第十六章 近代测绘技术

1. 第十六章 近代测绘技术

2. 第十六章 近代测绘技术 §16－1 数字摄影测量与遥感简介 §16－2 数字地图与地理信息系统

3. §16－1 数字摄影测量与遥感简介 一、摄影测量概述 1、定义：摄影测量学是根据对所摄物体的像片进行分析、 研究，确定所摄物体的形状、大小、性质和空间位置的一门 科学和技术，是测绘学科的一个很重要的分支。 2、分类：依据获得像片的不同方法和摄影距离的远近可 分为：航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景 摄影测量与显微摄影测量。 按用途不同，可分为：地形摄影测量和非地形摄影测量。 按处理技术的不同，可分为模拟摄影测量、解析摄影测 量和数字摄影测量。 3、发展阶段：摄影测量学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，数字摄影测量代表了 现代摄影测量学的发展方向。

4. 二、数字摄影测量 利用摄影测量方法获取被摄物体的几何信息，首先必须对影像进行量测。传统的摄影测量是在量测仪器上，依靠人工方法进行影像识别和量测的，随着现代科学技术，特别是计算机技术的发展，由计算机代替人完成一些摄影测量任务已成为可能。 1、数字摄影测量的内容 (1)、数字影像的获取 数字摄影测量处理的原始资料是数字影像。数字影像可以直接从空间飞行器中的扫描式传感器产生；可以将摄取的灰度像片，放在影像数字化仪上，把像片上像点的灰度值用数字形式记录下来，获得数字化影像；也可以是遥感方式获得的数字影像。 在摄影测量中常取以像主点为原点的像平面坐标来建立像点与地面点的关系，而在像片数字化过程中，像片的扫描坐标系与像平面坐标系是不一致的，使得同一像点的像平面坐标与其扫描坐标不同，需要在摄影测量处理前，将像点的扫描坐标换算到像平面坐标系中，这个过程称为数字影像的内定向。

5. (2)、数字影像相关 摄影测量过程中，需要对同一地物在立体像对中的影像不断进行识别和量测，传统的摄影测量是在立体测图仪上，依靠作业员完成的。通过人眼的识别和立体观察，不断从左、右影像上搜索同名像点，这就是探求影像相关的过程。在数字摄影测量过程中，是以影像相关算法代替传统的人工观测，在计算机上从左、右数字影像中自动寻找同名像点的，这个过程称为数字影像相关。它是数字摄影测量区别于传统摄影测量的主要地方，也是数字摄影测量研究的重要内容，是实现全自动化测图的核心问题。 在数字立体影像中，首先取出以待定点为中心的小区域的影像信号，然后取出它在另一数字影像上相应区域的影像信号，计算二者的相关函数，以相关函数最大值所对应的区域为最相似区域，称为同名区域，该同名区域的中心点为待定点的同名点。这就是数字影像相关的基本原理。

6. (3)、摄影测量处理 影像相关完成后，就可测得像点在像平面坐标系中的坐标值。这时，根据同名像点与其对应的地面物点所满足的摄影几何关系，通过相对定向、绝对定向等摄影测量的解析算法， 构建出与实地相似的，按一定比例尺表达的数字立体模型 ，构建数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）；利用建立的DEM，逐像元纠正像片倾斜和地形起伏引起的像点位移，制作数字正射影像。 (4)、产品输出 数字摄影测量的产品可以是各种数字产品，也可以是图解产品。还可通过一定的算法提供体积、空间距离、表面积，填挖方量等工程数据，完成各种工程运算。还可通过一定的算法提供体积、空间距离、表面积，填挖方量等工程数据，完成各种工程运算；

7. 2、数字摄影测量系统 实现数字摄影测量全过程的设备称为数字摄影测量系统DPS（Dital Photogrammetric System）或数字摄影测量工作站DPW(Dital Photogrammetric Workstation)。 它主要由两部分组成，一是硬件部分，包括：影像数字化装置，影像输出设备，计算机；二是软件部分，完成各种摄影测量任务的软件。 数字摄影测量工作站实质上是一个普通的影像数据处理系统，其功能的强弱完全取决于计算机和软件系统的功能。目前，国际上已推出了不少商用数字摄影测量系统，下面简要介绍两例典型的数字摄影测量工作站。

