第4章 解析空中三角测量ppt课件.ppt

1,第四章 解析空中三角测量,1 概 述2 影像连接点的类型与设置3 像点坐标量测与系统误差预改 正4 航带法空中三角测量5 独立模型法区域网空中三角测量,2,6 光束法区域网空中三角测量7 系统误差补偿与自检校光束法区域网平差 8 摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差9 GPS辅助空中三角测量10 自动空中三角测量,3,4.1概 述,解析空中三角测量的目的和意义解析空中三角测量的分类进行解析空中三角测量所必须的信息,4,不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状可快速地在大范围内同时进行点位测定，以节省野外测量工作量不受通视条件限制区域内部精度均匀，且不受区域大小限制,一、解析空中三角测量的意义,5,为测绘地形图提供定向控制点和像片定向参数测定大范围内界址点的统一坐标单元模型中大量地面点坐标的计算解析近景摄影测量和非地形摄影测量,二、解析空中三角测量的目的,6,三、解析空中三角测量的分类,单模型法航带法区域网法,航带法独立模型法光线束法,7,四、解析空中三角测量的信息,非摄影测量信息：将空中三角测量网纳入到规定物方坐标系所必须的基准信息。,像片上量测的像点坐标包括：控制点、定向点、连接点、待求点,摄影测量信息：,大地测量观测值距离角度天文经纬度局部坐标,像片外方位元素高差仪记录摄站坐标像片姿态摄站坐标差,相对控制条件湖面等高平面圆周共线,8,4.2、影像连接点的类型与设置,人工转刺点（利用刺点针、立体镜）仪器转刺点（利用转点仪)标志点明显地物点（自然点）数字影像匹配转点,9,转刺点,10,数字影像匹配转点,11,标志点,标志点直径大小经验公式：,12,明显地物点,13,点之记,14,4.3点坐标量测与系统误差预改正,像点坐标的量测,摄影材料变形改正,摄影机物镜畸变差改正,大气折光改正,地球曲率改正,15,像点坐标的量测,数字的、自动化（或半自动化）形式，直接在计算机上进行。,影像匹配的方法来实现像点坐标的自动量测,16,摄影材料变形改正,均匀变形和不均匀变形,x=a0+a1 x+a2 y+a3xy y=b0+b1x+b2 y+b3xy,框标,17,摄影机物镜畸变差改正,物镜畸变差包括对称畸变和非对称畸变,x=-x(k0+k1r2+k2r4)y=-y(k0+k1r2+k2r4),r 是以像主点为极点的向径；x，y 为像点坐标改正数；x，y 为像点坐标；k0，k1，k2 为物镜畸变差改正系数，由摄影机鉴定获得。,18,大气折光改正,大气折光引起像点在辐射方向的改正,rf为折光差角；n0和nH为地面和高度H处的大气折射率。,大气折光引起像点在径向的变形,大气折光引起像点在坐标向的变形,大气折光差引起的像点坐标的改正值；x，y 为大气折光改正以前的像点坐标,19,地球曲率改正,由地球曲率引起像点坐标在辐射方向的改正：,r是以像底点为极点的向径f为摄影机主距；H为摄站点的航高；R为地球的曲率半径,20,像点坐标的改正分别为,摄影材料变形、摄影物镜畸变差、大气折光差和地球曲率改正后像点坐标,21,4.4 航带法空中三角测量,对象是一条航带的模型，即首先要把许多立体像对所构成的单个模型连接成航带模型，把一个航带模型视为一个单元模型进行解析处理,22,主要内容,一、基本思想与流程二、自由航带网的构建三、单航带空中三角测量四、航带法区域网平差,23,一、基本思想与流程,把许多立体像对构成的单个模型连结成一个航带模型，将航带模型视为单元模型进行解析处理，通过消除航带模型中累积的系统误差，将航带模型整体纳入到测图坐标系中，从而确定加密点的地面坐标,基本思想,24,一、基本思想与流程,像点坐标系统误差预改正立体像对相对定向模型连接构建自由航带网航带模型绝对定向航带模型非线性改正加密点