第三章摄影测量基础知识资料
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第三章摄影测量基础知识
地面摄影测量坐标系
一、像平面上的坐标系
1.框标坐标系
边框标
原点：框标连线交点P x轴：航向框标连线方向
y轴：旁向框标连线方向 y
x
P
机械框标（或边框标）
角框标
原点：框标连线交点P x轴：框标连线在航向方向夹角的平分线
y轴：垂直于x轴的方向作为y轴
坐标轴的正方向都按右手定则确定。
2.像平面坐标系(o-xy)
考虑因素：成图比例尺、测图方法、成图精度、 经济性等因素，还得综合考虑航摄像片以后的使 用可能性。
测图比例尺
比例尺类型 航摄比例尺 测图比例尺
1:2000 ～1:3000
大比例尺 1:4000 ～1:6000 1:8000 ～1:12000 中比例尺 1:15000～1:20000 1:10000～1:35000 小比例尺 1:20000～1:30000 1:35000～1:55000
？
A
3.4 摄影测量常用的坐标系统
摄影测量几何处理的任务是根据像片上 像点的位置确定相应地面点的空间位置。 摄影测量中常用的坐标系有两大类： 像方坐标系：描述像点的位置 物方坐标系：描述地面点的位置
像平面坐标系
像方坐标系
像空间坐标系
摄 影 测 量 坐 标 系
物方空间坐标系
像空间辅助坐标系
地面测量坐标系
T
s y
o
地面测量坐标为国家统一坐 标系，平面坐标为高斯-克 吕格3度带或6度带投影 （1980西安坐标系），高程 为1985黄海高程系
x
a
Zt Xt A
A(Xt,Yt,Zt) Yt
•地面摄影测量坐标系
设立原因：摄影测量坐标系采用的是右手系，而地面 测量坐标系采用的是左手系，这给由摄影测量坐标到 地面测量坐标的转换带来了困难。为此，在摄影测量 坐标系与地面测量坐标系之间建立一种过渡性的坐标 系，称为地面摄影测量坐标系。 其坐标原点在测区内的其一地面点上，X轴与航线方向 大致一致，但为水平．Z铀铅垂，构成右手直角坐标系。
摄影测量课件-摄影测量基础知识
攝影比例尺定義：
嚴格定義： 1 l
mL
航攝像片上影像線段的長 地面上對應線段的水準距離
攝影比例尺是像片的平均比例尺
f
:
攝影機主距
1 m
f H
H：攝影航高，以攝區內的平均高程面作為攝影基
準面，攝影機的物鏡中心至該面的距離。（攝影瞬
間攝影機物鏡中心相對於平均海水面的航高稱為絕
對航高。相對於其他某一基準面或某一點的高度均
航空攝影的過程中，我們所關心的區域往 往是要大於一幅影像所覆蓋的區域，這時 候
想想：攝影基線和像片的重疊度有什麼關係？
如果同樣的像幅大小，採用大比例尺和採 用小比例尺攝影基線長度一樣嗎？
攝影基線B 攝站點 航空攝影略圖
攝影方式
❖ 豎直航空攝影：航攝儀在曝
光瞬間物鏡主光軸與地面垂
直，通常規定像片傾角小於
一般情況下，要求航向重疊度最好為60%-65%，最小不 能少於53%；旁向重疊要求30%-40%，最小不少於15%。
思考：如果像幅是23cm*23cm，攝影比例尺是 1:10000，那麼這個像幅所覆蓋的實地面積是多大？
如果是1:50000的比例尺，面積又是多少？
23cm*10000* 23cm*10000=2.3km*2.3km 影：以飛機作為主要工作平
臺，把航攝儀安裝在航攝飛機上，
從空中一定角度對地面物體進行攝
影，飛行航線一般為西東方向，航
攝機在攝影曝光的瞬間物鏡主光軸
保持垂直地面。
而在攝影測量學中我們講的航空攝 影是主要是我們高精度的測繪地形 圖或者是進行4D產品的生產所進行 的空中攝影稱為航空攝影。我們研 究的範圍比較窄一些，而且主要指 的是針對地面進行攝影。
三、攝影測量生產對攝影資料的基本要求
