航片立体观察

一、实验目的

 1.了解航片的航向重叠率和旁向重叠率；

 2. 掌握用立体镜进行像片立体观察的方法（双眼生理视差的存在）

 3.正确使用立体视镜，通过立体镜观察航片成立体模型。

二、实验器材

1.反光立体镜（或桥式立体镜）如下图

三、实验原理

两个像机从相距一定距离的两点对同一目标进行摄影，产生的重叠图像，称立体像对，成为 立体像对的必要条件是像片的重叠度大于 53％。 将成为像对的两张遥感影像并排排列， 如果左眼 看左边的图像，右眼看右边的图像，就可以产生目标物的立体视觉效果，这称为立体观察。

人眼能够观察到具有立体感的客观世界，其原理是一对眼睛在观察物体时，物体在两眼的视 网膜上产生的影像之间存在生理视差。同理，像对是从不同角度摄制的同一地物的一对影像，因此存在类似生理视差的影像视差，叫做左右视差。当双眼分别观察这一对像片时，存在左右视差的像片会反映到眼睛的视网膜上，构成生理视差，由此便产生了与观察实物时一样的立体视觉效果。通常称这种人为条件下，对立体像对进行观察，而获取立体感觉为人造立体观察。

空间景物在感光材料上构像，再用人眼观察构像的像片产生生理视差，重建空间景物的立体视觉，所看到的空间景物称为立体影像，产生的立体视觉称为人造立体视觉。在摄影测量中，为了获得所摄地面的立体模型并进行量测，就要求用摄影机摄得同一景物的两张像片（称之为立体像对，保持像片的重叠度在60%以上），并进行立体观察，则可得立体模型。这就是利用航片像对进行立体观察的基本原理。

四、实验内容及步骤

1.架好仪器，把立体像对（具有一定重叠度的像片）放在立体镜下方，按顺序放好像片并调整重叠部分；

2.通过立体镜观察立体像对，对于两张像片上的同一个重叠部分，若从立体镜中观测为重合在一起，则立体观察的初步条件形成。本质是调节同名像点的连线和眼基线，使得二者大致水平；

3.观察像对，左眼看左片，右眼看右片，两眼注意力集中一段时间，可见立体景物。

利用航片进行人造立体观察的条件：

1.必须是航摄立体像对(即不同摄影站对同一地区所摄的两张像片)；

2.像对的比例尺差不得超过 16%(或 15%)；

3.两眼必须分别看两张像片上的相应影像，即左眼看左像，右眼看右像（通常称之为 “分像”；）

4.同名地物点的连线与眼基线平行，且两像片的距离需要调整，应与双眼的交会角相适应。

五、实验效果

可以看到各种地物的立体效果，有在高空俯视地面的感觉。

立体坐标量测仪量测像点坐标

一、实验目的

1.了解立体坐标量测仪的基本构造

2.理解立体坐标量测仪量测像片像点坐标的基本原理

3.学会使用立体坐标量测仪及操作步骤

二、实验器材

1.立体像对

2.1818 立体坐标量测仪

三、实验原理

立体坐标仪的定义：用于立体观察和量测立体像对同名点像平面直角坐标和坐标差的仪器。

主要部分有：

1.观测系统

2.像片盘

3.量测装置等

左右视差：同名像点a1、a2在左右像片上的横坐标x1、x2之差。

上下视差：同名像点a1、a2在左右像片上的纵坐标y1、y2之差。

左右视差的几何意义：Pa为摄影基线B按对该地面点A的航高所。

决定的比例尺缩小后的构像长度。

左右视差校：两个点左右视差的差值。

地面点的像点的左右视差的差值能反映地面高低的差别——高差，左右视差校是产生立体的根源。

四、实验内容及步骤

内容：主要是观察淘汰的摄影测量仪器，了解它的发展史，为进一步的实验做准备；将立体像对置于像片盘上，从观测系统进行立体观测，量测像点的坐标和视差，供航空摄影测量内业加密控制点用；反光立体镜，在左右光路中个加入一对反光镜扩大像片的间距，可观察大像幅的像片；用立体镜观察立体时，看的立体模型与实物不一样，在竖向方向进行夸大，以利于高程的量测。