坐标计算,基本流程,25,航带法,26,二、自由航带网的构成,包括像对的相对定向和模型连接,27,二、构建自由航带网（连续法相对定向）,归化系数,28,模型连接,29,模型比例尺归化系数k是取用由公共点2、4、6上求得的平均值,k均=1/3（k2+k4+k6）,在后一模型中，每一模型点的空间辅助坐标以及基线分量BX、BY、BZ均需乘以归化系数k,30,第二模型及以后各模型的摄站点的摄影测量坐标为：,31,第二模型及以后各模型中模型点的摄影测量坐标为：,32,二、构建自由航带网（单独法相对定向）,33,二、构建自由航带网（单独法相对定向）,模型坐标,摄站坐标,34,三、航带模型的绝对定向,选择不位于一条直线上、跨度尽量大的足够数量的控制点作为绝对定向点（至少两个平高控制点、一个高程控制点）,35,四、航带模型非线性改正,1、三次非完全多项式(3 x 7=21参数),用一个多项式曲面拟合航带网复杂的变形曲面，使该曲面经过航带网已知点时，所求得坐标变形值与它们实际的变形值相等或使其残差的平方和为最小。,36,四、航带模型非线性改正,1、三次非完全多项式(3 x 7=21参数),37,四、航带模型非线性改正,2、二次多项式(3 x 5=15参数),38,五、航带法区域网平差,按照单航带法构成自由航带网利用本航带的控制点及与上一航带的公共点进行三维空间相似变换，将整区各航线纳入统一的坐标系中同时解求各航带非线性变形改正系数计算各加密点坐标,1、基本思想,39,五、航带法区域网平差,2、重心化坐标计算,区域重心坐标,航线重心坐标,重心化坐标,40,五、航带法区域网平差,3、误差方程式的建立(取二次项形式),控制点：,公共点：,41,五、航带法区域网平差,误差方程矩阵形式,42,五、航带法区域网平差,总误差方程,误差方程数,43,五、航带法区域网平差,待定点地面坐标计算,44,4.5 独立模型法区域网空中三角测量,把一个单元模型视为刚体，利用各单元模型彼此间的公共点连成一个区域，在连接过程中，每个单元模型只能作平移、缩放、旋转，通过单元模型的三维线性变换来完成。,一、独立模型法区域网空中三角测量的基本思想,45,46,二独立模型法区域网空中三角测量的主要内容,(1)求出各单元模型中模型点的坐标，包括摄站点坐标；(2)利用相邻模型之间的公共点和所在模型中的控制点，对每个模型各自进行空间相似变换，列出误差方程和法方程；(3)建立全区域的改化法方程，并按循环分块法求解，求得每个模型的7个参数。(4)由已经求得的每个模型的7个参数，计算每个模型中待定点平差后的坐标。若为相邻模型的公共点，则取其平均值作为最后结果。,47,三独立模型法区域网空中三角测量的数学模型,为单元模型中任一模型点（包括投影中心）的重心化摄测坐标；,地面摄测坐标,模型重心在地面摄测坐标系中的坐标,48,仿照模型的绝对定向，对空间相似变换公式进行线性化,绝对定向线性化公式,49,仿照模型的绝对定向，对空间相似变换公式进行线性化,独立模型法区域网平差线性化公式,相邻模型点坐标改正数,模型公共点坐标均值，每次迭代后更新改坐标值,50,为了计算方便，把误差方程式中的未知数分为两组。,每个模型的7个定向参数,待定点地面坐标改正数,误差方程写成矩阵形式,对于公共点（相邻模型公共连接点）,对于控制点,模型定向未知数,待定点坐标改正数,51,相应的法方程为：,或：,模型定向未知数,待定点坐标改正数,52,通常待定点坐标未知数X远远大于定向未知数t的个数，因此在法方程求解时，往往先消去其中含未知数较多的X,得到仅含未知数t的改化法方程：,消元法,算出每个模型的定向参数后，再利用空间相似变换计算待定点的地面摄测坐标,53,独立模型法区域网空中三角测量计算量大：4条航线每条航线10个模型每个模型6个点定向参数：4 x 10 x 7=280个,54,4.6 光束法区域网空中三角测量,1.光束法区域网空中三角测量的基本思想与内容2.