摄影测量学基础第3章 单张像片的解析基础
• 此 外 ： 航向、旁向重叠度小于最低要求时,称航摄 漏洞,需要在航测外业做补救。当摄区地面起伏较 大时,还要增大重叠度,才能保证像片立体量测与拼 接。
• 应当指出,随着航空数码相机的应用,已有航向重叠 度大于80%、旁向重叠度在40%~360%的大重叠度 航空摄影测量出现;利用三线阵传感器摄影,还可具 有100%的重叠度。
3、中心投影 [Central Projection]
所有投射线或其延长线都通过一个固定点的投影，叫做 中心投影。投影光线会聚的点S称为投影中心。
负片位置： 正片位置：
投影中心
－摄站
投影中心位于物体和投影平面之间。 投影中心位于物体和投影平面同侧。
S
S
S
§3.2 中心投影
4、中心投影主要特性 [Main Features of Central Projection]
投射线互相平行的
投射线垂直于投影平面的
投影，叫做平行投影。 平行投影称为正射投影。
§3.2 中心投影
2、平行投影与正射投影
[Parallel Projection & Orthographic Projection ]
AB
D C
地形图 a0 b0 c0 d0
地形图在局部范围内是地面的正射投影！
§3.2 中心投影
受技术和自然条件限制，飞机往往不能按预定航线飞行 而产生航线弯曲，造成漏摄或旁向重叠过小。一般要求航 摄最大偏距与全航线长之比不大于3%。
5、像片旋角
相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线间的 夹角称为像片旋角。
有像片旋角k会使重叠度受到影响，一般要求不超过60， 最大不超过80。
航线方向
航线方向
3摄影测量基本知识
b1 b2 b3 c1 1 0 0 c2 = 0 1 0 c3 0 0 1
a3 a1 b3 ⋅ a2 c3 a3
摄影测量基本知识
五、中心投影构像方程（共线方程）
n 旋转矩阵R中方向余弦的关系
Ø 同一行（列）的各元素自乘之和为1； Ø 任意两行（列）对应元素互乘之和为0； Ø 行列式为1
S f
y
x0
O y0
x
摄影测量基本知识
四、航摄像片的内外方位元素
w S φ Zs o v u y κ x
三个线元素
X S、 YS、 Z S
ω
ϕ、ω、κ
Z Y D D Ys Xs X
三个角元素
摄影测量基本知识
四、航摄像片的内外方位元素
1）以Y轴为主轴的ϕ、 ω 、 κ Z Y S y Zs Z Y Ys N A Xs ϕ κ x ω ox X o X 航向倾角ϕ 旁向倾角ω 像片旋角κ
P T
基准面E 投影面P 透视轴TT 投影中心S 主光轴SO 像主点o 地面主点O 像底点n 地底点N 航高H
l l l l l l l l
像片倾角a 等角点c 地面等角点C 主垂面W 主纵线vv 基本方向线VV 循点J 合面、合线、主合 点I l 主横线 l 等比线
理解主合点和像底点的意义
航摄像片上特殊的点、线、面
摄影测量基本知识
一、航空摄影基本知识
1、摄影比例尺（像片比例尺）
n 摄影比例尺的定义 S f a P
l
1 m
=
l L
=
f H
H
n 航摄像片上处处不相等
Ø 像片非水平拍摄 Ø 地面地形起伏
L
a3 a1 b3 ⋅ a2 c3 a3
摄影测量基本知识
五、中心投影构像方程（共线方程）
n 旋转矩阵R中方向余弦的关系
Ø 同一行（列）的各元素自乘之和为1； Ø 任意两行（列）对应元素互乘之和为0； Ø 行列式为1
S f
y
x0
O y0
x
摄影测量基本知识
四、航摄像片的内外方位元素
w S φ Zs o v u y κ x
三个线元素
X S、 YS、 Z S
ω
ϕ、ω、κ
Z Y D D Ys Xs X
三个角元素
摄影测量基本知识