8. (1)、VirtuoZo数字摄影测量工作站 VirtuoZo是武汉大学研制的，基于Windows 95/NT的全数字摄影测量工作站，具有：自动化程度高，处理效率高，可接合性强，应用面广，成本低的特点，可用于1：5万，1：1万，1：1千，1：500等各种比例尺的数字测图，以及进行GIS数据采集等。

9. (2)、JX-4数字摄影测量系统 JX-4是中国测绘科学研究院研制的基于微机的数字摄影测量工作站，是一套半自动化的数字摄影测量系统，具有实用性强，人机交互功能好，生产精度高，产品质量控制工艺强的特点。可生产高密度的DEM，生产正射影像，采集GIS和数字地图数据等。

10. 三、遥感技术简介 1、概念 ：遥感是遥远感知事物的意思，也即：不直接接触目标物和现象，在距离地物几公里到几百公里、甚至上千公里的飞机、飞船、卫星上，使用传感器接收地面物体反射或发射的电磁波信号，并以图象胶片或数据磁带记录下来，传送到地面，经过信息处理、判读、分析和野外实地验证，最终服务于资源勘探、动态监测或规划决策。将这一接收、传输、处理、分析、判读和应用遥感信息的全过程称为遥感技术，具有感测面积大、获取资料速度快、受地面条件限制少，以及可连续进行、反复观察等优点。 2、 遥感的物理基础 遥感技术之所以能够探测不同的地面目标物体，是以物体本身具有不同的电磁波辐射或反射特性为依据的。不同的物体在一定的温度条件下发射不同波长的电磁波，他们对太阳辐射和人工发射的电磁波具有不同的反射、吸收、透射和散射作用的特性。

11. 3、遥感技术系统 现代遥感技术系统主要由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统和信息分析应用系统四部分组成。 (1)、空间信息采集系统 空间信息采集系统主要包括遥感平台和遥感器两部分。遥感平台是装载传感器的运载工具。遥感平台的种类很多，按平台距地面的高度的不同可分为地面平台、航空平台和航天平台。遥感器是收集、记录被测目标的特征信息（反射或发射电磁波）并发送至地面接收站的设备。 (2)、地面接收和预处理系统 遥感信息是指航空遥感和航天遥感所获取的感光胶卷或磁带等。在胶卷和磁带上记录的信息数据，包括被测目标物体的信息数据和运载工具上设备环境的数据。

12. 1)、遥感信息的接收：遥感信息向地面传输有直接回收和视频传输两种方式。直接回收是指传感器将目标物体反射或发射的电磁波信息记录在胶卷或磁带上，待运载工具返回地面后回收；视频传输是指传感器将接收到的目标物体反射或发射的电磁波信息，经过光、电转换，通过无线电将据送到地面接收站。 2)、遥感信息的预处理：由于受传感器的性能、遥感平台的姿态不稳定、地球曲率、大气的不均匀及地形的差别等多种因素的影响，地面接收站接收到的遥感信息总有不同程度的失真，必须将接收到的信息经过一系列校正后，才能使用。遥感数据处理系统主要包括以下内容：首先，收集传感器所接收到的遥感数据和运载工具上设备环境的数据、目标物体的光谱特性以及地面实况调查的资料与数据等，并将传感器接收和记录的原始数据变换为容易使用的数据；然后，将遥感数据进行辐射校正和几何校正以消除图像方面的失真和干扰及图像的几何变形；最后，将全部数据进行压缩、存储，以使用户能快速检索所需要的数据及对图像的判读和应用。

