第一章绪论

摄影测量学是测绘学的分支学科，它的主要任务是用于测绘各种比例尺的地形图、建立数字地面模型，为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据。摄影测量学要解决的两大问题是几何定位和影像解译。几何定位就是确定被摄物体的大小、形状和空间位置。影像解译就是确定影像对应地物的性质。常规的影像解译方法是根据地物在像片上的构像规律，采用人工目视判读方法识别地物的属性。

●1.1课程简介

摄影测量学是对研究的物体进行摄影，量测和解译所获得的影像，获取被摄物体的几何信息和物理信息的一门科学和技术。根据摄影时摄影机所处的位置的不同，摄影测量学可分为地面摄影测量、航空摄影测量和航天摄影测量。根据应用领域的不同，摄影测量学又可分为地形摄影测量与非地形摄影测量两大类。根据技术手段的不同，摄影测量学又可分为模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量。

●1.2绪论（上）

摄影测量学发展至今，经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量三个发展阶段。

●1.3绪论（下）

本节主要介绍摄影测量与大地测量、地图制图学、工程测量学、地籍测量学、海洋和军事测绘、遥感等学科的关系。

第二章摄影的基本知识

摄影测量的前期工作就是利用各种摄影机对所量测目标进行摄影，获取量测目标的影像。作为原始资料的影像，其质量的好坏直接影响到整个摄影测量后续处理的精度。为了获取高质量的影像，提高测量精度，有必要了解有关摄影的一些基本知识。

●2.1摄影成像原理

摄影术的实质是根据小孔成像原理，在小孔处安置一个摄影物镜，在成像面处放置涂有对光敏感的感光材料，物体投射光线经摄影物镜后聚焦成像于感光材料上，感光材料感光后生成不稳定的、肉眼不可见的潜像，潜像经过显影、定影等处理过程后生成明亮度与实际地物相反的影像，这种影像再经过晒印或放大处理后获得与实际地物明亮度一致的影像。

●2.2摄影机基本结构

摄影机是用于摄取光学影象的仪器，是摄影的主要工具。摄影机的种类很多，但其基本结构均大致相同，主要由镜箱和暗箱两部分组成。镜箱包括物镜筒、镜箱体和成像面，是摄影机的光学部件。物镜筒内嵌有摄影物镜、光圈和快门，是摄影机的重要部件。本节主要讲解摄影机物镜、摄影机成像公式、光圈和光圈号数、景深和超焦点距离和摄影机快门。

第三章单张航摄像片解析

摄影测量的主要任务是根据像点的平面坐标确定地面点的空间坐标。本章从最基本的单张航摄像片出发，采用图解和解析的方法，研究像片与对应地面、像点与对应物点之间的关系。单张航摄像片解析是摄影测量学的理论基础，其中的基本概念、基本理论和主要公式在摄影测量中应用广泛。

●3.1中心投影的基本知识及摄影测量常用坐标系

航摄像片是地面的中心投影，而地形图则是地面的正射投影。由于地面起伏、像片倾斜的原因，地面上相同的地物在两种投影上的构像存在差异。怎样由中心投影的像片制作正射投影的地形图是摄影测量学的主要任务之一。本节主要介绍投影、中心投影和正射投影基本概念、中心投影和正射投影区别，以及中心投影的特别点、线、面。

●3.2航摄像片的内、外方位元素及像点在不同坐标系中的转换

摄影测量的主要任务是根据像片上像点的平面坐标，确定对应的地面点的大地坐标。为了计算方便，除了像平面坐标系和大地坐标系外，还需要建立一些过渡的坐标系。摄影测量中常用的坐标系有两大类，一类是用于描述像点的位置，称为像方平面或空间坐标系；另—类是用于描述地面点（或模型点）的位置，称为物方空间坐标系。

●3.3共线条件方程式

在航空摄影瞬间，像片和摄影中心、像片和地面之间存在着固有的几何关系。确定这些关系的参数称为像片的方位元素。像片的方位元素分为内方位元素和外方位元素两类。

第四章双像解析摄影测量

共线条件方程式通过像片的外方位元素建立了像点平面坐标和地面点空间坐标之间的数学关系。用共线方程可以由像点和对应地面点坐标解求像片的外方位元素，但是只有单张像片无法用共线方程解求地面点的三维坐标。双像解析摄影测量的目的是研究立体像对内两张像片之间以及立体像对与被摄物体之间的数学关系，并以数学计算方式确定地面点的三维坐标。