四、航摄像片的内外方位元素
1）以Y轴为主轴的ϕ、 ω 、 κ Z Y S y Zs Z Y Ys N A Xs ϕ κ x ω ox X o X 航向倾角ϕ 旁向倾角ω 像片旋角κ
P T
基准面E 投影面P 透视轴TT 投影中心S 主光轴SO 像主点o 地面主点O 像底点n 地底点N 航高H
l l l l l l l l
像片倾角a 等角点c 地面等角点C 主垂面W 主纵线vv 基本方向线VV 循点J 合面、合线、主合 点I l 主横线 l 等比线
理解主合点和像底点的意义
航摄像片上特殊的点、线、面
摄影测量基本知识
一、航空摄影基本知识
1、摄影比例尺（像片比例尺）
n 摄影比例尺的定义 S f a P
l
1 m
=
l L
=
f H
H
n 航摄像片上处处不相等
Ø 像片非水平拍摄 Ø 地面地形起伏
L
第3章 摄影测量基础知识
§3-3航摄像片上特殊的点、线、面
重 要 的
等角点特性
在倾斜像片和水 平地面上，由等 角点c和C所引出 的一对透视对应 线无方向偏差， 保持着方向角相 等
点 线 特 征
c
C
§3-3航摄像片上特殊的点、线、面
重 要 的
点 线 特 征 等比线特性
等比线的构像比例尺等于水平像片上的摄影比 例尺，不受像片倾斜影响
S
H
A B
C D
§3-1 航空摄影 复杂性：像片上每一个位置的比例尺都可能不同。
数学工具：微 分
f S H d c a b P0 P
A B
C D
§3-1 航空摄影 1、像点比例尺的概念和一般公式 • 像点比例尺的概念 点比例尺定义：为像片上 某点在某一方向上的无穷 小线段与地面上相应线段 长度比的极限。
•
•
§3-3航摄像片上特殊的点、线、面
透视变换中的特别点、线、面 基本要素（S、P、E） 特殊面（3）： 主垂面（W） 真水平面/合面（G） R 遁面（R）
G
S
P
W E
§3-3航摄像片上特殊的点、线、面
1、透视变换定义 （Definition of the Perspective Transform ）
投影中心
Center of Projection (COP). －摄站
S
S
S
§3-2中心投影的基本知识
2、平行投影与中心投影
阳位与阴位之间的 关系及转换 f S f
b'
a'
主距 Principal distance
a
A
b
B
§3-2中心投影的基本知识
2、平行投影与中心投影
第三章 摄影测量基础知识
a + a2 + a3 = 1
2 1 2 2
a12 + b12 + c12 = 1 a2 2 + b2 2 + c2 2 = 1 a32 + b32 + c32 = 1 a1a2 + b1b2 + c1c2 = 0 (b) a1a3 + b1b3 + c1c3 = 0 a2 a3 + b2b3 + c2c3 = 0
一、点 摄影中心S，像主点o，像 底点n, 地底点N，等角点c，主合 点i 二、线 摄影机轴So，垂线SN， 主纵线vv, 主横线 hoho ，等比线hchc 三、面 像片面P，地平面E，主垂 面W
hi W S hc
H
ho
i f o
v
α c
hi V O E
T V J v
n N
P T
h hc o C
等比线的特性：等比线上比例尺处处相等
逆变换
⎡x ⎤ ⎡u ⎤ ⎢ y ⎥ = R −1 ⎢ v ⎥ = RT ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣− f ⎦ ⎣ w⎦
⎡u ⎤ ⎡ a1 b1 c1 ⎤ ⎡u ⎤ ⎢v ⎥ = ⎢ a b c ⎥ ⎢v ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ 2 2 2⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎣ w⎦ ⎢ a3 b3 c3 ⎥ ⎢ w⎥ ⎦⎣ ⎦