步骤：

1.准备工作

2.安置像片和归心

3.像片定向和归心

4.仪器零位置的确定

5.同名像点量测

五、实验成果

六：总结

本次实验的收获、体会、经验、问题和教训：我们在老师的带领下，在周五上午 进行了这次立体量测仪的参观，我们一边观察一边听老师讲解测量仪的来历和如何使用，受益匪浅。这些仪器大多是过时的仪器，但通过此次实验我们还是学到不少东西。我们知道了他是如何找到了同名象点，一起的功能。

通过实习认识了立体坐标仪，这些仪器代表摄影测量发展的阶段。测量技术发展迅速，时至今日更高的技术代替了旧的技术。

实验三单像空间后方交会程序

1. 实验目的

理解单像空间后方交会原理，用程序设计语言（MATLAB语言）编写一个完整的单像空间后方交会程序，通过对提供的试验数据进行计算，输出像片的外方位元素。

2．实验器材

（1）计算机

（2）航片坐标量测数据、控制点成果、航片摄影参数等。实例数据如下：已知航摄仪的内方位元素：f=153.24mm，x0=y0=0.0mm，摄影比例尺为 1:50000；4 个地面控制点的地面坐标及其对应像点的像片坐标

计算近似垂直摄影情况下空间后方交会的解。

3. 实验原理

算法流程：

 

计算步骤：

1.根据影像覆盖范围内一定数量的分布合理的地面控制点（已知其像点和地面点的坐标），获取已知数据。从航摄资料中查取平均航高与摄影机主距；获取控制点的地面测量坐标并转换为地面摄测坐标。

测量控制点的像点坐标并作系统误差改正。

确定未知数的初始值。在竖直摄影且地面控制点大体对称分布的情况下，按如下方法确定初始值，即

式中：为摄影比例尺分母；为控制点个数

用三个角元素的初始值按下式计算各方向余弦值，组成旋转矩阵

矩阵中各元素的计算公式如下：

1. 逐点计算像点坐标的近似值。利用未知数的近似值和控制点的地面坐标，带入以下共线方程式，

逐点计算像点坐标的近似值、

逐点计算误差方程式的系数和常数项，组成误差方程式。

由常数项计算公式：

得到常数项矩阵计算式为：

计算法方程的是系数矩阵和常数项，组成法方程式。

解法方程，求得外方位元素的改正数。

用前次迭代取得的近似值，加本次迭代的改正数，计算外方位元素的新值。

式中：代表迭代次数。

将求得的外方位元素改正数与规定的限差比较，若小于限差，则迭代结束。否则用新的近似值重复4~9满足要求为止。

四、实验代码

clc;clear all;close all;

x=[-86.15 -53.40 -14.78 10.46];

y=[-68.99 82.21 -76.63 64.43];

X=[36589.41 37631.08 39100.97 40426.54];

Y=[25273.32 31324.51 24934.98 30319.81];

Z=[2195.17 728.69 2386.50 757.31];f=153.24;m=50000;%读取已知数据（控制点地面坐标及比例尺等）

Xs0=0.0;

Ys0=0.0;

for k=1:4;    

Xs0=Xs0+X(k);

