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1、 数 字 摄 影 测 量 ,第九章 像片纠正与正射影像图,9.1 数字微分纠正,一、像片纠正的概念,像片平面图或正射影像图是地图的一种，它是用像片上的影像表示地物的形状和平面位置的地图形式。利用中心投影的航摄像片编制像片平面图或正射影像图，是将中心投影转变为正射投影的问题。 当像片水平且地面为水平的情况下，航摄像片就相当于该地区比例尺为1：M(=f/H) 的平面（正射影像）图。 将竖直摄影的航摄像片通过投影变换，消除像片倾斜引起的像点位移，并限制或消除地形起伏引起的像点位移，获得相当于航摄像机物镜主光轴在铅垂位置摄影的水平像片，同时改化规定的成图比例尺，这种作业过程称为像片纠正。 主要是单张像
2、片的像片纠正。,（一）.光学机械纠正 对平坦地区像片，在光学纠正仪上经透视投影变换实现纠正的技术。 理论上，只有真正平坦的地面所拍摄的航摄像片才适合于纠正，但实际作业时，任一点在规定比例尺的底图上所产生的投影差h不超过0.4mm，就可采用光学机械纠正方法。在一张纠正像片的作业面积内，如果任何像点的投影差都不超过此数值，这样的地区就称为平坦地区。 只要把倾斜误差设法消除，即使忽略了投影误差影响（实际上是限制在某一微小范围内）也依然能保证成图精度。 像片上不同高度的点，应分别选择不同高度的投影面而进行纠正，才能完全消除投影差。,二、像片纠正的原理与分类,像片纠正的概念,S,原始水平像片（主距f，比
3、例尺1/m）p上，所得正射像片（比例尺1/M）上，若取 h0.4（mm) （按地形图精度）则有 h= 0.0004 (m) 得 高差限制 （m),1、平坦地区的高差限制,h为任一点在规定比例尺的底图（正射像片（比例尺1/M） ）上所产生的投影差,：向径-象点到象主点o间的距离,h：与某一平面的高差距-地形高差,H：航高-从基准面算起的相对航高,R为任一点在地面对应产生的投影差,h= a0a,对于投影差超过上述数值且属丘陵地区，可以采用分带纠正的方法，就是根据像片使用范围内的高差，将其分为不同高度的若干个带，对不同高度的带，分别采用不同的纠正比例尺，分别进行纠正，使每一带的所有点在底图上的投影差
4、都不会超过规定的0.4mm。 对山地的航摄像片采用光学微分纠正的方法。 2、光学机械纠正特点：使用光学纠正仪作业；适用于平坦地区的影像作业；整张像片经透视投影变换一次完成纠正；投影晒印得到的规定比例尺的正射影像分辨率高。,3、透视变换纠正所需的控制点及仪器自由度 平坦地区的中心投影构像方程式（透视变换）为：,纠正对点：在纠正仪上，运动仪器自由度，使像片控制点在承影面上的投影与图底上相应点位重合，解算8个参数（自由度），建立像片与图底透视关系的技术过程。,在模拟摄影测量年代，都是通过所谓的“纠正仪”来求解这八个参数，以实现像片纠正，其做法是选取至少四个地面控制点，将这些控制点按照图比例尺刺在图底
5、上，然后通过人工移动，旋转图底以及一些机械动作使得四个以上图底点与其所对应的像点完全重合，此时便实现了像片纠正。,Z-ZS=-H,4、纠正仪上纠正对点技术纠正仪：通过透视投影变换实现像片纠正的专门光学仪器。,纠正对点：在纠正仪上，运动仪器自由度，使像片控制点在承影面上的投影与图底上相应点位重合，建立像片与图底透视关系的技术过程。,1）、像片平面图的制作a、图底准面绘制图底；按图比例尺展绘控制点A、B、C、D；整饰b、纠正对点使像片上a、b、c、d点的投影与A、B、C、D重合误差0.4mmc、投影晒像承影面上放上像纸，经曝光、摄影处理后得到按成图比例尺的正射像片d、像片镶嵌若干张正射像片割去重叠
6、部分，按图幅拼接成像片平面图2）、像片平面图的质量评定影像清晰、色调均匀、反差适中镶嵌线密合（无影像重复或丢失）整饰、注记完整控制点上纠正对点误差0.4mm镶嵌线上地物衔接误差 1mm,5、像平面图的制作过程,（二）、光学微分纠正（也称之为正射投影技术） 对于所有点在底图上的投影差超过规定的0.4mm且属山地的航摄像片，可采取一定程度的近似，即使用一小块面积作为一个纠正单元进行纠正，这种纠正方法称为光学微分纠正，又称为正射投影技术。即： 对山地影像，在正射投影仪上，将影像分解成小面元的集合，以小面元为纠正单元，按小面元的断面高程来控制纠正元素，经投影变换实现纠正的技术。,通常由立体测图仪提供（
