数字摄影测量结课论文.doc

数字摄影测量在一些领域的应用
及其数据挖掘
Digital photogrammetry application in some
And data mining

学院：矿业工程学院
班级：测绘08-2班
姓名：陈入伸
学号：0872143214

College: College of mining engineering
Class: mapping of the 08-2 class
Name: chen rushen
Number: 0872143225
数字摄影测量在一些领域的应用
及其数据挖掘

摘 要：本文通过对介绍数字影像在4D 产品、大比例尺地形图等一些领域的应用，提出一些数字摄影测量的数据挖掘，达到相互学习交流目的。
关键词：数字摄影测量 地理信息 4D 产品
Pick to: Based on the introduction of digital image in large scale topographic map of 4D products, and other fields of application, some digital photogrammetric data mining, achieve mutual learning objective.
Keywords: Digital Photogrammetry geographic information 4D products
一、引言
当今信息高速发展的时代，测绘技术已经发展到信息化测绘的阶段。现代的地理信息测绘是获取、处理和地表的三维信息及其外层空间的几何、物理信息，以及与地理分布有关的资源、环境和社会基础的技术，并不是简单的提供基本线划地图。同样，摄影测量领域也快速发展，从模拟摄影测量、解析摄影测量发展到第三阶段—数字摄影测量。数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科，我国王之卓教授称之为全数字摄影测量（Full Digital Photogrammetry）。随着数字中国、数字区域等概念的提出以及相关数字化工程的启动，特别是全球定位系（GPS）、地理信息系统（GIS）、摄影测量与遥感（RS）以及数字化测绘和对地观测技术（EOS）地面测量先进技术的发展，使地理信息数据获取的手段和方法产生了深刻的变化，数字摄影测量在地理信息服务领域也相应进一步延伸，正朝着数据影像采集和处理的自动化、实时化和数字化方向发展。
二、数字摄影测量的原理
数字摄影测量。具体地说，它是以立体数字影像为基础，由计算机进行影像处理和影像匹配，自动识别相应像点及坐标，运用解析摄影测量的方法确定所摄物体的三维坐标，并输出数字高程模型和正射数字影像，或图解线划等高线图和带等高线的正射影像图等地理信息。数字摄影测量处理的原始资料是数字影像。影像分析和影像匹配是影像处理的重要任务。
对一幅数字影像，最感兴趣的是那些非常明显的目标，而要识别这些目标，就要借助于提取构成这些目标的所谓影像特征。特征的提取是影像分析和影像匹配的基础，特征提取，分为点状特征、线状特征、面状特征。点状特征、线状特征可以通过提取算子来提取，面状特征要通过区域区域分割来提取。如图1。

图1 点状特征、线状特征、面状特征提取示意图
影像匹配实质上是在两幅图（或多幅）影像之间识别同名点，它是计算机视觉及数字摄影测量的核心问题。由于早期的研究中一般使用相关技术解决影像匹配的问题，所以又称影像相关。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，实现立体观察和量测自动化、测图自动化的关键技术。当相关函数和相关系数为最大值时即为相应像点；反之，就不是。影像相关的类型主要有三种：电子相关、光学相关和数字相关。电子相关和光学相关是直接利用像片进行影像处理，数字相关是利用数字影像进行影像处理。
§2-1 共线方程
摄影测量常用的坐标系：
－ 像方坐标系： 内定向
像平面坐标系（o-xy）＜＝＝＝＝＝＝＝ 扫描坐标系（i, j）
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 (P-XpYpZp)
地面摄影测量坐标系 (A-XtpYtpZtp)
大地坐标系 (T-XtYtZt) （左手系）
－ 航空摄影测量研究：
不能直接转换
o-xy = = = = = = = = = = = = = = = =＞ T-XtYtZt
↓ ↑
S-xyz → S-XYZ → P-XpYpZp → A-XtpYtpZtp
（其中：t 代表terrain 地面； p 代表photogrammetry 摄影测量）
（除像平面坐标系和大地坐标系外，其他坐标系都可认为是过渡坐标系）
对于遥感而言，常用的坐标系还包括：
－ 传感器坐标系、框架坐标系、平台坐标系；
－ 地理坐标系（L、B、H）
－ 地心直角坐标系（XCYCZC）
－ 局部切面坐标系（XTYTZT）
－ 还有 WGS-84 世界大地坐标系等
航摄像片的内、外方位元素：
－ 内方位元素：（xo≈0, yo≈0 , f）即描述摄影中心与像片之间相互位置关系的参数。
确定方式：摄影机检校（Camera Calibration），主要方法包括：
实验室检校；控制场检校；光束法自检校
摄影机检校的主要内容（光学和数字相机略有不同）：
光学：内方位元素、物镜畸变差、框标间距等。
数码：内方位元素、物镜畸变差、像元大小等。
－ 外方位元素： 即描述摄影瞬间摄影光束在空间的位置和姿态的参数，共有6 个。
外方位线元素 （Xs, Ys, Zs）
外方位角元素 ψ，ω，κ -- 以Y 为主轴（双像测图即立体测图）
ω＇，ψ＇，κ＇ -- 以X 为主轴（双像测图即立体测图）
A , α, kV -- 以Z 为主轴（单像测图即单片纠正）
三个角元素可理解为是航空摄影时候飞机的：俯仰角、滚动角和航偏角。
确定方式：利用控制点空间后交（地→空型）；利用GPS/IMU（POS）（空→地型）；
利用星相机空间后交。
空间直角坐标变换：
－ S-xyz 与 S-XYZ 之间的变换：

