影像片水平且取平均地面高程，则摄影比例尺为像片上的线段了l与地面上对应的水平距离L之比为：

1/m=l/L=f/H

（f为摄影机主距，H为航高）

地面空间分辨率：

数字影像每一像元所代表实地面积的大小。

28、点特征算子

空中三角测量中，一般使用点特征提取算法来检测出联系点。

点特征提取算法主要有：

Moravec算子（计算窗口中心的兴趣值→根据阈值确定特征点）、Forster算子。

29、线特征算子

线特征提取算法主要有：

一阶差分算子（梯度算子、Roberts梯度算子、方向差分算子、Sobel算子、Prewitt算子）；二阶差分算子（方向二阶差分算子、拉普拉斯算子）

30、最小二乘影像匹配的优缺点

优点（灵活、可靠和高精度）

1）最小二乘影像匹配中可以非常灵活地引入各种已知参数和条件，从而可以进行整体平差。

2）解决“单点”的影像匹配问题，以求其“视差”；也可以直接解求其空间坐标。

3）同时解决“多点”影像匹配或“多片”影像匹配。

4）引入“粗差检测”，从而大大地提高影像匹配的可靠性。

缺点

如当初始值不太准时，系统的收敛性等问题有待解决。

31、数字摄影测量系统的作业过程

数字影像的获取→数字影像的定向（内定向、相对定向、绝对定向）→建立核线影像→影像匹配与建立数字地面模型→自动绘制等高线→制作数字正射影像→数字测图