7、小面元a 对应的)地面单元物方坐标A(X,Y,Z），由已建立的物像关系保证A，a对应，根据（X,Y）及像片上小面元a内的影像灰度，依比例尺晒印出正射影像。光学微分纠正特点：使用正射投影仪作业；适用于起伏地区（消除倾斜位移及高差位移）；作业依赖于立体测图仪或DEM提供的地面几何模型；成果为逐面元晒印得到规定比例尺的正射影像（三）、数字纠正对各类地区，在数字摄影测量系统上，以数字图像的像元为纠正单元，根据已建立的物像关系及DEM，逐像元的经数字投影变换实现纠正的技术。数字纠正的特点：使用数字摄影测量系统作业；适用于各类地区，是逐像元的严格纠正；作业所需DEM可在同一系统中自动生成；成果为数字正射影
8、像。,1、数字微分纠正的基本原理,数字纠正: 像素的几何位置和灰度,x = fx (X，Y) ； y = fy (X，Y) X = x (x，y)； Y = y (x，y),反解法,数字微分纠正与光学微分纠正一样，是实现两个二维图像之间的几何变换,正解法,在已知像片内定向参数，外方位元素以及数字高程模型的前提下，按一定的数学模型用控制点解算,2、反解法（间接法）数字微分纠正,在已知像片内定向参数，外方位元素以及数字高程模型的前提下，可以进行数字微分纠正的反解算法，其步骤如下：（1）首先，按照图比例尺的要求将作业范围内的地面模型格网的间隔X和Y的值重新确定，根据地面模型格网缩小图比例尺大小，即可
9、得到纠正影像的格网。（2）、计算地面点坐标设正射影像上任意一点（象素中心）P的坐标为(X,Y)。由正射影像左下角图廓点坐标(X0,Y0)与正射影像比例尺分母M，计算P点所对应的地面坐标(X,Y)。,X X0 + M X Y Y0 + M Y,DEM,(X0,Y0),（3）、计算像点坐标(x,y)或像点扫描坐标（I，J）,DEM,(X0,Y0),应用共线方程求解原始图像上相应像点坐标(x,y)：,式中，Z是P点的高程，由DEM内插得到。需要注意的是这里算得的坐标不是以行列号表示的扫描坐标，因此还应由内定向将扫描坐标转换为原始图像的像点坐标。,在所有理论讨论中均取用像片坐标系中的像点坐标值x、y。
10、原始数字影像像元素的位置是以“扫描坐标系”行J（步进方向）、列I（扫描方向）为计量，为此，应利用像片坐标与扫描坐标之关系，求得相应的扫描坐标I、J，也可直接由X、Y、Z求解I、J。由于在象片扫描的数字化过程中，其扫描坐标系一般只是大致平行于象片坐标系，所以同一点的象片坐标x、y与其扫描坐标I、J不相等。由于影像数字化过程中可能产生的仿射变形，所以由下式,得到：,式中的系数L1、L2L11是内定向参数m1、m2、n1、n2，像主点坐标I0、J0，旋转矩阵元素ai、bi、ci以及摄站坐标XS、YS、ZS的函数。 根据上式即可由纠正后影像坐标X、Y、Z直接获得数字化影像的像元素扫描坐标I、J。,（4
11、）、灰度内插（插值） 由于所求得的原始图像上的像点坐标不一定正好落在其扫描采样的点子上，以此，这个像点的灰度值不能直接读出，必须进行灰度内插，一般采用双线性内插方法求得像点p的灰度值g(x,y)。,优点：由于此法是从输出的某一个有规律的数字地面模型的节点（X，Y）出发，反算其相应的输入影像点的点位（x，y），此时数字地面模型上的节点高程Z是已知的，故可以直接使用。 缺点：由于反算而得的在原始影像上的象元素，一般不会正好落在其扫描采样的点子上，则这点的灰度值不能直接读取，还需进行内插求得，这个过程叫重采样。最后进行赋值。,（5）、灰度赋值 最后将原始图像上像点p的灰度值赋给纠正后的正射影像上相应
12、的像元素P， 即G(X,Y)=g(x,y) 依次对每个纠正像元素进行上述运算，即能获得纠正的数字图像，该方法称之为数字微分纠正的反解算法。,反解法解算流程,X,Y,纠正影像,原始影像,x,y,灰度内插,反算,3、正解法（直接法）数字微分纠正,原始影像,正射影像,Z?,对于单张未知外方位元素的航摄像片而言， a. 进行单张像片空间后方交会：即根据一张航摄像片上不在一条直线上的三个以上已知点的地面坐标，建立摄影中心、像方点、地物点三点共线的共线方程计算该像片6个外方位元素。,b. 量测像点坐标（x、y） c. 取一高程近似值Z。 d. 将（x、y）及Z，代入共线方程式，计算出地面平面坐标近似值（X
13、1，Y1）。,e. 将（X1、Y1）及DEM内插出高程Z1。f. 重复（d、e）两步骤，直至（Xi+1,Yi+1,Zi+1）与（Xi,Yi,Zi）之差小于给定的限差。用单张像片与DEM制作正射影像是一个迭代求解过程,g. 灰度赋值 最后将原始图像上像点p的灰度值赋给纠正后的正射影像上相应的像元素P， 即G(X,Y)=g(x,y) 对于这样所取点的高程Zp必须用一种方法获得，一般是通过在规则点位的数字地面模型中内插而得。优点：可以直接使用磁带上并存储在一组存储地址内的象元素。缺点：它输出的纠正后的象点不保持为等距离间隔的点子，为非规则排列，有的像元素内可能空白（无像点），有的可能重复（多个像点）