反算式：， （其中R 为正交矩阵：）
－ 方向余弦的确定

三种转角系统：

注意：① ψ≠； ω≠； κ≠
但由三种角元素计算所确定的方向余弦ai, bi, ci 对应相等；
② 计算过程中有时只需要求方向余弦即可（作为附加产品），没必要求出角元素。
中心投影的构像方程与投影变换：
－ 中心投影的构像方程：它是摄影测量与遥感学科中最为重要的公式之一。
共线方程（Collinearity Condition Equation）的含义：即摄影中心、像点及对应地面点三点共线
（2-11 式）。要求掌握式中每个符号的意义。
－ 共线方程的主要应用为；
单片空间后方交会；
多片空间前方交会；
光束法空中三角测量的基础方程；
解析测图仪中的数字导杆；
计算模拟像片数据（已知内、外方位元素及DEM）；
利用DEM 进行单片测图；etc.
－ 中心投影变换
注意中心投影（如航空像片）和正射投影（如正射影像、地形图）的区别。
当像片严格水平、地面绝对平坦时中心投影和正射投影之间没有区别。
补充：理想情况：像片水平、地面绝对平坦，则无像点位移，此时中心投影等效于正射投影。
－ 因像片倾斜引起的像点位移（δα ）（简单认识：地面上的一组平行线在像片上不平行。）
① 在像水平线上无因像片倾斜引起的像点位移；
② 因像片倾斜引起的像点位移可通过像片纠正的方法一次改正。
－ 因地形起伏引起的像点位移（投影差δ h = rh/H）
① 像底点上无投影差；
② 因地形起伏引起的像点位移在以像底点为中心的辐射线上；
③ 通过像片纠正可以限制投影差的大小，使其满足测图精度要求（要完全消除
只有逐点纠正）。
因地形起伏引起的像点位移是立体观测的基础。
§2-2 单幅影像解析基础
－ 影像内定向：仪器坐标（或扫描坐标）与像片坐标之间的转换
内定向步骤：① 框标识别
② 利用框标的像片坐标和扫描坐标求转换公式中的系数；
③ 将所求得的系数回代转换公式求任意一点扫描坐标所对应的像片坐标。
－ 空间后方交会的含义：
已知：像片覆盖范围内地面上三个以上控制点的坐标Xc,Yc,Zc

控制点所对应的像点坐标xc, yc 和
内方位元素：xo, yo ,f （一般认为已知）
求：像片摄影瞬间的外方位元素。
－ 空间后方交会的基本公式：共线方程。
注意：① 共线方程中观测值和未知数之间是非线性的，平差解算之前需对其线性化；
② 线性化按泰勒阶数展开，未知数取一次小项；
③ 线性化过程要引入未知数的初值；
④ 平差计算过程是迭代进行的；
⑤ 至少需要已知三个地面平高控制点的坐标。
－ 空间后方交会的解算过程：
① 获取已知数据。
② 量测控制点的像点坐标。
③ 确定未知数的初始值。
④ 计算旋转矩阵R。
⑤ 逐点计算像点坐标的近似值。
⑥ 逐点计算误差方程式的系数和常数项，组成误差方程式。
⑦ 计算法方程的系数矩阵与常数项，组成法方程式。
⑧ 解求外方位元素。
⑨ 检查计算是否收敛。
－ 空间后方交会的精度评定：