13. (3)、地面实况调查系统 地面实况调查系统主要包括在空间遥感信息获取前所进行的地物波谱特征（地面反射电磁波及发射电磁波的特性）测量，在空间遥感信息获取的同时所进行的与遥感目的有关的各种遥测数据的采集（如区域的环境和气象等数据）。前者是为设计遥感器和分析应用遥感信息提供依据，后者则主要用于遥感信息的校正处理。 (4)、信息分析应用系统 信息分析应用系统是用户为一定目的而应用遥感信息时所采取的各种技术，主要包括遥感信息的选择技术，应用处理技术，专题信息提取技术，制图技术，参数量算和数据统计技术等内容。其中遥感信息的选择技术是指根据用户需求的目的、任务、内容、时间和条件（经济、技术、设备等），在已有各种遥感信息的情况下，选购其中一种或多种信息时必须考虑的技术。当没有但需要最新遥感信息时（如航空遥感），应按照遥感图像的特点（如多波段或多光谱），因地制宜，讲求实效地提出航空遥感的技术指标。

14. 4、遥感图像处理 各种遥感图像都是由先进的技术系统获取的，信息十分丰富。为了挖掘遥感图像的信息潜力，提高判释效果，必须用先进技术方法对原始图像进行一系列处理。遥感图像处理主要包括图像的光学增强和数字图像处理。 遥感图像的光学增强是指借助光学技术对图像进行光学增强处理，使图像更为清晰、目标物体的标志更明显、更易于识别，从而改善图像判读的条件，提高图像的可辨性。 数字图像处理是指将数字化的图像输入计算机，由计算机进行各种处理。

15. 高分辨率遥感卫星数据处理的流程图

16. 5、遥感成图 1、遥感成图概述：遥感成图，是指采用综合制图的原 理和方法，根据成图的目的，以遥感资料为基础信息源，按 要求的分类原则和比例尺来反映与主体紧密相关的一种或几 种要素的内容。其主要功能是：用图形符号客观、系统而完 整地反映一定区域内环境与资源的空间分布及时间变化规律。 遥感成图一般是指利用遥感像来制作专题地图。 2、遥感成图的步骤： (1)、遥感资料的收集与分析； (2)、室内解译； (3)、图像信息转绘； (4)、检核； (5)、清绘、整饰

17. 四、数字摄影测量及遥感技术应用数字摄影测量与遥感技术已蓬勃发展成为一个新兴的科学技术领域，属于图象信息科学和技术范畴，是当代高新技术的重要组成部分，并广泛应用于国民经济建设与社会发展的多个领域。四、数字摄影测量及遥感技术应用数字摄影测量与遥感技术已蓬勃发展成为一个新兴的科学技术领域，属于图象信息科学和技术范畴，是当代高新技术的重要组成部分，并广泛应用于国民经济建设与社会发展的多个领域。 1、在国家基础测绘中的应用 2、在线路设计中的应用 3、在农林业中的应用 4、在地质矿产勘察中的应用 5、在水文学及海洋研究中的应用

18. §16－2 数字地图与地理信息系统 一、概述 地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)作为一门介于信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感信息学、空间科学、环境科学和管理科学之间的新兴边缘学科，随着信息时代的来临和发展而应运而生，并且迅速形成一门融合上述各学科及其各类应用对象为一体的综合性学科。 地理信息系统（GIS）在各行各业中得到了广泛应用，产生了各具特色的行业专题GIS，在进行综合、共享和扩充的基础上，便形成了今天的地理信息系统与数字测绘体系。现阶段在各种专题GIS应用中，数字测绘是其空间信息获取与更新的主要方法。为了确保各级GIS系统建设的顺利实施和可靠运行，就必须构建良好的数字测绘体系。

19. 二、地理空间数据与数字地图 1、地理空间数据 通常将地理信息中反映研究实体空间位置的信息称为基 础地理信息。基础地理信息的载体是地理空间数据，它是地 理信息和建立GIS的基础。地理空间数据就是指人们通过测 量所得到的地球表面上地物和地貌空间位置的数据。 2、地图的概念 地图是由数学所确定的经过综合概括并用形象符号表示的 地球表面在平面上的图形。同时，地图能在一定范围内，根据 其具体用途有选择地表示各种自然现象和社会现象的分布、状 况和相互联系。地图必须包括三方面的内容，即数学要素、几 何要素(地形要素)和地图综合。 数字地图是指用全数字的形式描述地图要素的属性、空 间位置和相互关系信息的数据集合。 电子地图是数字地图符号化处理后的数据集合，它具有 地图的符号化数据特征，并能快速实现图形的平面、立体和动 态跟踪显示，供人们在屏幕上阅读和使用。

