第十章航空攝影測量的基本知識

Unit10Thebasicknowledgeofan

aerialsurvey

航攝像片的基本知識BasicKnowledgeofaerialphotos航攝像片的判讀TheMappingofReliefMap

像片的立體觀察Solidobservationofphotos航測資料在水利工程中的應(yīng)用ApplyingdataofaerialsurveyinIrrigationProjects

航測成圖的簡要過程Thebriefprocessofaerialsurvey

衛(wèi)星像片簡介Briefintroductionofaerialphotos

§10.1航測成圖的簡要過程

§10.1Thebriefprocessofaerialsurvey一、航空攝影

Aerophotography

航空攝影就是利用裝在飛機(jī)底部的航攝機(jī)，在空中按一定高度沿預(yù)定的航線，對地面進(jìn)行連續(xù)攝影，如圖10-1。所用感光軟片需嚴(yán)格壓平，像片的像幅（影像范圍的大?。┮话銥闉?3cm×23cm，并要求四個(gè)邊框的四角及四邊框的中央各有一框標(biāo)，左右邊框中央框標(biāo)的連線為像片坐標(biāo)系的x軸、上下邊中央框標(biāo)的連線為Y軌交點(diǎn)口為坐標(biāo)系原點(diǎn)，如圖（10-2）所示。另外像幅外有圓水準(zhǔn)器，說明攝影時(shí)光軸傾斜情況，還有攝影瞬時(shí)的時(shí)刻，日期及攝影次序號碼等記錄。1

在像片上選取合乎要求的少數(shù)明顯地物點(diǎn)作為測圖控制點(diǎn)，其實(shí)地相應(yīng)的點(diǎn)用前、后方交會、導(dǎo)線測量、三角測量、水準(zhǔn)測量和三角高程測量的方法，與國家控制點(diǎn)連測，以求得其平面位置及高程。三、像片的調(diào)繪

Paintingofphotos

利用像片進(jìn)行判讀、調(diào)查和繪注等工作的總稱。它是持像片到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，查明像片上地物的名稱（如河流名稱）及行政區(qū)劃界線等，并補(bǔ)測像片上未顯示出的地物，描繪和注記在像片上。四、室內(nèi)加密控制

Encryptingdominationinside

加密控制點(diǎn)是在野外少量實(shí)測控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為了滿足每張航攝像片上必須有一定數(shù)量的控制點(diǎn)（一般要求有4一6個(gè)點(diǎn)），而進(jìn)行的，目前都采用電算加密的方法。五、測制成圖

Measuringandpainting

航測成圖的方法，通常有：二、外業(yè)控制測量

Dominatingscaleoutside1.綜合法是攝影測量與地形測量相結(jié)合的一種方法。它是由單張像片或像片平面圖確定地物的平面位置，在野外用一般地形測量方法在像片上測繪等高線，并進(jìn)行調(diào)繪，最后制作成地形圖。它適用于平坦地區(qū)。

2.全能法目前常用的內(nèi)業(yè)測圖方法。它是將航攝像對（互有重疊的兩相鄰像片）裝在立體測圖儀上，建立與地面相似而縮小的立體地面模型，而后對模型進(jìn)行量測，同時(shí)確定地面點(diǎn)的平面位置和高程，測繪地形圖?！?0.2航攝像片的基本知識

§10.2BasicKnowledgeofaerialphotos一、航攝像片是地面的中心投影

Aerialphotosarethecenterprojectionsoftheground

航攝像片是航攝儀在空中對地面根據(jù)中心投影原理攝成的像片。所謂中心投影就是空間任一點(diǎn)（物點(diǎn)）與一固定點(diǎn)（投影中心）聯(lián)成一直線，被一平面（投影面）所截。則此直線與投影面的交點(diǎn)（像點(diǎn)）叫做該空間點(diǎn)的中心投影。如圖10-3，地面上A、B、C......各地物點(diǎn)，通過航攝儀的物鏡中心s，在感光軟片尸上構(gòu)成的像點(diǎn)為a,b,c......等點(diǎn)，即為地物點(diǎn)A、B、C......等點(diǎn)的中心投影。s為投影中心，軟片P為投影面。

