摄影测量与遥感

1 摄影测量

1.1基本原理

1.1.1 摄影测量的定义

摄影测量学是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学。1988年ISPRS在日本京都第16届大会上对摄影测量与遥感的定义：摄影测量与遥感是对非接触传感器系统获得的影像及其数字表达进行记录、量测和解译，从而获得自然物体和环境的可靠信息的一门工艺、科学和技术。

摄影测量学可从不同角度进行分类。按摄影距离的远近分，可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量。按用途分类，有地形摄影测量和非地形摄影测量。按处理的技术手段分，有模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量。

1.1.2 摄影测量学发展的三个阶段

模拟法摄影测量（1851-1970）其基本原理是利用光学/机械投影方法实现摄影过程的反转，用两个/多个投影器，模拟摄影机摄影时的位臵和姿态，构成与实际地形表面成比例的几何模型，通过对该模型的量测得到地形图和各种专题图。

解析法摄影测量(1950-1980)以电子计算机为主要手段，通过对摄影像片的量测和解析计算方法的交会方式，来研究和确定被摄物体的形状、大小、位臵、性质及其相互关系，并提供各种摄影测量产品的一门科学。

数字摄影测量(1970-现在）基于摄影测量的基本原理，通过对所获取的数字/数字化影像进行处理，自动（半自动）提取被摄对象用数字方式表达的几何与物理信息，从而获得各种形式的数字产品和目视化产品。

1.1.3 单张航摄像片解析

航摄影像是航空摄影测量的原始资料。像片解析就是用数学分析的方法，研究被摄景物

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在航摄像片上的成像规律，像片上影像与所摄物体之间的数学关系，从而建立像点与物点的坐标关系式。像片解析是摄影测量的理论基础。

为了由像点反求物点，必须知道摄影时摄影物镜或投影中心、像片与地面三者之间的相关位臵。而确定它们之间相关位臵的参数称为像片的方位元素，像片的方位元素分为内方位元素和外方为元素两部分。内元素3个：确定摄影物镜后节点与像片之间相互位臵关系的参数（x0,y0,f),可恢复摄影光束。外方位元素6个：3个直线元素描述摄影中心在地面空间直角坐标系中的位臵(Xs、Ys、Zs)，3个角元素描述像片在摄影瞬间的空间姿态（航向倾角φ、像片旋角κ、旁向倾角ω）。

为了研究像点与地面相应点的数学关系，必须建立中心投影的构像方程。下式为一般地区中心投影的构像方程，由于这个方程推导中像点、投影中心和地面点三点共线，故又称共线方程式，是摄影测量中重要的基本公式之一。

x?x0??fy?y0??fa1(X?XS)?b1(Y?YS)?c1(Z?ZS)a3(X?XS)?b3(Y?YS)?c3(Z?ZS)a2(X?XS)? b2(Y?YS)?c2(Z?ZS)a3(X?XS)?b3(Y?YS)?c3(Z?ZS) 图1-1 共线方程式

利用航摄像片上三个以上像点坐标和对应地面点坐标，计算像片外方位元素的工作，称为单张像片的空间后方交会。根据计算的结果，就可以将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。

1.1.4 双像解析摄影测量

单张像片只能研究物体的平面位臵，而在两个不同摄站对同一地区摄取具有重叠的一个立体像对，则可构成立体模型来解求地面物体的空间位臵。按照立体像对与被摄物体的几何关系，以数学计算方式，通过计算机解求被摄物体的三维空间坐标，称为双像解析摄影测量。它是研究立体像对与被摄物体之间的数学关系，以及如何计算被摄物体的三维空间位臵。

根据摄得的立体像对的内在几何特性，按物点、摄站点与像点构成的几何关系，用数学计算方式求解物点的三维空间坐标的方法有三种：

1、用单张像片的空间后方交会与立体像对的前方交会方式求解物点的三维空间坐标。这种方法是以像片对内已有足够数量的地面控制点坐标为基础的。其计算分两步走，即先根

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据地面控制点坐标，按共线条件方程解求像片的外方位元素，然后再依据求得的两像片的外方位元素，按照前方交会公式计算像对内其他所有地面点的三维坐标，从而建立数字立体模型。

2、用相对定向和绝对定向方法求解地面点的三维空间坐标。此法是用具有一定相互重叠的两张相片，先采取恢复摄影瞬间两像片的相对位臵和方位，使同名光线达到对对相交，建立起与地面相似的几何模型，然后再将立体模型进行平移、旋转和缩放的绝对定向，把立体模型的模型点坐标纳入到规定的坐标系中，并规化为规定的比例尺，以确定立体像对内所有地面点的三维坐标。

3、采用光束法求解地面点三维坐标。这种方法是把待求的地面点与已知地面点坐标，按照共线条件方程，用连结点条件和控制点条件同时列出误差方程式，统一进行平差计算，以求得地面点的三维坐标。此法理论上较为严密，它是把前两种方法的两个计算步骤合为一体同时解算。