Ys0=Ys0+Y(k);

end

Xs0=Xs0/4;%求Xs的平均值作为外方位线元素X的初值Xso

Ys0=Ys0/4;%求Ys的平均值作为外方位线元素Y的初值Yso

Zs0=m*f;%以平均航高作为外方位线元素Z的初值Zso

g0=0;

w0=0;

k0=0;

for u=1:+inf;

a1=cos(g0)*cos(k0)-sin(g0)*sin(w0)*sin(k0);

a2=-cos(g0)*sin(k0)-sin(g0)*sin(w0)*cos(k0);

a3=-sin(g0)*cos(w0);

b1=cos(w0)*sin(k0);

b2=cos(w0)*cos(k0);

b3=-sin(w0);

c1=sin(g0)*cos(k0)+cos(g0)*sin(w0)*sin(k0);

c2=-sin(g0)*sin(k0)+cos(g0)*sin(w0)*cos(k0);

c3=cos(g0)*cos(w0);

R=[a1,a2,a3,;b1,b2,b3;c1,c2,c3];%计算旋转矩阵

L=[];%建立空矩阵L，用来放误差方程的常数项

A=[];%建立空矩阵A，用来放误差方程的系数

for h=1:4;    

O=a1*(X(h)-Xs0)+b1*(Y(h)-Ys0)+c1*(Z(h)-Zs0);   

P=a2*(X(h)-Xs0)+b2*(Y(h)-Ys0)+c2*(Z(h)-Zs0);     

Q=a3*(X(h)-Xs0)+b3*(Y(h)-Ys0)+c3*(Z(h)-Zs0);

x1h=-f*O/Q;

y1h=-f*P/Q;

a11h=(a1*f+a3*x(h))/Q;

a12h=(b1*f+b3*x(h))/Q;

a13h=(c1*f+c3*x(h))/Q;

a14h=y(h)*sin(w0)-(x(h)/f*(x(h)*cos(k0)-y(h)*sin(k0))+f*cos(k0))*cos(w0);

a15h=-f*sin(k0)-x(h)/f*(x(h)*sin(k0)+y(h)*cos(k0));

a16h=y(h);

a21h=(a2*f+a3*y(h))/Q;

a22h=(b2*f+b3*y(h))/Q;

a23h=(c2*f+c3*y(h))/Q;

a24h=-x(h)*sin(w0)-(y(h)/f*(x(h)*cos(k0)-y(h)*sin(k0))-f*sin(k0))*cos(w0);

a25h=-f*cos(k0)-y(h)/f*(x(h)*sin(k0)+y(h)*cos(k0));

a26h=-x(h);lxh=x(h)-x1h;lyh=y(h)-y1h;lh=[lxh lyh]'; Ah=[a11h,a12h,a13h,a14h,a15h,a16h;a21h,a22h,a23h,a24h,a25h,a26h];A=[A;Ah];L=[L;lh];

end

XX=inv(A'*A)*A'*L;%计算外方位元素近似值的改正数矩阵

Xs0=XX(1)+Xs0;Ys0=XX(2)+Ys0;Zs0=Zs0+XX(3);g0=g0+XX(4); w0=w0+XX(5);k0=k0+XX(6);

if abs(XX(4))<0.0000291 & abs(XX(5))<0.0000291 & abs(XX(6))<0.0000291  

 break

end

end  %判断所求改正数是否符合要求的精度

Xs=Xs0

Ys=Ys0

Zs=Zs0

g=g0

w=w0

k=k0

R

五、实验成果

Xs =39795；Ys =27476；Zs =7572.7;

g =-0.0040;w =0.0021;k =-0.0676;

R =

    0.9977    0.0675    0.0040

   -0.0675    0.9977   -0.0021

   -0.0041    0.0018    1.0000

实验四摄影测量仪器的参观

1. 目的

1）了解摄影测量及仪器发展历史

2）参观模拟及数字摄影测量仪器

3）理解模拟测图原理及方法

2. 实验器材

1）多倍仪(如图4-1)

2）摄影测量工作站VirtuoZoNT(如图4-2)

 

图 4-1 多倍仪

 