●4.1空间后方交会-前方交会

空间后方交会-前方交会是双像摄影测量中求解地面点三维坐标的一种方法。这种方法是首先利用地面控制点，对左、右两张像片分别进行单像空间后方交会，求出每张像片的6个外方位元素。然后利用待定点在立体像对上的同名像点，进行同名光线对对相交，前方交会出待定点的三维坐标。

●4.2相对定向

相对定向就是根据立体像对内在的几何关系恢复两张像片之间的相对位置和姿态，使同名光线对对相交，建立与地面相似的立体模型。

●4.3绝对定向

绝对定向就是利用地面控制点，将相对定向建立的与地面相似立体模型作为一个整体进行旋转、平移和缩放，达到绝对位置，即与地面绝对立体模型相一致。

●4.4光束法

光束法就是利用共线条件方程式同时解算两张像片的外方位元素和地面点的三维坐标。相较于空间后方交会-前方交会法、相对定向-绝对定向法的参数两步求解，光束法是最严密的算法。

第五章航带法单航带空中三角测量

双像摄影测量至少需要4个控制点。如果这些控制点全部在野外实测得到，则工作量大、效率低，在某些地区甚至难以实现。为了减少外业工作量，在野外只测定少量必要的地面控制点，在室内利用像片之间内在的几何关系，用摄影测量方法解求这些双像摄影测量所必需的控制点的地面坐标，这种方法称为空中三角测量。航带法空中三角测量是以一条航带作为平差的基本单元，将模型点的摄影测量坐标作为观测值，根据地面控制点的摄影测量坐标和地面坐标应相等以及相邻航带公共点坐标应相等为条件，用平差方法解求航带网的非线性变形改正系数，从而求出各加密点的地面坐标。

●5.1航带法单航带空中三角测量

以航带第一张像片的像空间坐标系作为航带统一的像空间辅助坐标系，其它各像片的辅助空间坐标系都与此平行。像对自左向右编号，第一个像对的左片在像空间辅助坐标系中的角元素全为0，经相对定向后算得右片的角元素。这三个角度对第二个像对（由航带第二、第三两片构成）而言，成为左片的角方位元素，成为已知值。当第二个像对进行相对定向时，只计算右片的角元素，而左片的角元素保持不变。依此类推，完成各像对的相对定向，计算出各模型点在各自像对的像空间辅助坐标系中的坐标。这些模型点包括像控点和加密点。

第六章数字摄影测量基础

摄影测量的基本任务是从影像中提取几何信息和物理信息。传统的模拟、解析摄影测量方法，都是人工作业完成这两项工作。在模拟立体测图仪或解析测图仪上进行相对定向、绝对定向、测绘地物与地貌，都需要作业员在双眼立体观察情况下完成。而数字摄影测量是利用影像相关技术来代替人眼的目视观测、自动识别同名点，实现几何信息的自动提取。目前，对于物理信息的自动提取，还处于研究阶段，在实际工作中，仍然沿用传统的目视判读方法。

●6.1数字摄影测量绪论

本节主要对数字摄影测量进行概述，分为“数字摄影测量的定义与分类”、“模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量的区别”两个方面。

●6.2数字影像的获取及重采样

数字影像自动测图处理的原始资料是数字影像，因此，对影像进行采样与量化以获取所需要的数字影像，是数字影像自动化测图的基础工作。本节介绍有关数字影像及其采样、量化的理论，数字影像传感器的检校以及影像重采样的理论。

●6.3数字影像解析基础

数字摄影测量的主要任务是从数字影像中提取几何信息。在双像解析摄影测量中,已经建立了以像主点为原点的像平面直角坐标计算地面点坐标的一系列数学关系，如相对定向、绝对定向、共线条件方程等，这些关系式在数字摄影测量中完全适用。本节主要介绍了“数字影像内定向”、“核线几何关系解析”和“同名核线的确定”等内容。

●6.4影像匹配基本理论和方法

立体像对的量测是提取物体空间信息的基础。在数字摄影测量中，是以影像匹配代替人工观测，来自动确定同名点。最初的影像匹配是利用相关技术实现的，所以影像匹配也称为影像相关。由于原始像片中的灰度信息可以转换为电子信息、光学信息或数字信息，因此可构成电子相关、光学相关或数字相关方式。但是，无论是电子相关、光学相关或数字相关，其理论基础都是相同的，都是根据两个信号的相关函数，评价它们的相似性，以确定同名像点。