軟片尸上的形象與地面情況相反，稱為負(fù)片：經(jīng)過曬印的像片與地面情況一致，稱為正片。航攝像片就是曬印的像片，它相當(dāng)于在負(fù)片相對位置的平面P'，兩者只是投影的影像相反，幾何性質(zhì)完全一樣。

二、航攝像片與地形圖的差別

Thedifferencesbetweenaerialphotosandreliefmaps

航攝像片是地面的中心投影，地形圖則是地面在水平面上的垂直投影，因而兩者產(chǎn)生了差異。航空攝影測量測制地形圖的主要任務(wù)就是將中心投影的航攝像片轉(zhuǎn)化為垂直投影的地形圖。了解中心投影的特征和兩種投影造成的差異，是學(xué)習(xí)航測原理的基礎(chǔ)。

地形圖是利用平行光束對物體垂直投影到水平面上，縮小后獲得物體的位置。因此，投影面上任意兩點(diǎn)間的距離與相應(yīng)空間兩點(diǎn)間的水平距離之比是廠個(gè)常數(shù)，即測圖比例尺。航攝像片是地面的中心投影，當(dāng)被攝的地面呈水平狀態(tài)和攝影的像片處于水平位置時(shí)，像片上圖像的形狀與地面上的形狀完全相似，此時(shí)航攝像片具有平面圖的性質(zhì)。像片上任意兩點(diǎn)的距離與地面相應(yīng)兩點(diǎn)的距離的比值也是常數(shù)，由圖10-4中相似三角形的關(guān)系，可得出航攝像片的比例尺等于f比H（f為航攝儀的焦距，H為航高)如果把航攝像片再經(jīng)過一定比例尺的縮放，并在縮放的像片上注記村莊、道路、房屋、河流等地物的名稱，就可成為一張像片平面圖，而且這種平面圖比用白紙測的平面圖更真實(shí)、更形象。但攝影時(shí)飛行高度可能有變化，航高H隨之變化，地面也有高低起伏，即使在一張像片上比例尺也各處不同；同時(shí)攝影時(shí)，像片也可能不水平，地面點(diǎn)在像片上的位置將產(chǎn)生位移，像片上的影像，就失去平面圖的性質(zhì)。三、像點(diǎn)位移

Displacementofdots（一）投影誤差由于地面起伏引起像點(diǎn)在像片上的位移所產(chǎn)生的誤差，稱為投影誤差。如圖10-5,MM’水平面為所選擇的某一高程基準(zhǔn)面（也作為垂直投影的水平面）地面點(diǎn)A、B在水平像片上的中心投影為a,b，而A、B的垂直投影Ao、Bo在像片上的中心投影則為a。、b。，其差值口aa。、bb。即為地面起伏引起的像點(diǎn)位移，也即投影誤差，可由下式求得：

δh＝rh／H（10-1）（二）傾料誤差由于像片傾斜引起像點(diǎn)位移所產(chǎn)生的誤差，稱為傾斜誤差。如圖10-6，設(shè)在同一攝影站對同一地面攝取一張水平像片P1及一張傾斜像片P2，傾斜像片的傾角a是主垂線Sn與主光軸SO2的夾角，SC為a的角等分線，它與像平面的交點(diǎn)C稱為等比點(diǎn)；過主光軸SO2與主垂線Sn的垂直面與像片的交線。V1v1、v2v2稱為主縱線，過c點(diǎn)垂直于主縱線的直線hchc稱為等比線，即兩像片的交線。顯然，在等比線上的像點(diǎn)既在傾斜像片上又在水平像片上，不產(chǎn)生位移。地面上A點(diǎn)在水平像片Pl及傾斜像片P2上的像點(diǎn)分別為a1及a2，即像點(diǎn)由a1,位移到a2,可以用它們到等比點(diǎn)c的距離來計(jì)量傾斜誤差。令a1c＝rc，a2c=r，則傾斜誤差δa。為

