《攝影測(cè)量學(xué)緒論》課件

攝影測(cè)量學(xué)概述攝影測(cè)量學(xué)是利用攝影技術(shù)進(jìn)行空間測(cè)量和分析的學(xué)科。它是工程測(cè)量中的一個(gè)重要分支,在航天、地質(zhì)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本課程將全面介紹攝影測(cè)量學(xué)的基本理論和實(shí)踐操作。攝影測(cè)量學(xué)的概念和歷史定義攝影測(cè)量學(xué)是利用照片和影像進(jìn)行測(cè)量和分析的一門學(xué)科。它可以精確地獲取目標(biāo)物體的幾何信息。起源攝影測(cè)量學(xué)最早起源于19世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)照片可以用于測(cè)繪和測(cè)量。發(fā)展隨著相機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步,攝影測(cè)量學(xué)在測(cè)繪、遙感、文物保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程1早期發(fā)展時(shí)期20世紀(jì)初,攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)始被引入,最初主要用于制圖和地形測(cè)繪等領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)相機(jī)和記錄設(shè)備能力有限,測(cè)量精度較低。2中期發(fā)展時(shí)期20世紀(jì)中葉,隨著航空攝影的興起,攝影測(cè)量在地圖制作、城鄉(xiāng)規(guī)劃等方面得到廣泛應(yīng)用,測(cè)量精度和效率顯著提升。3現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期21世紀(jì)以來(lái),數(shù)字相機(jī)、衛(wèi)星遙感等新技術(shù)的發(fā)展,使攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字時(shí)代,測(cè)量范圍更廣、精度更高、效率更快。攝影測(cè)量學(xué)的研究對(duì)象地物測(cè)繪攝影測(cè)量學(xué)研究如何利用相機(jī)獲取地物的三維信息,并繪制出精確的地圖。建筑測(cè)繪攝影測(cè)量學(xué)可以用于記錄和分析建筑物的立體空間信息,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。自然環(huán)境測(cè)繪攝影測(cè)量學(xué)可以用于測(cè)繪山川、森林、湖泊等自然環(huán)境的三維信息。考古測(cè)繪攝影測(cè)量學(xué)可以用于記錄和分析考古遺址的三維空間信息,為考古研究提供數(shù)據(jù)。攝影測(cè)量的基本原理空間坐標(biāo)系攝影測(cè)量利用相機(jī)在空間中的位置和姿態(tài)來(lái)獲取物體的三維信息。相機(jī)與被攝對(duì)象的空間關(guān)系構(gòu)成了測(cè)量的基礎(chǔ)。成像原理攝影測(cè)量基于相機(jī)鏡頭的成像原理，利用像平面上的影像點(diǎn)來(lái)確定物體在三維空間中的位置。幾何約束攝影測(cè)量利用影像幾何特性來(lái)推導(dǎo)出物體在三維空間中的位置和形狀信息。這需要滿足一定的幾何約束條件。成像參數(shù)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)是獲取三維信息的關(guān)鍵。對(duì)這些參數(shù)的精確測(cè)量和標(biāo)定是攝影測(cè)量的基礎(chǔ)。攝影測(cè)量的主要應(yīng)用領(lǐng)域地理信息系統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)可提供地形、地物、影像等信息,支撐地理信息系統(tǒng)的建立和更新。遙感技術(shù)航空和衛(wèi)星攝影測(cè)量能獲取廣闊區(qū)域的高分辨率影像數(shù)據(jù),支撐遙感技術(shù)的發(fā)展。工程測(cè)量攝影測(cè)量可快速高效地獲取建筑物、道路、管線等工程設(shè)施的三維信息?？脊排c文物保護(hù)近景攝影測(cè)量能記錄和測(cè)繪文化遺產(chǎn),為考古調(diào)查和文物保護(hù)提供重要支撐。攝影測(cè)量?jī)x器設(shè)備大地測(cè)量?jī)x器用于測(cè)量地表特征的專業(yè)測(cè)量設(shè)備,包括經(jīng)緯儀、全站儀等,是攝影測(cè)量工作的基礎(chǔ)。航空攝影機(jī)用于高空航拍的專業(yè)相機(jī),可以高效快速獲取大范圍區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)利用數(shù)字傳感器捕捉影像的攝像機(jī),為攝影測(cè)量數(shù)字化做好準(zhǔn)備。