误差方程式和法方程式的建立3.两类未知数交替趋近法4.三种区域网平差方法的比较5.解析空中三角测量的精度分析,55,一、基本思想与流程,原理图,以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入到控制点坐标系中，从而确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素。,56,光束法,一条光束平差的基本单元,共线方程平差的基础方程,旋转和平移,已知的控制点坐标系统,57,58,一、基本思想与流程,像片外方位元素和地面点坐标近似值的确定逐点建立误差方程式并法化改化法方程式的建立求出每片的外方位元素加密点坐标计算,基本流程,59,二、像片外方位元素和地面点坐标近似值的确定,将每个立体像对进行相对定向和模型连接构建自由航带网，利用航带中的控制点及相邻航线间的公共点对航线进行绝对定向以求得每一张像片的外方位元素和加密点的地面坐标，以此作为未知数的近似值,60,2.误差方程式和法方程式的建立,光线束法区域网平差是以共线条件方程式作为其基本数学模型,误差方程,61,2.误差方程式和法方程式的建立,误差方程式矩阵的形式：,62,L=lx,lyT,63,法方程式为：,改化法方程式,求出每幅影像的外方位元素后，再利用空间前方交会方法，即可求得全部待定点的地面坐标。,64,如果每幅影像的外方位元素为已知,首先利用地面点的近似坐标作为已知值，求出每幅影像的外方位元素，然后，再用外方位元素新值计算每点地面坐标，反复趋近.,65,光束法区域网空中三角测量的基本内容,影像外方位元素和地面点坐标近似值的确定,由控制点和待定点的像点坐标出发，按每条摄影光线的共线条件方程列出误差方程式,66,逐点法化建立改化法方程式，通常是先求得每幅影像的外方位元素。,空间前方交会求得待定点的地面坐标，对于相邻影像公共交会点应取其均值作为最后结果。,67,3.两类未知数交替趋近法,交替趋近法的基本思想源于后交前交解法，,已知地面点的坐标,68,光束法区域网平差方法的特点,以单张影像为平差单元，影像坐标量测值为观测值,能方便地顾及影像系统误差的影响，便于引入非摄影测量附加观测值,69,4.三种区域网平差方法的比较,1)航带法观测值：自由航带坐标，不是真正的原始观测值。未知数少，计算快，但精度低。,2)独立模型法观测值：模型点坐标。未知数多，计算慢，精度较高。,3)光束法观测值：像点坐标（原始观测值，便于引入非摄影测量附加参数）。需要线性化，未知数多，计算量大，计算速度慢，但最严密，精度最高。,70,5 解析空中三角测量的精度分析,解析空中三角测量的任务是解决目标点的空间定位问题，定位精度如何?,理论精度,实际精度,71,理论精度:把待定点的坐标改正数视为随机变量，在最小二乘平差计算中，求出坐标改正数的方差协方差矩阵。,5 解析空中三角测量的精度分析,72,解析空中三角测量的理论精度,区域网空中三角测量的精度最弱点位于区域的四周，而不在区域的中央,当密集周边布点时，光束法区域网的理论精度不随区域大小而改变,73,密周边布点,周边布点,四角布点,74,当控制点稀疏分布时，区域网的理论精度会随着区域的增大而降低。,区域网平差的高程理论精度取决于控制点间的跨度而与区域大小无关。,75,解析空中三角测量控制点布设的原则,平面控制点应采用周边布点。高精度加密点位时宜采用跨度 i2b的密周边布点，区域愈大愈有利。高程控制点应布成锁形。高程控制点沿旁向间距为2b，沿航向间距则根据要求的精度而定,76,解析空中三角测量控制点布设的原则,如果有GPS非摄影测量数据，可以在区域四角各布设一个平高控制点（需要构架航线）。为提高区域网的可靠性，控制点可布成点组。在不增加控制点的情况下，通过扩大平差区域范围（上、下各增加一条航带，左右各增加一个模型），可以提高精度和可靠性。