－ 出现空间后方交会不定解的情况：
① 地面平坦，误差方程式系数之间相关；
② 地面控制点和摄影中心位于危险圆上。
－ 理论分析结论：
① 空间后方交会精度取决于控制点的个数；
② 一般κ角的精度较ψ，ω的精度要低；
③ Zs 的精度比平面精度要高。
§2-3 立体像对相对定向与核线几何
补充：立体视觉原理与立体观察
人眼相当于一架照相机；（认知科学认为这种比喻过于简单）
人眼的立体视觉是计算机立体视觉的基础。
对纵深/距离/高度的判断，立体观测优于单目观测；
基/高比大，有利于提高立体观测的精度，基/高≈1 为好。（可借助仪器扩大眼基线）
人造立体视觉的概念与应用。（虚拟现实）
双像解析摄影测量的任务与方法：
－ 把问题归结为：
已知： 一个立体像对 + 若干地面控制点的坐标
量测： 像点坐标（包括地面控制点的和待求点的）
求： 待求点的地面坐标
－ 三种解析处理方法
① 单像空间后方交会－ 双像空间前方交会
② 相对定向－ 绝对定向
③ 光束法整体解求（一步法）
解析法相对定向：
目的：恢复摄影时左、右片之间的相互（位置和姿态）关系，建立与地面相似的几何模型。
－ 相对定向元素
连续法相对定向元素：by, bz , ψ，ω，κ
单独法相对定向元素：ψ1，κ1, ψ2，ω2，κ2
－ 解析法相对定向原理
从共面条件出发，解析计算出 5 个相对定向元素，以恢复左、右片的相互关系。
共面条件方程：（确定摄影基线与左、右片同名光线三矢量共面的方程）

－ 解析法相对定向过程
注意：① 共面条件需线性化，未知数需引入初值，计算是迭代进行的；
② 相对定向无需地面控制点的信息；
§2-4 立体像对的空间前方交会
目的：由立体像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标来确定相应地面点的坐标。
① 利用点投影系数的空间前方交会方法；
步骤：1）根据单片后交结果求：R1、R2、Bx、By、Bz
2）计算和
3）求N1、N2
4）计算物方空间坐标（或模型坐标）。
② 利用共线方程的严格解法。
§2-5 单元模型的绝对定向
目的：把相对定向后前方交会求得的模型点坐标纳入到大地坐标系中。
－ 绝对定向元素（12 - 5 = 7 个：ψ，Ω，Κ，λ，ΔX, ΔY, ΔZ）
－ 绝对定向基本公式：三维空间相似变换。
－ 解析法绝对定向过程
注意：① 三维空间相似变换式需线性化，未知数需引入初值，计算是迭代进行的；
② 绝对定向至少需要已知2个平高控制点、1个高程控制点的地面坐标。
－ 坐标重心化的概念及意义
§2-6 立体影像对光束法严密解（一步法）
一 一步法指同时解求两张像片的外方位元素和待定点的地面坐标。
－ 解算基本公式：共线条件方程。
三、数字摄影测量在一些领域的应用
1、4D 产品生产
随着测绘信息、航天遥感、GPS 定位和计算机等技术的不断发展，充分利用各种现代技术的有机结合，地图不在局限与以往的模式，现代数字地图主要由DOM (数字正射影像图)、DEM (数字高程模型)、DRG (数字栅格地图)、DLG (数字线划地图)以及复合模式组成。
·DOM (数字正射影像图)
利用航空相片、遥感影像，经象元纠正，按图幅范围裁切生成的影像数据。它的信息丰富直观，具有良好的可判读性和可量测性，从中可直接提取自然地理和社会经济信息。
·DEM (数字高程模型)
数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字集合。可制作透视图、断面图，进行工程土石方计算、表面覆盖面积统计，用于与高程有关的地貌形态分析、通视条件分析、洪水
淹没区分析。
·DRG (数字栅格地图)
数字栅格地图是纸制地形图的栅格形式的数字化产品。 可作为背景与其他空间信息相关，用于数据采集、评价与更新，与DOM、DEM 集成派生出新的可视信息。
·DLG (数字线划地图)
现有地形图上基础地理要素分层存储的矢量数据集。数字线划图既包括空间信息也包括属性信息，可用于建设规划、资源管理、投资环境分析等各个方面以及作为人口、资源、环境、交通、治安等各专业信息系统的空间定位基础。
4D 数据生产流程如图2。

图2 数字摄影测量4D 产品生产流程
2、大比例尺数字地图的生产
数字摄影测量成图可以说是今后数字测图的一个重要发展方向，在数字摄影测量系统中，整个的生产流程与作业方式，和传统的摄影测量差别似乎不大，但是它给传统的摄影测量带来了重大变革。大比例尺数字地图一般是指1：500、1：1000、1：2000 比例尺的地图。在我图，利用数字摄影测量生产1：2000 的数字地图各项技术已经成熟，各项精度指标均达到规范要求。利用数字摄影测量生产1：1000 数字地图已经取得了试验性的成功，在不久的将来将会得到推广普及。在国外，1：500 甚至更大的比例尺地图均可利用高分辨率的数字影像直接生产。对于影响大比例尺成图的质量，主要有摄影比例尺和影像的分辨率以及仪器的性能这三项因素。经过试验，如果比例尺为1：10000，分辨率为10.0um，利用这样的数字影像生产1：2000 地形图是没有有问题，生产1：1000 的地形部分测图要求，密集的地物部分精度还是欠佳，要通过地面测量来补充遮盖区域以及遗漏的数据。目前我国提供的数字影像资料还达不到1：500 的成图要求。
3、其它领域的应用
数字摄影测量广泛应用于国土、规划、测绘、遥感、军事、水利、电力、通讯、交通、环保、农林等领域。如图3、4、5。