激光掃描儀利用激光技術(shù)精準(zhǔn)掃描三維物體表面形狀的高科技測(cè)繪設(shè)備。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)的特點(diǎn)高分辨率數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)擁有日益提高的像素?cái)?shù)和解析度,可以捕捉高質(zhì)量的影像細(xì)節(jié),為后續(xù)的測(cè)量分析提供優(yōu)越的數(shù)據(jù)源。自動(dòng)化能力這些相機(jī)集成了自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)曝光等功能,大大提高了工作效率,降低了人工干預(yù)的需求。高精度定位內(nèi)置GPS和陀螺儀等傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量相機(jī)的位置和角度,為三維建模和攝影測(cè)量提供重要的定位數(shù)據(jù)。數(shù)字影像處理專業(yè)的圖像處理軟件可以對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行校正、配準(zhǔn)等預(yù)處理,以滿足攝影測(cè)量的各種要求。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)的分類專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)具有高像素、高動(dòng)態(tài)范圍和出色的光學(xué)成像能力,廣泛應(yīng)用于航空航天、工程測(cè)量等領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)航拍相機(jī)無(wú)人機(jī)搭載的專業(yè)航拍相機(jī)能夠快速獲取大范圍地區(qū)的高分辨率影像數(shù)據(jù),適用于遙感、地圖制作等領(lǐng)域。手持式近景相機(jī)輕便的手持式相機(jī)可用于近景攝影測(cè)量,如文物測(cè)繪、建筑測(cè)量等,能快速獲取所需的影像數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)的標(biāo)定1相機(jī)內(nèi)部定標(biāo)確定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，如焦距、主點(diǎn)位置等。2相機(jī)外部定標(biāo)確定相機(jī)在空間中的位置和姿態(tài)。3綜合定標(biāo)結(jié)合內(nèi)外部參數(shù)進(jìn)行整體定標(biāo)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)標(biāo)定是確保數(shù)據(jù)精度的關(guān)鍵步驟。通過(guò)一系列精密的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，可以全面確定相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，為后續(xù)的三維重建和測(cè)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。影像坐標(biāo)系和物方坐標(biāo)系的建立1影像坐標(biāo)系定義在相機(jī)成像平面上的二維坐標(biāo)系2物方坐標(biāo)系定義在被攝對(duì)象實(shí)際三維空間中的坐標(biāo)系3坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換利用相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換建立影像坐標(biāo)系和物方坐標(biāo)系是攝影測(cè)量的基礎(chǔ)。影像坐標(biāo)系定義在相機(jī)成像平面上,用來(lái)描述像點(diǎn)的位置。物方坐標(biāo)系定義在被攝對(duì)象的實(shí)際三維空間中,用來(lái)描述物體的位置。通過(guò)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,為后續(xù)的測(cè)量和計(jì)算奠定基礎(chǔ)。單幅像片的幾何特性相機(jī)位置單幅像片是由某一確定位置的相機(jī)所拍攝,因此它記錄下的物體的位置和大小都與相機(jī)位置密切相關(guān)。透鏡特性相機(jī)鏡頭的焦距、光學(xué)特性等會(huì)影響像片的幾何特性,如成像比例、畸變等。觀測(cè)角度相機(jī)拍攝物體的角度會(huì)決定物體在像片上的投影,比如物體的大小、形狀等。