δa＝r--rc

（10-2)

由圖10-6，可知傾斜誤差的規(guī)律。

（1）等比線上的像點(diǎn)，沒有傾斜誤差。（2）傾斜誤差產(chǎn)生在以等角點(diǎn)為輻射中心的輻射線上，離等角點(diǎn)愈遠(yuǎn)誤差愈大。

（3）傾斜像片在水平像片上面部分,δa為負(fù)（因?yàn)閞c＞r），即像點(diǎn)向輻射中心位移，反之，在水平像片下面部分，δa為正(rc＜r），像點(diǎn)向邊緣位移對稱于等角點(diǎn)的像點(diǎn)，其傾斜誤差的大小相等，符號相反。（4）地面上的圖形在水平像片上所得的影像與地面圖形完全相似，而在傾斜像片上則會變形。如圖10-7,a1b1c1d1為地面正方形ABCD在水平像片上的圖像，是一縮小了的正方形。若將傾斜像片（參見圖10-6)繞hchc轉(zhuǎn)a角使與水平像片迭置，則在傾斜像片上的圖形a2b2C2d2變?yōu)樘菪?。因此，即使在同一張傾斜像片上各處比例尺都不一致。

傾斜誤差可以通過糾正的方法予以消除，而投影誤差不會因像片糾正而消除，只能采取限制的辦法，即規(guī)定投影誤差不超過某一限值，如超過限值則需采取分帶投影的辦法，以保證整個(gè)地區(qū)所有點(diǎn)在圖上的投影誤差不超過限值。將某一區(qū)域內(nèi)的糾正像片，切去航向和旁向重疊，依次拼接在一圖板上得到整幅的平面圖，就是像片平面圖。圖上均為地面的影像，也稱為影像圖?！?0.3航攝像片的判讀

§10.3TheMappingofReliefMap

航攝像片的判讀就是識別像片上的影像在實(shí)地上究竟屬于何種地物、地貌。判讀是根據(jù)地面物體的成像規(guī)律和判讀特征進(jìn)行的，因此，要做到準(zhǔn)確迅速地進(jìn)行像片判讀，就要了解地物、地貌的成像規(guī)律和判讀特征。

一、地面物體的成像規(guī)律

Imagingruleofgroundobjections

由于航測像片是地面的中心投影，所以地面物體和影像之間的關(guān)系是透視關(guān)系。即

即使同一地物，由于所處地面的高低起伏及相對于攝影機(jī)鏡頭的相對位置不同，其在像片上影像的形狀、大小、色調(diào)和陰影也各不相同。突出地面的物體和不突出地面的物體的成像情況也不一樣。（一）不突出地面物體的成像情況處在水平位置的地物影像與實(shí)地形狀基本相似，例如運(yùn)動場、廣場、水平梯田等；而處在傾斜位置的地物影像會受到中心投影和地面起伏的影響產(chǎn)生變形，例如斜坡上的正方形早田會變成長方形、菱形或梯形。（二）突出地面物體的成像情況突出地面的物體，如高山、煙囪、水塔、獨(dú)立樹、高大建筑物等，同一物體在相鄰兩張像片上的影像不一樣。這是由于存在投影誤差而產(chǎn)生像點(diǎn)位移。離像底點(diǎn)愈遠(yuǎn)，這種變形就愈大；物體愈高，變形也愈大。如圖10-9所示，地面上三個(gè)同高的煙囪，在像片影像的形狀和大小各不相同，如(1)、（2),(3)三個(gè)位置。另外，太陽光的照射所產(chǎn)生的物體影子也反映到像片上，叫做陰影。此陰影與物體的高矮成比例，且與陽光照射的角度以及地面坡度的大小密切相關(guān)。為了分析地物情況，