三峡坝区卫星图像 长江源头地区遥感影像
图3 国土监测

1998 年5 月27 日汛前 （洞庭湖SPOT-4 卫星影像） 1998 年8 月12 日汛期
图4 水情监测

火情监测图 监测沙尘暴灾害
图5 抗灾防灾监测
四、数字摄影测量数据挖掘
1、DMI（数字可量测影像）
DMI 可量测实景影像（Digital Measurable Image）是两院院士、武汉大学教授李德仁提出的第5D 产品。当前，现代信息测绘成果称为4D 产品，它们是有限的基础信息，不能满足社会各行各业对空间信息的需求。大量用户需要的与专业应用和个人生活相关的信息，如电力部门的电力设施、市政城管的市政设施（各种井盖）、公安部门重点布防设施（消防栓、门牌号码）、交通部门的交通信息、电信部门的信箱信息、个人位置要求的快餐厅等细小的信息，4D 产品是无法提供的，基本需要通过实地调查来补充。如广州市进行的数字城管1:500 比例尺数字地图基础上补调和采集了路面各种物件信息，武汉市城市网格化服务系统在1:500 比例尺数字地图基础上，也补充调查和采集了185 万个物件。第5D 产品。是指一体化集成融合管理的时空序列上的具有像片绝对方位元素的航空、航天、地面立体影像的统称。在其专业应用系统上可以进行直接浏览、相对测量（高度、坡度等）、绝对定位解析测量和属性注记信息挖掘能力，而具有时间维度的DMI 在空间信息网格技术上形成历史搜索探索挖掘，为通视分析、交通能力、商业选址等深度应用提供用户自身可扩展的数据支持。可量测地面实景影像与4D 产品集成从而实现自动化、智能化和实时化地回答何时（When）、何地（Where）、何目标（What Object）发生了何种变化（What Change），并且把这些时空信息（即4W）随时随地提供给每个人，服务到每件事（4A 服务：Anyone，Anything，Anytime and Anywhere）。
2、DSM（数字表面模型）
DSM（数字表面模型），同样是重要的信息，通常被认为是无用的信息，给摄影测量作业人员带来很多麻烦。例如在森林地区测图还必须减掉树高，因为，传统的摄影测量都是以地形为准，所以它必须表达地形的等高线，当然今后还是这样。但是大家可能并不知道，DSM同样非常重要，它可以用于“变化检测”，在森林地区，可以用于检测森林的生长情况；在城区，DSM 可以用于检查城市的发展情况。飞行器（巡航导弹、飞机）在超低空飞行过程中，它不仅需要数字地面模型，更需要的是数字表面模型。逢山让山，逢森林让森林。随着人们对数字摄影测量更深层次的挖掘， DSM 数据的应用会受到更加关注。
3、附有内、外方位元素的原始影像数据就是产品。
从传统的摄影测量而言，摄影的影像，只是原始的资料。但是现在，摄影被数字化了。如果我们对原始的数字摄影进行了空中三角测量的处理，这时影像的内方位元素、外方位元素已经是已知数据，如果我们把内、外方位元素作为头文件与影像数据一起刻在光盘上，这就是一个产品。可以想像，如果已知该地区的数字地面模型DEM，用户就不需作任何处理，可以直接利用该数字影像的内、外方位元素、影像数据与DEM 直接生成该地区的正射影像图。在数字摄影测量时代，“加密”的结果中，影像的方位元素要比加密点的三维坐标重要得多。
五、当代数字摄影测量展望
地图是符号化的地理信息，影像则是地理信息的最真实的写照。相对而言，影像要比地图更为直观、易于理解。随着摄影测量与遥感技术的发展，建立了空、天、地一体化的影像获取手段，加速实现从地图生产者向地理信息服务者的转变，数字摄影测量在建设以地理信息获取实时化、处理自动化、服务网络化和应用社会化为基本特征的信息化测绘体系中发挥着越来越重要的作用。
参考文献
⒈ 付宗堂，中国地质大学，《数字测绘及其相关标准》，2008.6·桂林
⒉ 张剑清 潘励 王树根，《摄影测量学》，武汉大学出版社，2002.12
⒊ 李德仁，《从4D 产品到5D 产品—论可量测实景影像的概念与应用》，武汉大学