b12 + b2 2 + b 32 = 1 c + c2 + c3 = 1
2 1 2 2
a1b1 + a2b2 + a3b3 = 0 (a ) a1c1 + a2 c2 + a3c3 = 0 b1c1 + b2 c2 + b3c3 = 0
第3章摄影测量基础知识
三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求
1、影像的色调 影像清晰、色调一致、反差适中，无防碍测图 的阴影。 2、像片倾角 像片倾斜角的要求，一般为2-3度之间。
像片倾斜角：航空摄影时，航空 摄影机主光轴与铅垂线的夹角， α＝ 0 时为最理想的情形。
3、像片重叠 ❖航向重叠度与旁向重叠度
航向重叠：同一航线内相邻像 片应有一定的影像重叠。 旁向重叠：相邻航线也 应有一定的重叠。
地面摄影测量坐 标系
摄影测量坐标系
像平面坐标系
1．框标坐标系
框标坐标系是依像片上相应框标连线作为基准建立直角坐 标。
对于框标设在像幅四边中央的像片，通常依航线方向两边 对应框标连线作为x轴，以飞行方向为正方向；旁向两边 对应框标连线作为y轴，方向以右手系确定；两连线的交 点P作为坐标原点．如图所示。
2、航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地 面。
3、要确定地面点，用单张像片是不能确定位置的， 只能确定方向，所以要采用从不同摄站对同一区 域进行立体摄影，所以要求两相邻的照片要有重 叠，重叠的范围称为航向重叠度（60%-65%，最 小不得小于53%）。同理旁向重叠（30%-40%， 最小不得小于15%）
4、航线弯曲
❖ 航线弯曲：把一条航线内的像片根据地物的影像叠拼 起来，各张像片的像主点连线不在一条直线上，而呈 现为弯弯曲曲的折线
❖ 航线弯曲度：一条航线内各张像片主点至首尾两张像
主点连线的最大偏离度⊿L
⊿L
≤ 3%
L
⊿L L
我国航空摄影规范 中明确规定：航线 弯曲度一般不得超 过3%
5、对像片旋角的要求
2、重要点、线满足的数学关系：
on ftg
oc ftg 2
oi fctg
摄影测量学基础知识点
摄影测量学基础知识点一、摄影测量学的基本概念。
1. 摄影测量学定义。
- 摄影测量学是对研究的对象进行摄影，根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面加以分析研究，从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科。
简单来说，就是利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置的学科。
2. 摄影测量的分类。
- 按距离远近分。
- 航天摄影测量：利用航天器（卫星、航天飞机等）上的摄影机对地球表面进行摄影，获取大面积的影像数据，主要用于地形测绘、资源调查、环境监测等全球性或大区域的项目。
- 航空摄影测量：通过飞机等航空飞行器上的航空摄影机对地面进行摄影，是地形测绘、城市规划等中常用的测量手段，它可以获取较高分辨率的影像，覆盖范围相对航天摄影测量小，但精度较高。
- 地面摄影测量：将摄影机安置在地面上，对目标物进行摄影测量。
常用于近景摄影测量，如建筑变形监测、文物保护中的三维建模等。
- 按用途分。
- 地形摄影测量：主要目的是测绘地形图，获取地面的地形地貌信息，包括等高线、地物位置等。
- 非地形摄影测量：用于测定物体的外形、大小和运动状态等，在工业制造（如汽车外形检测）、生物医学（如人体骨骼测量）等领域有广泛应用。