像片上應(yīng)記錄攝像時(shí)刻及天氣情況，以便判斷陽光照射情況。二、航攝像片的特征

Characteristicofaerialphotos

航攝像片上的各種地面物體的構(gòu)像，有許多幾何的、物理的征。例如各種物體的形狀、大小、顏色、陰影以及它們之間的相互關(guān)系，我們就運(yùn)用這些特征進(jìn)行判讀。（一）影像的形狀（圖形）地面物體在水平航攝像片上所顯示的形狀是該圖10-9突出的地物對成像變形的關(guān)系體的平面圖，在平坦地區(qū)與物體本身相似，有均勻的比例尺，可從像片上量取距離和方向。高于地面的物體由于投影誤差影響，往往不存在相似關(guān)系。（二）影像的大小地面物體顯示在航攝像片上的影像，其大小因像片比例尺而定。因此，可以根據(jù)航攝像片比例尺來推求地面物體的大小。（三）陰影物體的陰影，其形狀和長短是各不相同的，因此，它們顯示在像片上的影像也不一致。高物體攝影時(shí)太陽愈低，陰影愈長，根據(jù)這些特征，可以判斷物體的高度和性質(zhì)。當(dāng)判讀時(shí)，應(yīng)使陰影投向判讀者一方，而令光源來自左上方，以便和習(xí)慣一致，以避免產(chǎn)生高低與實(shí)際相反的錯(cuò)覺。

（四）色調(diào)地面上各種不同顏色的物體，在像片上顯示為各種不同的色調(diào)。影像的色調(diào)與物體受光的多寡、物體表面反射的能力有關(guān)。地面物體受光愈多，表面愈光滑或反射光線愈強(qiáng)，則在像片上影像的顏色就愈淡。同時(shí)影像色調(diào)也受攝影季節(jié)、時(shí)間以及底片感光性能的影響。（五）相關(guān)位置地面物體之間常有一定的相關(guān)關(guān)系，如道路在河流兩岸中斷，可以判定有橋或其他渡河設(shè)備等。所以利用相關(guān)位置可以判讀一些細(xì)小而影像不清的地物。

三、地形的判讀

Themappingoflandform

地形判讀可以從比較容易識別的地物開始。

1.居民點(diǎn)居民點(diǎn)的房屋顯示為四邊形、院落整齊，界線分明，其數(shù)量可以計(jì)算，其大小可以依據(jù)比例尺確定，房屋周圍通常有花園、菜圃、籬笆、柵舍以及魚塘等。籬笆、圍墻、木柵等顯示為灰色的細(xì)線，并有色調(diào)較深的陰影。工廠地區(qū)的房屋整齊、煙囪高大，并有堆積原料或成品的倉庫以及輸送原料或成品的交通路徑。煙囪的影像，一般顯示為中間有黑斑點(diǎn)的淺灰色環(huán)，同時(shí)又有很長的陰影。

2.道路網(wǎng)鐵路在航攝像片上顯示為轉(zhuǎn)彎均勻且成弧狀的淺灰色的線條。在較大比例尺的像片上能看到鐵軌，它的特征是和其他道路往往成直角相交。公路一般為白色帶狀，如在山區(qū)，表現(xiàn)為遷回曲折的形狀，邊緣顯著，且有暗灰色的溝渠，但除其有柏油路面者較之灰暗外，其他路面則難以確定。鄉(xiāng)村土路顯示為彎曲而寬度不等的淺灰色或白色線條，邊緣不甚清晰，有時(shí)且有部分為樹木所遮蔽，在山區(qū)多沿山麓遷回，因此又成鋸齒的形狀。

3.水系根據(jù)像片上的影像形狀，可以辨認(rèn)出河流、小溪、湖泊和池塘。但這類地物由于水面反射光線的不同，其影像色調(diào)極不一致，一般說來，色調(diào)呈現(xiàn)黑色。水愈深色調(diào)愈黑，淺灘呈淡灰色，沙灘呈白色。