相对定向：利用立体像对中摄影时存在的同名光线对应相交的几何关系，通过量测的像点坐标，以解析计算的方法（此时不需要野外控制点），解求两像片的相对方位元素值的过程，称之为解析相对定向。确定相邻两像片的相对位臵和姿态的要素，称之为相对定向元素。相对定向的目的是建立一个与被摄物体相似的几何模型，以确定模型点的三维坐标。

绝对定向：相对定向建立起的立体模型，是相对于选取的某个坐标系，这个坐标系在地面坐标系中的方位是未知的，比例尺也是任意的，要确定立体模型在地面坐标系中的方位和大小，则需要把模型坐标变换为地面坐标，这种坐标系的变换称之为模型的绝对定向。其目的是将建立的模型坐标纳入到地面坐标系统中，并归化为规定的比例尺。

1.1.5 空中三角测量与区域平差

单张影像的空间后交，一张影像需要4个外业控制点。通过相对定向、绝对定向，一个像对需要4个外业控制点。为了尽量减少野外测量工作，由单张影像拼接成航带，多条航带拼接成区域，在区域周边及内部，布设少量控制点，采用空中三角测量与区域平差，确定整个区域内所有影像的方位元素。

1.2技术设计

了解用户的需求及成果的用途，根据需求选择技术方法，确定成图比例尺，选择坐标系

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统和高程基准。成图目标明确后，根据有关的国家规范，确定分幅及编号，确定基本等高距，确定成图的平面和高程精度。下面是项目实施前必须明确的基本要素：

1.2.1坐标系统

目前，我国采用的坐标系统有以下几种：

2000国家大地坐标系：2008年第2号：根据《中华人民共和国测绘法》，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8-10年。现行各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系统；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。

2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0作为初始指向来推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转；X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点；Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。2000国家大地坐标系的尺度为引力相对论意义下的局部地球框架下的尺度。

2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数数值为：

长半轴 a = 6 378 137m 扁率 f = 1/298.257 222 101

地心引力常数 GM = 3.986 004 418×10ms 自转角速度 ω= 7.292115×10-5rad/s

1980西安坐标系：现行国家大地坐标系统。1980西安坐标系是在1954年北京坐标系基础上对天文大地网进行整体平差后建立的。大地原点在西安市泾阳县永乐镇。其椭球参数采用的是国际大地测量与地球物理学联合会（International Union of Geophysics,IUGG）1975年推荐的椭球参数。

长半轴 a = 6 378 140m 扁率 f = 1/298.257

1954年北京坐标系：现行国家大地坐标系统。1954年北京坐标系采用三角形联测的方法将起始坐标从前苏联普尔科沃天文台的大地基点传递过来，经各局部外业逐步布测并分别平差后，得到全国三角点的平差结果。这些坐标所依据的坐标定名年北京坐标系。原点在前苏联普尔科沃。其参考椭球为克拉索夫斯基椭球体，其主要参数为：

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14

3

-2

长半轴 a = 6 378 245m 扁率 f = 1/298.3

1.2.2高程基准

1956黄海高程系统

1956年9月4日，国务院批准试行《中华人民共和国大地测量法（草案）》，首次建立国家高程基准，称“1956年黄海高程系统”，系以青岛验潮站1950-1956年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。原点设在青岛市观象山。该原点以“1956年黄海高程系统”计算的高程为准（72.289 m）。

1985国家高程基准

确定1985国家高程基准所依据的黄海平均海平面是利用青岛验潮站1952年-1979年的验潮数据，并用中数法的计算值推断出来的。其中验潮站工作零点2.4289m,比1956年黄海平均海面高3.89cm。根据这个高程基准面作为全国高程的统一起算面,称为“1985国家高程基准”。

1.2.3 分幅及编号要求

为便于国家基本比例尺地形图的管理和使用，需要对各种基本比例尺的地形图进行统一的分幅和编号。现采用的标准是国家测绘局部1992年制定并颁布实施的《国家基本比例尺地形图分幅和编号》（GB/T13989-92）。

分幅

国家基本比例尺地形图均以1:100万地形图为基础图,按规定的经纬差划分图幅。各种比例尺经纬差见下表:

比例尺 图幅 范围 经差 纬差 1:100万 1:50万 1:25万 1:10万 1:5万 1：2.5万 1：1万 6° 4° 3° 2° 1°30′ 1° 30′ 20′ 15′ 10′ 7′30″ 5′ 1：5千 3′45″ 1′52.5″ 2′30″ 1′15″ 编号

1：1000 000地形图编号：1：1000 000地形图的编号采用国际1：1000 000地图编号标准。

1：500 000-1：5000地形图的编号：1：500 000-1：5000地形图的编号均以1：1000 000

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