20. 三、地理信息系统 1、地理信息系统的概念 (1)、信息（Information）：信息向人们(或系统)提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、经营、分析和决策的依据。 (2)、数据（Data）：信息来自数据，数据是未加工的原始资料。 (3)、地理信息 地理信息是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律。 (4)、地理信息系统（GIS） 信息系统；能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。信息系统的四大功能为数据的采集、管理、分析和表达。更简单地说，信息系统是：基于数据库的问答系统。

21. 2、GIS的特征 地理信息系统具有如下特征：． (1)、具有采集、管理、分析和以多种方式输出地理空间信息的能力，具有空间性和动态性，GIS的数据必须具有空间分布特征，具有一个特定投影和比例的参考坐标系统，基于共同的地理基础，并且是多维结构的。 (2)、为管理和决策服务，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生决策支持信息及其它高层地理信息。 (3)、由计算机系统支持进行地理空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用到空间数据之上产生有用信息，完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持使得地理信息系统具有快速、精确并能综合地对复杂的地理系统进行空间和过程的动态分析。

22. 3、GIS的类型 从GIS发展的历史上看，对GIS系统按其内容进行分类，在很大程度上是由用户不同的应用目标或任务要求所决定的。 GIS按其内容可以分为三大类： (1)、专题信息系统：具有有限目标和专业特点的地理信息系统，系统数据项的选择和操作功能设计是为特定的专门目的服务， (2)、区域信息系统：主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模。其特点是数据项较多，功能齐全，通常具备较强的开放性。 (3)、地理信息系统工具(GIS—TOOL)：是专门为GIS的建立和开发而研制的通用软件系统，是一组高效率系统化的具有图形图像数字化、空间数据存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等GIS基本功能的软件包，为用户提供基础的地理信息管理与分析功能。

23. 4、GIS的任务 (1)、GIS的研究体系 ：GIS的任务就是对地球表层人文经 济和自然资源及环境多种信息进行综合管理与分析。从GIS的 研究体系看，主要有三方面的任务： 1)、GIS基本理论的发展。 2)、G1S技术系统设计。 3)、地理信息系统应用方法研究。 (2)、GIS的任务：从具体的GIS技术的角度分析，GIS应完 成以下几个方面的任务： 1)、地理空间数据管理。 2)、空间指标量算。 3)、综合分析评价与模拟预测。

24. 四、地理信息系统的基本构成 从计算机科学角度看，完整的GIS至少应由四个主要部 分组成，即GIS硬件系统、GIS软件系统、GIS地理空间数据 以及系统的组织管理人员。 1、GIS的硬件设备：地理信息系统的硬件环境主要由计 算机及一些外围设备联接形成的，主要包括以下几个部分： 计算机系统、数据输入设备、数据存贮设备、数据输出设备、 数据通讯传输设备。 2、GIS软件系统：为了实现复杂的空间数据管理功能， GIS需要有与硬件环境相配套的多种软件功能模块。在软件 层次上需要有系统软件、基础软件、基本功能软件、应用软 件等多层次体系。根据GIS的功能可划分为以下几个子系统： 计算机系统软件和基础软件、数据输入子系统 、数据编辑 子系统、空间数据库管理系统、空间查询与空间分析系统、 数据输出子系统。

25. 系统管理 管理信息 管理的目的和要求 地理信息系统 数据采集 地理信息系统的组织示意图 3、GIS的组织 上述GIS软件子系统(程序包)对地理信息处理起着支配作用，但必须进行合理的组织和连接才能有效地应用。 GIS的硬件系统、软件系统、管理系统(包括有经验的技术人员)，都应该是匹配的，质量高、设备齐全、技能强。 GIS的建立和应用都应严格地进行技术和业务组织。建立地理信息系统时应根据目的、技术条件、经济条件，全面衡量GIS的组成和规模，从而确定所涉及的技术范围和业务部门，要制定一体化的技术标准和细则