河流顯示為不同寬度的帶狀，小溪顯示為彎曲的線條，湖泊或池塘的水邊線，顯示為封閉的曲線，水面色調(diào)大致相同。河流和小溪上的橋梁，顯示為道路與河流的交叉。

4.植物和地類

森林和灌木顯示為輪廓比較顯著的暗灰色圖形，色調(diào)不均勻，影像類似顆粒狀。耕地有直線的界線，作物的種類各有不同，故色調(diào)也有所差別。

5.地貌地貌顯示在像片上的影像，與用暈渲法表示地貌相類似；其陰影狹窄而暗黑的，表示險(xiǎn)峻的山區(qū)，陰影寬闊而灰色的表示谷地或山脊；判讀地貌最好采用立體觀察法?！?0.4像片的立體觀察

§10.4

Solidobservationofphotos

為了提高判讀像片的效果，并利用像片在室內(nèi)進(jìn)行測定地面點(diǎn)的高程及測繪等高線，需要對像片進(jìn)行立體觀察。一、立體觀察的原理

Elementsofsolidobservation

當(dāng)人們用兩眼睛去看物體時(shí)，不但能感覺物體的存在，而且能區(qū)別物體的遠(yuǎn)近，判別地面的高低起伏。這是由于雙眼觀察同一物體時(shí)，在左右兩眼的視網(wǎng)膜上的成像位置不同。如圖10-10所示，遠(yuǎn)近不同的兩點(diǎn)A、B，在左右視網(wǎng)膜上的像分別為a1b1與a2b2

，在視網(wǎng)膜上構(gòu)成的弧長a1b1與a2b2

（稱生理視差）不相等，兩者之間的差稱為生理視差較。這種生理視差較傳達(dá)到大腦皮層的視覺中心，便產(chǎn)生物體遠(yuǎn)近高低的立體感覺。從這一原理出發(fā)，若在雙眼前放一對玻璃片Pl和P2,透過它們?nèi)タ次矬w，并在其上留下影像a1′b1′與a2′b2′（相當(dāng)于用攝影機(jī)攝取的一對重疊像片）然后拿走物體A、B，只觀察其留在玻璃上的影像，仍然可得到與觀察原物體一樣的立體感覺，這就是人工立體效應(yīng)。像片的立體觀察，就是人工立體效應(yīng)的具體應(yīng)用。由此可知，像片立體觀察必須滿足以下三個(gè)條件：（1）必須在兩地對同一物體攝取兩張互有一定重疊的像片（即立體像對）。（2）兩眼要同時(shí)各看一張像片上的同一地物圖10-10（或同一具有明顯特征的像點(diǎn)），即左眼只看左像片上的某一像點(diǎn)，像點(diǎn)（稱為同名點(diǎn)）。（3）像片安放時(shí)，要使兩張像片上相應(yīng)像點(diǎn)的聯(lián)線平行于眼基線（即兩眼聯(lián)線），即兩張像片的同名像點(diǎn)不能錯(cuò)開太大。憑兩眼直接觀察像對可以得到立體效應(yīng)，但這對初學(xué)者來說是有困難的。通?？山柚垂饬Ⅲw鏡來滿足像對立體觀察的條件。二、利用立體鏡進(jìn)行立體觀察

Solidobservationbystereoscope

反光立體鏡的構(gòu)造簡單，它是由兩對平面鏡和一對透鏡組成的（圖10-11）。它可擴(kuò)大人的眼距，而將左右兩眼分隔開，以便左右兩眼同時(shí)各看到同名像點(diǎn)，從而獲得立體效應(yīng)。立體觀察時(shí)，通常是固定左像片，移動右像片，圖10-11立體鏡進(jìn)行立體觀察示意圖直至同名像點(diǎn)凝視重合而成立體。若像片重疊部分向內(nèi)安放，所觀察到的立體模型的凹凸情況與實(shí)地相反，這就叫反立體，這種反立體不是我們所要的。

