像片糾正

攝影測量工作中，對航攝像片進行投影變換，消除由於攝影時像片傾斜引起的像點位移，並將其歸化為規定的比例尺圖像的技術。

基本介紹

• 中文名：像片糾正
• 外文名：Pictures to correct
• 科目：測繪科學
• 儀器：糾正儀
• 組成：照明裝置等
• 方法：光學機械糾正等

定義

像片糾正是指通過投影轉換，將傾斜像片變換成規定比例尺水平像片的作業過程。像片糾正一般使用糾正儀進行，這種儀器原理上屬於光學機械解法，它應同時滿足幾何條件和光學條件兩個方面。

糾正儀

第一類型糾正儀

光學機械糾正原理示意，其中的P、S、E′分別表示攝影時像片面、攝影物鏡中心（投影中心）和地平面的位置，H為攝影航高。像片面上的 abcd為地平面E′上A′B′C′D′的透視影像。糾正的任務就是要把像片上的透視影像abcd變換為比例尺1/M，且相當於垂直攝影時所得的影像。即用 E所表示的平面上的圖像ABCD,也就是成圖比例尺為1/M時地麵點A′B′C′D′的正確圖點位置。這類糾正儀是最早的型式，稱為第一類型糾正儀。它的特點是投影光束和攝影光束保持相似，能滿足糾正的幾何條件。但在保持攝影光束不變的條件下，只有一個固定物鏡的糾正儀在糾正不同的投影主距和不同的投影高度的像片時，就不能得到清晰的影像，亦即不能滿足糾正的光學條件。因此第一類型糾正儀未能得到推廣套用。

第二類型糾正儀

現代的糾正儀是第二類型糾正儀，它是根據透視平面旋轉定律，改變投影光束後仍能保持承影面上投影不變的原理設計的。設P、S1、E1分別表示攝影時的像片面、投影中心和承影面。像片面上的O為像主點,i為主合點,α為像片傾斜角。若保持由I1(遁點)、S1、i和V跡點所構成的平行四邊形相對邊的邊長及平行性不變，而使投影中心在主豎面內由S1轉至S2，承影面由E1轉至E2，則可證明：像面上任一像點在承影面上的投影點位置仍保持不變，即仍能得到正確的糾正，這就是透視平面旋轉定律。由於旋轉定律使投影光束可以任意改變，則投影影像清晰性問題得以解決。在第二類型糾正儀上設計有兩個光學條件控制器，一個控制光距條件，使物鏡主光軸上的物距和像距能自動符合透鏡公式；另一個控制交線條件，使像平面、物鏡平面和承影面自動相交於一條直線。有了這兩個控制器，在承影面上就能得到全面清晰的影像。

公式

光學機械解法中，一張像片的糾正需要確定8個參數值，故糾正儀須能完成8種獨立動作。其中3個動作可由作業員將圖板在承影面上左右、前後移動和旋轉解決，其餘5個獨立動作稱為5種自由度（縮放，底片在x和у方向的偏心，承影面在x和y方向的傾斜）。這 5種自由度隨儀器結構不同而有所不同。有些儀器完全由人工操作，有些儀器則有自動離心裝置（主合點控制器）,只有3個動作需由人工操縱。

結構組成

各種型號的第二類型糾正儀雖結構不同，但都有照明裝置、底片盤、投影物鏡、承影板、光學條件控制器和手輪、腳盤等部件。

有的儀器承影面只能在一個方向傾斜，有的則可按儀器的x、y軸作兩個方向的傾斜。

聯用系統

有的第二類型糾正儀可同專門的定向控制系統聯用。這一定向控制系統是由一個裝在承影板上的坐標量測裝置、一台電子計算機和其他附屬單元所組成。坐標量測裝置可量測承影面上控制點的坐標，計算機按空間後方交會原理計算出各種變換參數，並藉助於攝影機主距和糾正儀物鏡焦距、以及糾正係數（攝影比例尺分母與糾正像片比例尺分母的比值）等數據，計算出在糾正儀上進行糾正時，儀器的各分劃尺所需的安置值，並進行自動安置。另一種方法，是用計算機根據已知的攝影外方位元素，預先計算出糾正儀上各自由度的安置值，再在儀器上進行安置。

攝影測量中為了轉繪像片上的線劃，如野外實測的或用立體量測儀在像片上描繪的等高線，常使用投影轉繪儀。它由一個光學投影器構成。由於此投影器的主距一般不與攝影機的主距相適應，因此這種投影轉繪也屬於第二類型的糾正問題。

在地形起伏地區進行像片糾正時，如果由於地形起伏所產生的投影差超過了某一規定限值（例如±0.5毫米）,則應在糾正儀上進行分帶糾正,分帶糾正是對不同高度的地區分別以不同的糾正係數分帶地進行糾正，對於各類地區都適用，且其理論也比較嚴密的糾正方法是正射影像技術。

糾正方法

光學機械糾正

用光學機械糾正法對航攝像片進行糾正，是攝影測量的傳統方法，對平坦地面的航攝像片進行糾正，是用糾正儀進行投影變換的。

假如某時刻，在攝站點S對水平的地面T攝取了一張傾斜像片P，攝影航高為H，a、b、c、d為水平地面T上的地物點A、B、C、D的像。若用該像片以S為投影中心進行投影時，且像片保持了攝影時的空間方位，建立起與攝影光束相似的投影光束，再用一個投影距為H/M的水平面E與之相截，在E平面上，得到影像a1，b1，c1，d1，它與像片P面上的a、b、c、d互為投影關係，且a1，b1，c1，d1組成的幾何圖形與地麵點A、B、C、D組成的幾何圖形相似。若在E面上放置相紙，經曝光和攝影處理後得到的像片為糾正像片，將某一區域內的糾正像片（例如一幅圖內）依次拼湊鑲嵌在一幅圖板上得到整幅的像片圖稱為像片平面圖或正射影像圖，它既有正確的平面位置，又保持了豐富的影像信息。