图 4-2 摄影测量工作站 VirtuoZoNT

3. 实验原理

航空测量指从指从空中由飞机等航空器拍摄地面像片。为使取得的航空像片能用于在专门的仪器上建立立体模型进行量测，摄影时飞机应按设计的航线往返平行飞行进行拍摄，以取得具有一定重叠度的航空像片。按摄影机物镜主光轴相对于地表的垂直度，可分为近似垂直航空摄影和倾斜航空摄影。近似垂直航空摄影主要用于摄影测量目的。科学考察和军事侦察有时采用倾斜航空摄影。关键问题是如何恢复或确定航摄像片与地面之间的几何关系。航空摄影瞬间，由于飞行姿态不同，每张像片与地面之间的几何关系也是不同的。利用航空像片测制一定比例尺的地图，首先要恢复这种几何关系。对于单张像片来说，像点的空间位置和它相应的地面点的关系可以用一些特定的参数建立起来，确定这些参数就能恢复相互的几何关系，这些参数称为像片的方位元素。其中，确定摄影物镜（后节点）与像片关系位置的参数称为内方位元素，恢复内方位元素的目的在于恢复摄影光束；确定摄影中心与地面相互关系的参数称为外方位元素，外方位元素有六个：其中三个是摄影中心在地面辅助坐标系中的坐标，是直线元素；另外三个是航摄像片（或摄像光束）在地面辅助坐标系中的姿态，是角元素。确定外方位元素的目的在于恢复摄影像片与地面的几何关系。当这些元素都恢复后，航摄像片与地面之间的固定的几何关系也就恢复了。对于由多张像片构成的立体模型来说，恢复或确定其与地面的几何关系，一般分为两步：相对定向和绝对定向。相对定向是在仪器上恢复摄影瞬间构成像对的像片间的相对位置关系，即恢复两个摄影光束的相对位置，使同名投影光线成对相交。相对定向后，就能够观察到立体了。两张像片构成的单独像对，只要转动左右两个光束，就能完成相对定向；连续立体模型的相对走向则要保持左光束不动，依次旋转右光束即可。相对定向后，就建立了自由比例尺的、方位任意的立体模型。但是，我们建立立体模型的目的是为了测绘与实地相似的地图，这就要求把模型按着确定的比例尺和实际方位放置到大地坐标系当中，这个过程就是绝对定向。经过相对定向和绝对定向后，就可以在立体模型上测绘等高线了。上述过程称为航摄过程中的几何反转，利用传统的摄影测量仪器，就可以实现摄影过程的几何反转。一般在室内,把立体像对的两张透明像片分别装入内方位元素与摄影机相同的两个投影器中，把两个投影器中心距离缩短，把两片的外方位元素恢复两片摄影时的绝对位置，再用两个聚光灯分别照两个像片得到的两投影光束中同名光线对对相交，建立起与地面全方位相似的光学立体模型。

4 实验步骤

1.在老师的带领下进入实验室，根据书上的介绍描述，自行认识观看各仪器，观察其特点猜测其使用方法；

2.由老师向我们详细地介绍了各个仪器的结构特点、主要功能、使用条件、工作原理以及仪器使用方法；

3.互相讨论、自行观看各个仪器并向老师提出不明白的地方，由老师详细解答讲述。

实验五VirtuoZoNT系统认识

1. 实验目的

1）理解数字摄影测量原理

2）了解数字摄影测量仪器发展历史

3）熟悉数字摄影测量工作站VirtuoZoNT

2. 实验器材

摄影测量工作站VirtuoZoNT

3. 实验原理

1）数字摄影测量原理

数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术，从影像（包括数字影像或数字化影像）提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息。

2）数字摄影测量发展历史

计算机硬、软件技术的飞速发展，使功能增强，成本降低，并为编制大型软件提供平台。

20世纪70年代：数字摄影测量萌芽阶段；

20世纪80年代：数字摄影测量原型研究阶段；

20世纪90年代：真正推出可用于生产的数字摄影测量系统。

3）数字摄影测量工作站硬件组成

计算机

外部设备：立体观测装置；操作控制设备

输入设备：影像扫描数字化仪

输出设备：绘图仪

4）全数字摄影测量系统-----VirtuoZoNT的特点

利用全数字摄影测量系统的工作原理,经过内定向、相对定向、核线重采样、绝对定向等操作,实现地形要素采集,但只能生产全数字摄影测量系统内部固有的数据格式(*?vtr或*?xyz)的产品，有效地提高了工作效率,降低内耗,减少了作业中间数据的相互转换,避免了有效数据的丢失,很好地保证了产品的质量。