各種利用像片測圖的儀器上，均裝有反光立體鏡，用以觀察立體像對，建立與地面相似而縮小的地面立體模型。一種立體坐標(biāo)量測儀是用來在像片上量測地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,H),主要在像片上量測得加密控制點(diǎn)。一種精密立體測圖儀可直接在地面立體模型上，測繪地物和地貌以編制成地形原圖。目前，出現(xiàn)的以量測像點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過電子計(jì)算機(jī)的處理，建立地面的數(shù)字模型，并進(jìn)行自動繪圖的高精度的解析測圖儀，使航測成圖實(shí)現(xiàn)自動化和提高成圖的精度和速度，并可以建立地形數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)存貯地形資料?！?0.5航測資料在水利工程中的應(yīng)用

§10.5ApplyingdataofaerialsurveyinIrrigationProjects

利用航攝像片測制的地形圖與白紙測圖一樣，都是線劃圖。在正常情況下，可用這種地形圖進(jìn)行水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)。但在一些特殊緊急情況下，由于工程建設(shè)的需要，而航測成圖的周期又較長，也可利用航測成圖的中間成果來進(jìn)程工程的初步規(guī)劃設(shè)計(jì)。

一、單張像片

Singlephoto

單張像片是用航攝負(fù)片曬印出來的像片，其上有地面的影像，但比例尺不一致，存在著傾斜誤差和投影誤差，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)像點(diǎn)在像片上的位移和變形規(guī)律，限制使用范圍。如前所述，像點(diǎn)位移所產(chǎn)生的誤差，從像片中心向邊緣逐漸加大，因此，只能使用像片的中心部分，稱為像片的使用面積。它的范圍由相鄰像片重疊部分的中央線劃分，如圖10-12的abcd。因此，用單張像片只能研究局部地區(qū)的情況，涉及范圍較大工程的研究，則應(yīng)利用拼接后的像片圖。

二、像片略圖Outlineofphotos

把許多張像片拼接成一完整的像片圖，稱為像片略圖。它是未經(jīng)糾正的航攝像片使用面積的組合，像片傾斜和地面起伏引起的像點(diǎn)位稱和變形，都完全保留著，由于拼接用的各張像片比例尺不一致，鑲嵌拼接時(shí)可能會發(fā)生地物“錯(cuò)開”現(xiàn)象，因此，像片略圖只能作編制正式圖件的參考或野外踏勘的參考，也可用來作初步規(guī)劃。三、像片平面圖

Ichnographyofphotos

像片平面圖是經(jīng)過糾正后的像片鑲嵌起來，具有同一比例尺的圖。它消除了傾斜誤差，統(tǒng)一了比例尺，并將投影誤差限制在一定范圍內(nèi)，是與地面相似的地物平面圖。這種圖不僅具有地物的生動影像，豐富的信息，也能和實(shí)測的平面圖一樣，在其上確定點(diǎn)的平面位置，量測直線長度和圖形的面積。像片平面圖可以用于水利工程規(guī)劃中，如進(jìn)行渠道、道路的室內(nèi)選線，以及渠道、道路附屬建筑物的布置等。在像片平面圖上進(jìn)行選線和規(guī)劃方案的比較時(shí)，同樣可利用某地段的立體像對進(jìn)行立體觀察。求得地物、地貌的概略高差，將觀測的成果，如某些地貌（山脊、山頂、鞍部…等）的特征點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，標(biāo)注在像片平面圖上，以便詳細(xì)研究這些地區(qū)的地形情況。并可在圖得各級渠道的長度和渠線的總長，以及隧洞、渡槽等各類建筑物的數(shù)量等。在像片平面圖上可進(jìn)行其它水利工程及建筑物的布置，如水庫地址的選擇，確定壩址的概略位置等，在這樣的圖上不僅能結(jié)合立體像對的立體觀察，勾繪出匯水面積界線，而且能量測匯水面積的大小。故在水利工程的規(guī)劃中得到多方面的應(yīng)用。

四、影像地圖

Videomap

影像地圖是將中心投影的像片轉(zhuǎn)變?yōu)檎渫队?，并描繪有等高線的一種影像圖。它的圖面內(nèi)容要素主要由影像構(gòu)成，并有等高線和高程注記、地名注記和說明注記等。既包含了航片豐富的內(nèi)容信