,77,解析空中三角测量的实际精度,利用摄影测量的试验场是研究区域网空中三角测量实际精度的最有效方法,78,3.7 系统误差补偿与自检校光束法区域网平差,影像坐标系统误差的特性补偿系统误差的方法利用附加参数的自检校法,79,影像坐标系统误差的特性,系统误差,物镜畸变差,软片的压平误差,航摄飞机带来的误差,大气折光差,随机的特性,80,81,82,补偿系统误差的方法,试验场检校法:它是一种直接补偿方法，由联邦德国 Kupfer教授提出，利用真实摄影飞行条件下的试验场检校，由大量地面控制点求得补偿系统误差的参数。,验后补偿法:不改变平差程序，通过对平差后残差大小及方向的分析来推算影像系统误差的大小及特征，然后在观测值上引入系统误差改正。,自检校法:最常用的补偿系统误差方法是自检校法。,83,利用附加参数的自检校法,采用一个用若干附加参数描述的系统误差模型，在区域网平差的同时解求这些附加参数，达到自动测定和消除系统误差的目的,V1=A1X1+A2X2+A3X3 L1 权矩阵P1V2=I2X2-L2 权矩阵P2 V3=I3X3 L3 权矩阵P3,84,系统误差模型的选择,美国的布朗博士提出了包含四类改正项共21个参数的模型,85,a1-a12,软片变形和非径向畸变,a13-a15,压片不平引起的畸变,a16-a18,对称的径向畸变和径向压平误差,86,Ebner教授提出，含12个附加参数,3*3,5*5,可用44参数模型,87,自检校平差的效果与信噪比,信噪比愈大，自检校平差的效果愈好。,当信噪比小时，系统误差将受到偶然误差严重的干扰。,88,4.8摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差,联合平差的概念联合平差的发展过程联合平差中非摄影测量观测值条件方程的建立 GPS辅助空中三角测量,89,联合平差中非摄影测量观测值条件方程的建立,任何增加的非摄影测量观测值都可以按相应条件方程写出其误差方程式并一起进行联合平差,90,直线条件-已知的铅垂线,假设已知铅垂线上有一个点为点1，则任意另一个点i的条件方程式为,91,全球定位系统（GPS）,92,Global Positioning System,Your location is:37o 23.323 N122o 02.162 W,Control Segment(B),93,94,GPS-supported aerial triangulation,95,4.9 GPS辅助空中三角测量(基本原理),由GPS所确定的摄站位置，可作为辅助数据用于区域网联合平差GPS摄站坐标在区域网联合平差中是极其有效的，只需要中等精度的GPS摄站坐标即可满足测图的要求,96,传统摄影测量加密,97,GPS辅助空中三角测量,98,单差分方式相对动态GPS定位示意图,带GPS的航空摄影,99,作业过程,现行航空摄影系统改造及偏心测定带 GPS信号接收机的航空摄影解求GPS摄站坐标GPS摄站坐标与摄影测量数据联合平差，以确定目标点位并评定其质量,100,现行航空摄影系统改造,101,GPS航空摄影系统的空间偏移,102,GPS摄站坐标解求,武汉大学研制成功了相应的GPS差分动态定位软件DDkin（GPS kinematic positioning）,103,GPS 辅助光束法平差,误差方程是在自检校光束法区域网平差基础上顾及投影中心与机载GPS天线相位中心几何关系所得到的一个基础方程法方程仍为镶边带状矩阵,但边宽加大了,而其良好稀疏带状结构并没有破坏。