14、，因此难以实现灰度内插获得规则排列的纠正数字影像。 Zp是Xp和Yp的函数，所以需逐渐趋近。正解法实际上是由一个二维图像（x，y）变换到三维空间（X，Y，Z）的过程。,正解法解算流程,x,y,X,Y,原始影像,纠正影像,非规则排列的,二维图像 三维空间 迭代求解,正解法缺点,4、数字纠正实际解法,以“面元素”作为“纠正单元”,反算公式计算该纠正单元4个“角点”的像点坐标，而纠正单元内的坐标则用双线性内插求得；求得像点坐标后，再由灰度双线性内插求其灰度值。,三、 航测综合法测图,综合法测图作业流程,综合法测图的特点：1、适用于地面较平坦的地区；2、相对经纬仪测量方法而言，综合法作业速度快，劳动强
15、度低；3、相对立体测图方法而言，综合法仍有二次外业，作业效率不高（是摄影测量方法与经纬仪测量方法相结 合的作业方式）；,9.2 数字正射影像图的制作方法,数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）是以航摄像片或遥感影像(单色彩色)为基础，经扫描处理并经逐像元进行辐射改正、微分纠正和镶嵌，按地形图范围裁剪成的影像数据。并将地形要素的信息以符号、线画、注记、公里格网、图廓(内外)整饰等形式填加到该影像平面上，形成以栅格数据形式存储的影像数据库。它具有地形图的几何精度和影像特征。数字正射影像图具有精度高、信息丰富、直观逼真、现实性强等优点。可作为背景控制信息评价其他数据的
16、精度、现实性和完整性；可从中提取自然信息和人文信息，并派生出新的信息和产品，为地形图的修测和更新提供良好的数据和更新手段。由于获取制作正射影像的数据源不同，以及技术条件和设备的差异，所以，数字正射影像图的制作有多种方法,9.2 数字正射影像图的制作方法,1全数字摄影测量方法 通过数字摄影测量系统来实现，即对数字影像对进行内定向、相对定向、绝对定向后，形成DEM，按反解法（间接法）做单元数字微分纠正，将单片正射影像进行镶嵌，最后按图廓线裁切得到一幅数字正射影像图，并进行地名注记、公里格网和图廓整饰等。经过修改后，绘制成DOM或刻录光盘保存。2单片数字微分纠正 如果一个区域内已有DEM数据以及像片
17、控制成果，就可以直接使用该成果数据制作DOM。 主要流程是对航摄负片进行影像扫描后，根据控制点坐标进行数字影像内定向，再由DEM成果做数字微分纠正，其余后续过程与上述方法相同。,9.2 数字正射影像图的制作方法,3正射影像图扫描 若已有光学投影制作的正射影像图，可直接对光学正射影像图进行影像扫描数字化，再经几何纠正就能获取数字正射影像的数据。几何纠正是直接针对扫描图像变换进行数字模拟，扫描图像的总体变形过程可以看做是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲等基本变形的综合作用结果。纠正前后同名像点之间的坐标关系式可以用一个适当的多项式来表达， x、y为像素点的像点坐标； X、Y为同名像素点的地面(或
18、图面)坐标； 对每一个控制点，已知其地面坐标及像点坐标，可以列出上面两个方程式，根据提供的控制点的个数决定多项式的阶数。为了减少由于控制点选得不准确产生的不良后果往往要求有较多的多余控制点数，通过平差解求多项式系数。,DOM的制作,航空摄影测量法,航天遥感测量法,波段选择正射纠正,数字正射影像图DOM是利用航空/卫星遥感影像，经逐像元纠正，按图幅裁切成的影像图,正射参数设置正射纠正正射影像镶嵌图幅影像裁切,DOM的质量控制,野外检测：检查正射影像的绝对精度与等高线图或线划地图套合后进行目视检查。利用左右影像制作两幅正射影像，构成零立体，通过量测正射影像对上同名像点的视差进行检测,航测法生产DO
19、M案例,DLG的生产方法,数字线划地图DLG（Digital Line Graphs）是现有地形图上基础地理要素分层存储的矢量数据集,航空摄影测量法先外后内测图方式先内后外测图方式内外采编一体化测图方式航天遥感测量法地形图扫描矢量化法数字线化图缩编法,航测法生产DLG案例,DRG的制作,对单色或彩色原图扫描时，原图必须平整、无折、点线清晰、色彩标准，现势性符合标准要求,图形扫描: 扫描分辨率一般不低于400dpi图幅定向: 将DRG 扫描仪坐标变换为高斯投影平面坐标几何校正: 消除地图及产生的几何畸变色彩纠正: 对DRG 进行编辑、设色及色彩校正,数字栅格地图DRG（Digital Raster Graphic）是纸质地形图的栅格形式的数字化产品,