●6.5最小二乘影像匹配

最小二乘影像匹配方法是由德国Ackermann教授提出的一种高精度的影像匹配方法，该方法根据相关影像灰度差的平方和为最小的原理，进行平差计算，使影像匹配可以达到1/10甚至1/00像素的高精度，即子像素等级。该方法不仅可以用于建立数字地面模型，生产和制作正射影像图，而且可以用于空中三角测量及工业摄影测量中的高精度量测。

●6.6基于特征的影像匹配

根据影像的灰度分布来确定同名点，称为基于灰度的影像匹配。但是，当待匹配的点位于低反差影像区域时，窗口内信息量少，信噪比低，匹配的成功率不高。此外，在许多应用领域，影像匹配不用于地形测绘，不需生成密集格网的DEM，只需配准一些感兴趣的点、线或面。如机器人视觉中，有时影像匹配目的只是为了确定机器人所在的空间方位。在上述情况下，影像匹配主要目的是用于配准那些特征点、线或面，这一类算法即为基于特征的影像匹配。

●6.7数字影像纠正

传统的地形图是以线划符号表示地物地貌，其缺点是信息量少，表现方式比较抽象而不易判读，而航摄像片信息丰富、形象直观、易于判读。可是，航摄像片是中心投影，存在着因像片倾斜和地面起伏引起的像点位移；此外，不同摄站拍摄的像片其比例尺也不一致。对中心投影的航摄影像进行纠正，可消除像片倾斜引起的像点位移，消除或限制地形起伏引起的投影差，归化不同摄站所摄像片的比例尺，以形成正射影像。

●6.8数字地面模型概述

数字地面模型是一个表示地面特征空间分布的数据库，一般用一系列地面点坐标(x, y, z)及地表属性(目标类别、特征等)形成数据阵列，以此组成数字地面模型。数字地面模型在测绘、资源与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的科研及国民经济各领域有着重要作用。 本节主要对数字地面模型进行概述，分为“地形表达方式”、“数字地面模型的定义”、“数字地面模型的形式”和“DEM的数据获取”四个方面。

●6.9DEM数据处理

DEM数据处理主要包括DEM数据预处理和DEM数据内插。 利用各种采集方法获取的数据不能直接利用来进行DEM数据内插，需进行数据的预处理工作流程。整个流程一般包括数据格式转换、坐标系统的变换、数据编辑、栅格数据矢量化及数据分块等内容。 DEM内插就是根据已知数据点高程估算出其他待定点高程的过程。根据内插点分布范围，内插的方法分为整体函数内插、局部函数内插和逐点内插三类。

●6.10三角网数字地面模型

若将按地形特征采集的点根据一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形，则构成不规则三角网(Triangular Irregular Network，TIN)。与规则格网相比较，不规则三角形格网存储数据量较大，数据结构、应用操作较复杂，不便于使用和管理，但其能准确反映地形的结构和细部特征。特别是近年来人们对TIN压缩存储方面进行研究，取得一定成果，进一步推动了TIN在实际中的应用。目前TIN已成为DEM表面建模的主要方法之一。

第七章近景摄影测量

近景摄影测量是摄影测量学的一个分支，用到了摄影测量学的基本理论，但是在摄影测量学基本理论的基础上又形成了新的理论，而且它的应用范畴与航空摄影测量完全不同，本章主要学习近景摄影测量的基本理论和应用。

●7.1近景摄影测量概述

近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个分支，它通过摄影手段以确定（地形以外）目标的外形和运动状态。主要包括：古文物古建筑摄影测量、工业摄影测量、生物医学摄影测量三个部分。本节主要介绍它的用途、特点及其与航空摄影测量的异同。

●7.2近景摄影测量的设备组成

对待测目标进行摄影或摄像是近景摄影测量中以获取目标物二维影像为目标的重要步骤，其中，摄影或摄像设备是获取影像的必要装置。本节主要对近景摄影测量的摄影设备和摄像设备进行简单介绍。