3. 摄影测量的发展历程。
- 早期的摄影测量主要基于模拟摄影测量仪器，如立体测图仪等。
通过光学机械的方法，将摄影像片进行模拟处理，实现地形测绘等功能。
- 随着计算机技术的发展，进入解析摄影测量阶段。
通过建立数学模型，利用计算机解算像片上像点的坐标，提高了测量的精度和效率。
- 现在，数字摄影测量成为主流。
它以数字影像为基础，利用计算机视觉、图像处理等技术，实现自动化、智能化的摄影测量处理，如数字高程模型（DEM）生成、正射影像图制作等。
二、摄影测量的基本原理。
1. 中心投影原理。
- 摄影测量中，摄影机的镜头相当于一个中心投影的投影中心。
地面上的点在像片上的成像过程是中心投影。
- 设地面点A，摄影中心S，像点a，在中心投影下，A点发出的光线通过镜头S 后，在像平面上成像为a点。
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成图比例尺 1：500 1：1000 1:2000 1：5000
1：10000
小比例尺
1：20000～1：30000 1：35000～1：55000
1：25000 1：50000
§3-1 航空摄影
一、摄影比例尺与摄影航高
航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度。根 据基准面的不同，航高可分为相对航高和绝对航高。相对航高 是指摄影瞬间摄影物镜相对于被摄区域内地面平均高程基准面 的高度；绝对航高是摄影瞬间摄影物镜相对于平均海平面的高 度，是摄影瞬间摄影物镜的真实海拔高度。
夹角称为像片旋角。 有像片旋角会使重叠度受到影响，一般要求不超过60，
最大不超过80。
航线方向Байду номын сангаас
航线方向
§3-2 中心投影的基本知识
投
投影：用一组假想的直线将物体向几何面投射
影
方
投影射线：投影的直线
式
投影平面：投影的几何面
投影射线平行于某一固定方向的投影的投影称为平行投影
斜投影
投影射 线与投 影平面 斜交
角不大于20，最大不超过30。
A为像片倾角
A
摄影机主光轴
铅垂线
§3-1 航空摄影
4、航线弯曲
受技术和自然条件限制，飞机往往不能按预定航线飞行 而产生航线弯曲，造成漏摄或旁向重叠过小。一般要求航 摄最大偏距与全航线长之比不大于3%。
§3-1 航空摄影
5、像片旋角 相邻像片的主点连线与像幅沿航线方向两框标连线间的
的影l 像与地面上相应线段的水平距离L之比，即
1l mL
我们所说的摄影比例尺，是指平均比例尺，当取摄区内的平均
高程面作为摄影基准面时，摄影机的物镜中心至该面的距离称为
摄影航高，一般用H表示，摄影比例尺表示为
1 f mH
f为摄影机主距。
摄影比例尺越大，像片地面分辨率越高。
§3-1 航空摄影
一、摄影比例尺与摄影航高
当选定了摄影机和摄影比例尺后，就可以计算出摄影航高
H＝mf，航空摄影时就要求按计算的航高飞行摄影，以获得符 合生产要求的摄影像片。摄影测量规范规定同一航带内最大航 高与最小航高之差不得大于30m，摄影区域内实际航高与设计 航高之差不得大于50m。
§3-1 航空摄影
二、空中摄影过程
航空摄影前要做计划，摄影时要选择晴朗无云的天气。 飞行航线一般为东西方向，要求航线相邻两张像片应有 60%左右的重叠度，相邻航线的像片应有30%左右的重 叠度,航摄机在摄影曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直地面。
§3-1 航空摄影
二、空中摄影过程 当测区面积较大和测区地形复杂时，需要将测区划分为
若干个摄影航带，每个航线不宜太长，同一摄区内地形要 大致类同，可以采用同一航空摄影机以相同航高进行摄影， 以利于用同一航测成图方法成图。摄影分区可在小比例尺 的旧图上规划。