因此可用传统的边法化边消元的循环分块解法求解测区两端必须要布设足够的地面控制点或采用特殊的像片覆盖图,104,投影中心与GPS天线相位中心之几何关系,105,GPS摄站坐标误差方程,顾及动态GPS定位之系统误差线性化之误差方程,106,建议采用的地面控制方案,107,GPS辅助光束法误差方程,将GPS摄站坐标视为带权观测值引入自检校光束法平差所得到的一个基础方程,108,POS辅助空中三角测量,空间前方交会解算地面点坐标（直接传感器定向）,POS辅助空中三角测量（集成传感器定向）,POS系统测定像片外方位元素 Xs,Ys,Zs,109,航摄相机 导航控制系统 IMU高精度姿态测量系统 IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机,POS系统,目前国际商用系统：1、加拿大POS系统 2、德国Aerocontrol IId系统,110,POS系统,111,POS航空摄影系统的空间偏移,112,空间前方交会,单模型点投影系数法,多片最小二乘平差法,113,POS辅助空中三角测量,114,布设检校场,检校场的布设,飞机进场时飞S弯,115,1:50000比例尺航测成图可无需地面控制点和空三加密根据实验结果，1:50001:10000比例尺航测成图可省去地面控制；建议加测少量控制点参与平差，提高整体精度，并检核成图精度1:1000和1:2000比例尺航测成图可大大减少野外像控测量工作量,POS试验与结论,116,航空摄影测量作业,航空摄影,外业控制,空三加密,内业成图,POS,117,发展与展望,进一步的发展还可以在飞机上利用三个GPS接收天线，使用差分GPS干涉测量确定飞行中飞机的姿态参数（，），通过对数据进行检校和基准变换，最终将直接提供摄影机的六个定向参数。,118,GPS定位系统与 INS惯性导航系统组合起来也可以用来测定六个外方位元素。这样一来，空中三角测量将变得非常简单甚至就完全没有必要进行空中三角测量了。,119,3.10 自动空中三角测量,在线空中三角测量的概念自动空中三角测量GPS/POS辅助全自动空中三角测量,120,在线空中三角测量,利用电子计算机的高速运算和联机操作控制的优点，把像点坐标的量测与最小二乘平差计算放在同一个环节中进行，一边进行观测一边进行运算，无需分成两个阶段。,特点：可采用序贯算法，这种算法保证了在剔除粗差点的过程中，无需将全部计算重新进行一遍，而只是做与改点有关的计算。参考著作摄影测量原理续篇王之卓,121,自动空中三角测量,自动空中三角测量就是利用模式识别技术和多像影像匹配等方法代替人工在影像上自动选点与转点，同时自动获取像点坐标，提供给区域网平差程序解算，以确定加密点在选定坐标系中的空间位置和影像的定向参数,122,1构建区域网2.自动内定向3自动选点与自动相对定向 4多影像匹配自动转点5控制点的半自动量测6摄影测量区域网平差,123,内 定 向,人工将影像框标对准 像片盘框标,人工照准、量测影像 框标坐标,计算机自动识别、照准影像框标,124,实现了内定向自动化,125,相 对 定 向,用bX,bY,元素，逐次趋近,人工照准 并消除6个标准点的上下视差，自动计算,计算机自动照准同名点、自动计算,126,127,GPS/POS辅助全自动空中三角测量,机载定位定向系统POS（Position and Orientation System）是基于全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）的直接测定影像外方位元素的现代航空摄影导航系统，可用于在无地面控制或仅有少量地面控制点情况下的航空遥感对地定位和影像获取。,128,GPSIMU（Inertial Measurement Unit）+全自动空中三角测量=“无控制”空中三角测量,129,常规航空摄影,野外影像控制点联测,室内人工选点、转点光机坐标仪上人工量测像点坐标,摄影测量区域网平差,(a)常规空中三角测量,带GPS/POS的航空摄影,对数字化影像进行多片影像匹配自动转点自动量测像点坐标,带GPS/POS数据的区域网联合平差,(b)GPS辅助自动空中三角测量,摄影测量区域网平差的主要过程,130,第三章总结,2.光束法区域网空中三角测量,1.解析空中三角测量的目的和意义,