●7.3近景摄影测量的摄影技术

对待测目标进行摄影或摄像是近景摄影测量中以获取目标物二维影像为目标的重要步骤，其具有特定的摄影技术。本节从近景摄影测量的摄影方式，正直摄影的精度估算，以及立体相对的摄影方法三个方面进行介绍。

●7.4近景摄影测量的控制（上）

近景摄影测量的控制能把所构建的近景摄影测量纳入到给定的物方空间坐标系中，同时，能够利用多余控制加强近景摄影测量网的强度。本节主要包括近景摄影测量控制的目的、控制点与相对控制和前方交会测量控制点的平面坐标三部分内容。

●7.5近景摄影测量的控制（下）

近景摄影测量的控制能把所构建的近景摄影测量纳入到给定的物方空间坐标系中，同时，能够利用多余的控制检查近景摄影测量的精度和可靠性。本节主要包括三角高程测量控制点的高程、平面精度分析和高程精度分析三部分内容。

第八章无人机摄影测量与新型技术

作为传统航空摄影测量手段的有力补充，无人机摄影测量不仅可以大幅提升测绘应急保障服务能力，而且在构建数字中国、监测地理国情、重构建筑结构、提升社会管理效能等方面也能够发挥积极作用。 本章主要就无人机摄影测量的基本概念、系统组成、作业流程、具体应用以及新型技术等方面进行介绍。

●8.1无人机摄影测量概述

无人机摄影测量技术近年来逐步突破了传统航测精度的限制，结合像控技术，已经能够满足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形图精度要求。当前无人机航测技术大大减少了外业工作量，提高了测绘效率和质量，效率提高了几倍甚至是10倍以上。本节主要从无人机摄影测量的由来、无人机简介以及无人机航飞特点三个方面进行介绍。

●8.2无人机摄影测量系统组成与作业流程

基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势，无人机与航空摄影测量相结合使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。本节主要介绍了无人机摄影测量的系统组成、作业流程及其应用三部分内容。

●8.3倾斜摄影测量概述

倾斜摄影测量是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像智能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真是直观世界。本节主要来了解倾斜机摄影测量的含义、系统组成与作业流程、特点等基本知识。

●8.4倾斜摄影测量关键技术及应用

倾斜摄影测量技术作为一个新兴的技术方法在三维建模和工程测量中有广泛的前景。其中，数据处理和输出成果是该项技术的两大组成部分。本节主要讲解了倾斜摄影测量的关键技术、生产成果以及具体应用三方面内容。

●8.5贴近摄影测量概述

贴近摄影测量是由武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士2019年提出，被称为区别于垂直航空摄影测量、倾斜摄影测量的第三种摄影测量方式。本节主要从贴近摄影测量的由来与含义、特点以及技术路线三个方面进行介绍。

第九章无人机航空测绘过程虚拟仿真实验

国家虚拟仿真项目起源于2017年教育部发布的20174号文，提出建设专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。同时教育部计划于2017-2020年共建设1000个左右国家虚拟仿真项目。测绘类虚拟仿真项目于2018年启动，最后11个项目入选，我们这个“无人机航空测绘过程虚拟仿真实验”项目是国家虚拟仿真项目之一。

●9.1无人机航空测绘过程虚拟仿真实验概论

无人机测绘是现代测绘发展的重要方向，社会需求旺，在国民经济多个领域已有应用，如国土资源调查、应急救灾等。但无人机航空测绘过程的学习具有一定危险性和成本高等特点：主要是学习过程中如果操作不当容易造成无人机和无人机搭载的量测相机损坏，也可能引起人身安全；同时无人机航空测绘过程包含的知识点也多，操作性也强，许多知识点难以纸面直观展示，如无人机的操作过程，因此在大飞机时代，这部分内容一直是教学难点和盲点。因此，可用虚拟仿真实验来学习这部分知识。

●9.2无人机航空测绘过程虚拟仿真实验内业

本节主要介绍无人机航空测绘过程虚拟仿真实验内业的步骤，包括：（1）无人机的基础知识；（2）航摄方式的选择；（3）仪器设备选择与组装。

●9.3无人机航空测绘过程虚拟仿真实验外业

本节主要介绍无人机航空测绘过程虚拟仿真实验外业的步骤，包括：（1）无人机起降点选择；（2）飞行航线设计；（3）飞行前检查与准备；（4）飞行与航摄；（5）异常状况操作训练；（6）无人机降落控制；（7）航摄数据质量检查；（8）结束航空测绘。