雙重像片的立體觀測(cè)雙幅像片的重合利用雙幅像片中具有重疊區(qū)域的內(nèi)容,通過(guò)視差分析實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)。視差角的測(cè)量計(jì)算左右兩幅像片上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的視差角,可以得到目標(biāo)物體的高度信息。三維坐標(biāo)的確定結(jié)合視差角和相機(jī)參數(shù),可以推算出目標(biāo)物體在三維空間中的具體坐標(biāo)。攝影測(cè)量的工作流程1數(shù)據(jù)采集通過(guò)攝影機(jī)或掃描儀獲取高質(zhì)量的數(shù)字影像,為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)。2圖像處理對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、輻射校正和色彩校正等處理,提高圖像質(zhì)量。3三維重建利用雙幅影像的立體視差,通過(guò)數(shù)字匹配技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字表面模型。4數(shù)據(jù)分析從三維重建的數(shù)據(jù)中提取所需的地理信息,包括坐標(biāo)、高程、面積等。5成果輸出將處理后的數(shù)據(jù)以地圖、數(shù)字模型等形式呈現(xiàn),滿足測(cè)量、制圖等實(shí)際需求。影像航測(cè)技術(shù)1航空攝影測(cè)量利用航空攝影圖像進(jìn)行地形測(cè)繪和地物測(cè)量的技術(shù)手段。具有覆蓋面廣、獲取信息全面的特點(diǎn)。2空間航測(cè)圖像衛(wèi)星或高空航拍獲取的數(shù)字影像數(shù)據(jù),可用于制作地形圖、影像圖等。分辨率較高,信息豐富。3數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量采用數(shù)字相機(jī)進(jìn)行拍攝,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)處理數(shù)字影像的新型攝影測(cè)量方法。具有自動(dòng)化、高精度的特點(diǎn)。4多源影像融合將衛(wèi)星影像、航空影像、無(wú)人機(jī)影像等多源數(shù)據(jù)融合處理,提高影像分辨率和信息內(nèi)容。近景攝影測(cè)量技術(shù)高分辨率近景攝影測(cè)量能夠獲取高分辨率的圖像,為后續(xù)的測(cè)量和分析提供了優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。靈活性強(qiáng)近景攝影測(cè)量不受機(jī)位限制,可以針對(duì)不同的對(duì)象靈活地選擇拍攝角度和位置。應(yīng)用廣泛近景攝影測(cè)量被廣泛應(yīng)用于建筑測(cè)量、工業(yè)檢測(cè)、文物保護(hù)等領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用前景。地面控制網(wǎng)的建立1確定控制點(diǎn)位置根據(jù)測(cè)繪任務(wù)需要,選擇合適的地理位置布設(shè)控制點(diǎn)。2建立平面控制網(wǎng)采用三角測(cè)量法測(cè)量并計(jì)算控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)。3建立高程控制網(wǎng)采用水準(zhǔn)測(cè)量法測(cè)量并計(jì)算控制點(diǎn)的高程值。4加密控制網(wǎng)在初始控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加中間控制點(diǎn)。地面控制網(wǎng)的建立是攝影測(cè)量的基礎(chǔ)工作。首先需要根據(jù)測(cè)繪任務(wù)確定合適的控制點(diǎn)位置,然后采用三角測(cè)量法和水準(zhǔn)測(cè)量法分別測(cè)算控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值。最后適當(dāng)增加中間控制點(diǎn),形成密集的地面控制網(wǎng)。數(shù)字圖像像點(diǎn)測(cè)量圖像獲取利用專業(yè)的數(shù)字相機(jī)或掃描儀獲取高分辨率的圖像數(shù)據(jù)。適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置可以確保獲取精度。圖像預(yù)處理對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行幾何校正、亮度調(diào)整等預(yù)處理,為后續(xù)的像點(diǎn)測(cè)量創(chuàng)造良好條件。