上述這種糾正方法仍然是中心投影，它只適用對平坦地區的航攝像片進行糾正，只能消除因像片傾斜引起的像點位移，不能消除因地形起伏產生的投影差。

所謂平坦地區，現行的測圖規範規定投影差不得超過圖上±0.4mm，如果在一張糾正像片的作業面積內，任何像點的投影差都不超過此數值，這樣的地區通常稱為平坦地區。若投影差超出上述數值且屬丘陵地區，可用分帶糾正的方法來限制投影差。

在糾正儀上進行糾正時，必須使投影在承影面上的影像和水平地面上相應點組成的圖形保持幾何相似，所以，糾正儀必須要滿足一定的幾何條件。又因在承影面上要進行曝光曬像，承影面上的影像必須清晰，所以，在進行糾正時，糾正儀在滿足幾何條件的同時，還必須滿足光學條件。

像片與地面或像片與圖面間存在著透視對應關係，這種透視關係可由共線條件方程式求得。

在糾正儀上進行糾正，實際上是投影變換，採用的是“對點”方法。在進行糾正的像片範圍內，至少選取4個已知地面控制點（一般選取五個地面控制點），將這些控制點按圖比例尺刺在圖底上，進行糾正時，用人工移動、旋轉圖底及糾正儀的機械動作將叉點—圖底點與相應圈點—相應像點投影在承影面的點完全重合，也就完成了糾正。

光學微分糾正

概念

用光學機械法對平坦地區的航攝像片進行糾正，可以對整張像片一次性糾正；對丘陵地區分帶糾正的航攝像片，對每一帶的糾正也是一次性進行的，但對於山地的航攝像片進行糾正，光學機械法則無能為力，而必須採用光學微分糾正。把每一個小塊視為一個平面按中心投影方式進行變換，但並不是用“對點”的方式進行糾正，而是按每小塊面積的斷面高程來控制糾正元素，使之實現從中心投影到正射投影的變換。小塊的面積最常見的是呈線狀面積，是一個糾正單元，亦稱縫隙。其寬度在0.1～1.0毫米級，其長度也只有幾個毫米，使用這樣一個呈線狀面積的小塊沿掃描帶方向連續的移動，這種糾正方法稱為光學微分糾正，又稱正射投影技術。該方法是在專門的正射投影儀上進行的，有直接微分糾正與間接（函婁）微分糾正兩種方式。

原理

直接投影關係的微分糾正，其投影曬像的光線是經過投影器定向好了的中心投影光線。由一台雙像投影測圖儀與具有相同投影器的正射投影儀聯繫在一起，正射投影器的投影鏡箱與立體測圖儀中的一個投影器始終保持同高，且可在Z方向作同步運動。將要糾正的像片放在投影器內，立體測圖儀進行絕對定向以後，讀得P1片的角元素，並在正射投影儀上安置。正射投影儀的承影面上放置感光材料，上面用黑布遮蓋，只留縫隙。縫隙可沿儀器Y方向跟蹤模型表面運動，稱掃描。縫隙沿Y方向運動時，縫隙的中心與測圖儀的測點相對應承影面（或投影面）根據地形起伏作升降運動，觀測者不斷改變投影高度，使空間浮游測標始終切準立體模型表面。縫隙經過處，即進行曝光、曬像。一條帶曬完，縫隙在X方向上移動一個縫隙長度，稱為步進，在Y方向上反向掃描。依次地進行整個模型各個斷面掃描，便可獲得正射影像的像片，這樣的糾正方法稱為直接光學投影微分糾正。

在縫隙糾正時，取縫隙中心點的水平面作為糾正基準面，但縫隙的長度一般也有幾毫米長，若地面沿X方向存在一定坡度，高出或低於基準面的點仍會產生投影差，因此在斷面掃描時，會出現影像的丟失、重複或錯位現象，影響圖面的影像質量。其改進的辦法是：對於零級的正射投影儀，加入坡度改進器，能夠改正投影差，因此影像質量大大提高。

數字微分糾正

利用上述幾種經典的光學糾正儀進行像片糾正，在數學關係上受到了很大的限制，因此在實現其原理過程中均作了不同程度的近似。例如，在平坦地區的光學機械法糾正中，只要投影差不超過圖上的0.4mm均視為平坦地區；利用光學微分糾正，雖然使用一個小縫隙作為糾正單元，要想提高精度，必須縮小縫隙大小，但這樣勢必增加作業時間，降低作業效率，並且光學機械的限制縫隙不可能太小。另外，在近代遙感技術中許多新感測器的出現，產生了不同於經典的框幅式攝影像片的影像，使得經典的光學糾正儀器難以適應這些影像的糾正任務，若利用數字影像技術，則可方便地解決上述問題。

根據已知影像的內定向參數和外方位元素及數字高程模型，按一定的數學模型用控制點解算，從原始非正射投影的數字影像獲取正射影像，這種過程是將影像化為很多微小的區域，如可為一個像元大小的區域（可小到25μm×25μm大小），逐一進行糾正。這種直接利用計算機對數字影像進行逐個像元的微分糾正，稱為數字微分糾正。數字微分糾正概念在數學上屬映射範疇。