4 实验步骤

1）用空中三角测量软件VirtuoZo AAT进行自由网平差。

2）调绘和量测，在VirtuoZo S/M模块中进行矢量采集。

3）平差解算，在VirtuoZo AAT中进行迭代计算。

4）坐标转换。

5）其他后续操作，4D产品生产。

实验六解析空中三角测量

1. 实验目的

1）掌握空中三角测量原理

2）熟悉VirtuoZoAAT操作

2. 实验器材

1）VirtuoZo AAT

2）数字影像

3. 实验原理

利用已知空间坐标的若干地面控制点及其在影像上的构像，根据摄影中心、构像点和地面三点共线原理，可以求解像片的外方位元素，进而可以确定出影像上任一目标的空中位置，利用控制点的地面坐标及其在影像上的构像同时求解外方位元素和未知像点的地面坐标，称为整体一步求解或解析空中三角测量。

VirtuoZo全数字摄影测量系统的影像配准算法具有可靠、快速和精确的优点。AAT（自动空三）模块除半自动量测控制点之外，其它所有作业（包括内定向、选取加密点、转刺加密点、相对定向、模型连接和生成整个测区像点网）都可以自动完成。PATB 光束法区域网平差程序具有高性能的粗差检测功能和高精度的平差计算功能。所以，将上述两件的优点结合在一起，即VirtuoZo的 AATM 和 PATB 集成后就成为功能强大的自动空三软件。

内定向:建立影像扫描坐标与像点坐标的转换关系，求取转换参数；

相对定向：通过量取模型的同名像点，解算两相邻影像的相对位置关系；

绝对定向：通过量取地面控制点对应的像点坐标，解算模型的外方位元素，将模型纳入到大地坐标系中。

4. 实验步骤

第一步：新建一个测区，设置测区参数

第二步：设置相机参数

第三步：输入控制点

第四步：导入影像（注意像素大小，改变输出路径，相机是否旋转）

第五步：建立影像列表（注意：分带，影像索引号的建立）

第六步：内定向

第七步：添加航带偏移点

第八步：连接点提取

第九步：自动挑点

第十步：交互编辑（编辑连接点、刺控制点、编辑控制点）

第 10-1 步：显示连接点分布，看连接点是否均匀（局部缺点，需要补点）

第 10-2 步：加控制点（注意：一般加四个边控制点，调 PATB 计算，预测其余控制点）

第 10-3 步：显示预测控制点图标

第 10-4 步：按照预测的控制点位，将所有控制点全部加完

第 10-5 步：调用 PATB 计算，（注意第一次计算时，记住像点的观测精度，后面需要赋值给 Accuracy）

第 10-6 步：将像点的观测精度赋给 Accuracy，同时改变权值，再计算

第 10-7 步：出现了“粗差点”-----这些不是同名像点，需要重新调整

第 10-8 步：调整编辑完一个点后，再调用 PATB 进行计算

第 10-9 步：这样反复进行，将所有的点全部调整之后，再赋像点的观测精度，同时加大权值

第 10-10 步：当权给定合适的值之后，检验一下相对定向的上下视差第 10-11 步：设置上下视差值。对超限的点位进行调整

第 10-12 步：当相对定向得上下视差在限差以内，最后需要反复计算，直到像点观测精度稳定为止

第 10-13 步：当像点观测精度稳定后，需要将自动调整粗差了，需要将验后方差输出来

第 10-14 步：调用 PATB 计算

第 10-15 步：查看加密成果报告

第 10-16 步：退出“交互式编辑状态”