圖像顯示與放大通過(guò)專業(yè)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件,將圖像在電腦屏幕上顯示并進(jìn)行放大操作,以便更精確地定位像點(diǎn)。人工或自動(dòng)測(cè)量采用手動(dòng)點(diǎn)選或自動(dòng)匹配算法,在放大的圖像上精確地測(cè)量出目標(biāo)物體上的特征點(diǎn)坐標(biāo)。數(shù)據(jù)記錄與輸出將測(cè)量得到的像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)記錄下來(lái),并可以輸出為合適的數(shù)據(jù)格式以供后續(xù)處理使用。數(shù)字匹配技術(shù)在攝影測(cè)量中的應(yīng)用自動(dòng)化測(cè)量數(shù)字匹配技術(shù)能夠自動(dòng)提取數(shù)字影像上的眾多特征點(diǎn),大大提高了攝影測(cè)量的測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。三維重建通過(guò)多幅影像之間的數(shù)字匹配,可以還原出拍攝對(duì)象的三維幾何形態(tài),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的三維建模。變形監(jiān)測(cè)數(shù)字匹配技術(shù)可用于比較不同時(shí)期拍攝的影像,發(fā)現(xiàn)拍攝對(duì)象的細(xì)微變形,應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。三角測(cè)量的基本原理角度測(cè)量利用望遠(yuǎn)鏡和高精度水平角儀進(jìn)行角度測(cè)量,獲取目標(biāo)物體的角度信息。距離測(cè)量通過(guò)激光測(cè)距儀、光學(xué)測(cè)距儀等設(shè)備,測(cè)量目標(biāo)物與觀測(cè)站之間的距離。坐標(biāo)確定根據(jù)角度和距離信息,利用三角測(cè)量法計(jì)算目標(biāo)物的三維坐標(biāo)。三角測(cè)量的基本原理是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)已知點(diǎn)與未知點(diǎn)之間的角度和距離,利用三角形的幾何特性確定未知點(diǎn)的坐標(biāo)位置。這是攝影測(cè)量學(xué)中最基礎(chǔ)的測(cè)量原理,為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和建模奠定了基礎(chǔ)。數(shù)字高程模型的生成1獲取影像數(shù)據(jù)利用地面測(cè)量、航空攝影或衛(wèi)星遙感等方式獲取高程信息。2數(shù)字匹配處理通過(guò)數(shù)字影像匹配技術(shù)提取三維坐標(biāo)信息。3地形數(shù)據(jù)建模采用網(wǎng)格、三角網(wǎng)或等高線等方式建立數(shù)字高程模型。數(shù)字高程模型(DEM)是用計(jì)算機(jī)數(shù)字化表示地表三維地形的一種數(shù)據(jù)模型。它通過(guò)獲取地表高程數(shù)據(jù),采用數(shù)字匹配等方法提取三維坐標(biāo)信息,然后建立地形數(shù)據(jù)模型,形成可視化的三維地形圖。生成DEM對(duì)于航空航天遙感、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。正射影像圖的產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相機(jī)或航空遙感影像獲取原始圖像數(shù)據(jù)。幾何校正對(duì)原始影像進(jìn)行投影變換,消除地形和傾斜引起的幾何畸變。正射矯正利用數(shù)字高程模型將影像進(jìn)行正射投影,形成無(wú)畸變的正射影像圖。圖像拼接將多幅正射影像圖拼接成完整的大面積地理信息圖層。數(shù)字正射影像圖的特點(diǎn)1幾何精度高數(shù)字正射影像圖通過(guò)數(shù)字化和校正處理,可以獲得精度較高的地理空間信息。2圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良數(shù)字正射影像圖采用高分辨率數(shù)字相機(jī)拍攝,圖像清晰細(xì)膩,覆蓋范圍廣。3數(shù)據(jù)處理靈活數(shù)字正射影像圖易于數(shù)字化處理,可以進(jìn)行快速更新和編輯操作。4應(yīng)用領(lǐng)域廣泛數(shù)字正射影像圖廣泛應(yīng)用于地圖制作、工程規(guī)劃、資源管理等領(lǐng)域。攝影測(cè)量信息的獲取與處理1影像采集利用航空攝影、近景攝影或地面攝影等技術(shù)獲取全面的影像數(shù)據(jù)。2信息提取通過(guò)數(shù)字匹配、目標(biāo)檢測(cè)等方法從影像中提取所需的空間信息。