§3-1 航空摄影
三、摄影测量生产对摄影资料的基本要求
点
夹角等于地面上对应的水平角
航 当像片倾斜、地面起伏时，地面点在航摄像片上 构像相对于理想情况下的构像所产生的位置差异
摄 称像点位移
像
s
s
片
a bc
的
p
a
b0
a0 b
p
A
特
CE
B0
点
AB 像片倾斜引起的
A0
B
地形起伏引起的
像点位移
像点位移
比 例 尺：地图有统一比例尺，航片无统一比例尺
表示方法：地图为线划图，航片为影像图
航摄像片是所摄地面的中心投影
a c
b S
B C
A
§3-3 航摄像片上特殊的点、线、面
将空间点、线作中心投影，在投影平 面P上得到一一对应的点、线，这种 经中心投影取得的一一对应的投影关 系称为透视变换
表示内容：地图需要综合取舍
几何差异：航摄像片可组成像对立体观察
摄影测量的主要任务之一：把地面按中心投影规律获取 的摄影比例尺航摄像片转换成以测图比例尺表示的正射 投影地形图
负片位置： 正片位置：
投影中心
－摄站
投影中心位于物体和投影平面之间。 投影中心位于物体和投影平面同侧。
S
S
S
§3-2 中心投影的基本知识
1、影像清晰，色调一致； 2、航向重叠一般为60%，旁向重叠一般为30%； 3、像片倾角不大于2°，最大不大于3°； 4、航线偏距与全航线长之比不大于3%； 5、像片旋角一般不超过6°，最大不超过8°。
§3-1 航空摄影
2、像片重叠 为满足测图需要，在同一条航线上，相邻两像片应有一定
的影像重叠，称为航向重叠。航向重叠一般要求60～65％， 在大比例尺测图时要求达到85％左右。
正射投影
投影射线 与投影平 面正交
投影射线会聚于一点的投影称为中心投影
投影射线 物点
投影点
投影中心 投影平面
航摄像片为中心投影，地形图为正射投影
c ba
S
中心投影
B
A
C
AC B
c ab
正射投影
地 形 图 的
1、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，等于图比 例尺
特 2、图上任意一点引画的两条方向线间的
计算要获取1：500的比例尺地形图， 大致需要多少张影像？
摄影过程是如何实施的？
摄影过程 确定测区范围 选择摄影机 确定摄影比例尺及航高 需要像片的数量、日期及航摄成果的验收
§3-1 航空摄影
3、像片倾角 摄影瞬间摄影机轴发生了倾斜，摄影机轴与铅垂方向的
夹角为像片倾角。 飞机受气流的影响，航摄仪不可能完全置平，一般要求倾
测大比例尺地形图时，航摄比例尺小于测图比例尺；
测中比例尺地形图时，航摄比例尺接近测图比例尺；
测小比例尺地形图时，航摄比例尺大于测图比例尺；
比例尺类型 大比例尺 中比例尺
航摄比例尺 1：2000～1：3000 1：4000～1：6000 1：8000～1：12000 1:15000-1:20000
1：25000～1：35000
第三章 摄影测量基础知识
主要内容
一、航空摄影 二、中心投影的基础知识 三、航摄像片上特殊的点、线、面 四、摄影测量常用的坐标系统 五、航摄像片的内外方位元素 六、像点的空间直角坐标变换与中心投影构象方程 七、航摄像片上的像点位移 八、单幅影像解析基础
§3-1 航空摄影
一、摄影比例尺与摄影航高
摄影比例尺又称为像片比例尺，其定义：航摄像片上一线段为
测图需要两相邻航带摄区之间也要有一定得重叠用以联系 相邻航带的摄区拼接，称为旁向重叠，旁向重叠不少于20％， 由于空中摄影飞行时不易保持两航线间的平行性，一般取30 ％～40％.最小不得小于15%。
航向、旁向重叠小于最低要求的称为航摄漏洞，需要在 航测外业做补救。
武汉市辖区面积：8406平方千米 ； 航拍过程中像幅大小为 23cm*23cm