第十一步：在主界面中创建“加密点文件”

5撰写实验报告

实验七 4D 产品生成

1.实验目的

1）掌握 4D 产品生产流程

2）熟悉DEMMaker

2. 实验器材

VirtuoZo NT 、VirtuoZo AAT、DEMMaker

3. 实验原理

DEM 的生成有多种途径与方式，主要依据工作目的及信息源和数据采集的硬件及软件设备来决定采用的方式，一般有三种方法：一是利用航空或航天遥感图像通过摄影测量途径获取建立 DEM 的数据源；其二是使用地面测量数据源,如用 GPS、全站仪、野外测量等；第三种方法是用地形图生产 DEM 数据，即用现有地形图矢量化。（1）摄影测量：是 DEM 数据采集最常用的方法之一。它是以数字影像为基础,通过计算机进行影像匹配,自动相关运算识别同名象点得其象点坐标,并根据少量的野外像控点进行空三加密,建立各像对的立体模型。（2）地面测量：利用 GPS、全站仪、RTK 等仪器在野外实地测量,并自动记录测量数据,将这些数据通过串行通讯,输入计算机中进行处理,直接获取各测量点的三维坐标。当点数达到一定密度后,即可生成一定精度的 DEM。（3）地形图矢量化：利用手扶跟踪数字化仪或扫描数字化仪, 对已有地形图上的信息如等高线、高程点进行采集,然后通过内插的方法生成 DEM。目前常用的算法是通过等高线和高程点建立不规则的三角网(简称 TIN)。然后在 TIN 基础上通过线性和双线性内插建立 DEM。前两种方法虽然效果好，精度高，但是成本太大，对硬件要求也太高，效率却不高。而利用地形图生产 DEM 数据具有如下的优点：第一，地形图相对较偏宜，也容易得到，地形图上的等高线含有丰富的高程信息，利用这些高程信息生产 DEM 数据，可以极大的发挥地形图的作用，而地表的地形变化一般都是比较小的；第二，当前国内的数字化软件已相当便宜，普通微机就可以运行，对硬件要求较低；第三，地形数据以矢量形式存储、运算，减少了昂贵的内外存开销，可以批量生产。因此，用地形图生成 DEM 的方法目前比较流行。需要指出的是地形图扫描误差，人工数字化以及 TIN 内插等过程都会产生一些误差，需要采取相关措施提高DEM的数据精度。受各种因索的影响，采集的数据必须经过处理才能满足应用的需要。数据处理主要是纠正数据采集过程所出现的错误，同时，还要对数据格式规范化、标准化，必要时还必须对坐标系进行变换。而采用不同的算法对数据进行内插，则是数据处理的主要内容，并直接与应用研究的目的相联系。

4. 实验步骤

(1) 打开测区打开已建好的测区 hammer。

(2) 新建模型单击打开模型菜单项，系统弹出打开或创建一个模型的对话框。新建立体模型建好后，要进行模型参数设置，分别输入左右影像。

(3)模型定向

1.内定向（1）启动内定向模块（2）像片内定向

2.相对定向（1）启动相对定向模块（2）自动相对定向（3）检查和调整同名点

3.绝对定向在影像上右击鼠标，选择“绝对定向→普通方式”，随即在定向结果窗中显示绝对定向的中误差及每个控制点的定向误差。另弹出控制点微调窗，窗中显示当前控制点的坐标，且设置了立体下的微调按钮。通过微调调整控制点位置，使控制点位置准确，并使定向精度达到要求。（1）量测控制点（2）普通方式的绝对定向（3）生成核线影像右击鼠标，选择自定义最大作业区，然后选择“生成核线影像→非水平影像”，程序依次对左、右影像进行核线重采样，生成模型的核线影像。完成后，右键单击，保存，退出。 (4) 影像匹配 (5) DEM 生成