3數(shù)據(jù)處理應(yīng)用三角測(cè)量、數(shù)字高程模型生成等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。攝影測(cè)量技術(shù)的前景展望無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)正在迅速發(fā)展,為攝影測(cè)量提供更高效、低成本的數(shù)據(jù)采集方式。它可廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的三維可視化展示,提高攝影測(cè)量結(jié)果的直觀性和交互性,促進(jìn)技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用。人工智能算法基于人工智能的自動(dòng)化處理算法,可提高攝影測(cè)量的工作效率和數(shù)據(jù)處理能力,為行業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的動(dòng)力。攝影測(cè)量學(xué)在地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)字正射影像圖利用攝影測(cè)量技術(shù)可以生成高分辨率的數(shù)字正射影像圖,為地理信息系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的底圖基礎(chǔ)。三維地形模型攝影測(cè)量可以有效建立數(shù)字高程模型,為地理信息系統(tǒng)構(gòu)建逼真的三維地形模型。遙感影像處理攝影測(cè)量方法可以用于遙感影像的幾何校正和信息提取,為地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和更新奠定基礎(chǔ)。地理數(shù)據(jù)管理地理信息系統(tǒng)可以利用攝影測(cè)量獲取的精準(zhǔn)空間要素?cái)?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)更高效的地理數(shù)據(jù)管理與分析。攝影測(cè)量學(xué)在遙感技術(shù)中的應(yīng)用遙感影像獲取攝影測(cè)量學(xué)為遙感影像的拍攝提供了先進(jìn)的儀器和技術(shù)支持,如高分辨率的數(shù)字相機(jī)、航空測(cè)量?jī)x等。這些技術(shù)能夠獲取高精度的遙感影像數(shù)據(jù)。影像處理與分析攝影測(cè)量技術(shù)還可用于對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正、正射糾正、影像匹配等處理,為后續(xù)的影像解譯和信息提取奠定基礎(chǔ)。地物信息提取利用攝影測(cè)量學(xué)中的數(shù)字匹配技術(shù),可自動(dòng)提取遙感影像上的地物特征信息,如地形地貌、建筑物、交通設(shè)施等。三維場(chǎng)景重建基于攝影測(cè)量學(xué)的原理,可從遙感影像中建立數(shù)字高程模型,實(shí)現(xiàn)地表三維場(chǎng)景的重建,為各類地理信息應(yīng)用提供支撐。攝影測(cè)量學(xué)在工程測(cè)量中的應(yīng)用精準(zhǔn)建設(shè)測(cè)量攝影測(cè)量技術(shù)可用于測(cè)量大型建筑物的幾何尺寸、傾斜度等參數(shù),為工程建設(shè)提供精確的數(shù)據(jù)支持。橋梁維修監(jiān)測(cè)定期進(jìn)行航拍監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的變形或損壞,為維修工作提供依據(jù)。軌道交通測(cè)量攝影測(cè)量可精確測(cè)量鐵路線路的軌距、曲率半徑等關(guān)鍵參數(shù),確保安全運(yùn)營(yíng)。攝影測(cè)量學(xué)在考古學(xué)中的應(yīng)用1記錄和保護(hù)文物遺址攝影測(cè)量技術(shù)可以精確記錄復(fù)雜文物遺址的空間特征和尺寸數(shù)據(jù),為保護(hù)和重建提供重要依據(jù)。2三維復(fù)原古代建筑通過(guò)攝影測(cè)量建立文物的數(shù)字三維模型,可以還原古代建筑的本來(lái)面貌,助力遺產(chǎn)保護(hù)與研究。3考古發(fā)掘數(shù)據(jù)采集攝影測(cè)量技術(shù)可以快速高效地采集考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),為研究分析提供重要基礎(chǔ)。4遠(yuǎn)程考古與文物管理結(jié)合信息技術(shù),攝影測(cè)量可支持遠(yuǎn)程考古調(diào)查和文物資源的數(shù)字化管理。攝影測(cè)量學(xué)在文物保護(hù)中的應(yīng)用精確記錄攝影測(cè)量技術(shù)可以精確地記錄文物的三維尺寸、形態(tài)結(jié)構(gòu)和