[科普中国]-航空摄影测量

基本原理

航空摄影测量单张像片测图的基本原理是中心投影的透视变换，立体测图的基本原理是投影过程的几何反转。航空摄影测量的作业分外业和内业。

外业包括：

①像片控制点联测，像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点，也可选用像片上明显地物点（如道路交叉点等），用测角交会、测距导线、等外水准、高程导线等普通测量方法测定其平面坐标和高程。

②像片调绘，在像片上通过判读，用规定的地形图符号绘注地物、地貌等要素；测绘没有影像的和新增的重要地物；注记通过调查所得的地名等。

③综合法测图，在单张像片或像片图上用平板仪测绘等高线。

内业包括：

①加密测图控制点，以像片控制点为基础，一般用空中三角测量方法，推求测图需要的控制点、检查其平面坐标和高程。

②测制地形原图。

单张像片测图的基本原理是中心投影的透视变换，而摄影过程的几何反转则是立体测图的基本原理。广义来说，前一情况的基本原理也是摄影过程的几何反转。

20世纪30年代以后，摄影过程的几何反转都是应用各种结构复杂的光学机械的精密仪器来实现的。

50年代，开始应用数学解析的方式来实现。假设两张相邻的航摄像片覆盖了同一地面AMDC，它们在左片P1上的构像为ɑ1m1d1c1，右片P2上的构像为ɑ2m2d2c2，两摄站点S1和S2间的距离为基线B。如将这两张像片装回与摄影镜箱相同的投影器内，后面用聚光器照明，就会投射出同摄影时相似的投影光束。再把这两个投影光束安置在与摄影时相同的空间方位，并使两投影中心间的距离为b（b为按测图比例尺缩小的摄影基线），此时所有的同名投影光线都应成对相交，从而得出一个地面的立体模型A'M 'D 'C '。这时，用一个空间的浮游测标（可作三维运动）去量测它，就可画得地形图。2

优点航空摄影具有以下优点：
（1）可以居高临下地观察；
（2）航片能把观察到的各种地面特征在同一时间里客观地记录下来；
（3）记录动态现象；
（4）航片是现状的永久性记录，且有充裕时间来仔细研究，可将外业现场搬至室内探讨；
（5）提高空间分辨率。1

相关技术航空摄影测量的主题，是将地面的中心投影（航摄像片）变换为正射投影（地形图）。这一问题可以采取许多途径来解决。如图解法、光学机械法（亦称模拟法）和解析法等。在每一种方法中还可细分出许多具体方法，而每种具体方法又有其特有的理论。其中有些概念和理论是基础性的，带有某些共性，如像片的内方位元素和外方位元素，像点同地面点的坐标关系式，共线条件方程，像对的相对定向，模型的绝对定向和立体观测原理等。

像片的内方位元素和外方位元素

内方位元素用以确定摄影物镜后节点（像方）同像片间的相关位置。利用它可以恢复摄影时的摄影光线束。内方位元素系指摄影机主距 f和摄影机物镜后节点在像平面的正投影位于框标坐标系中的坐标值（x0,у0）。这些数值通过对航摄机鉴定得出，故内方位元素总是已知的。确定摄影光线束在摄影时的空间位置的数据，叫做像片或摄影的外方位元素。外方位元素有6个数值，包括摄影中心S在某一空间直角坐标系中的3个坐标值Xs、Ys、Zs和用来确定摄影光线束在空间方位的3个角定向元素，如φ、ω、k角。这些外方位元素都是针对着某一个模型坐标系O－XYZ而定义的。模型坐标系的X坐标轴近似地位于摄影的基线方向，Z坐标轴近似地与地面点的高程方向相符。在模型坐标系内所建立的立体模型必须在其后经绝对定向的过程才能取得立体模型的正确方位。

像点坐标变换式

像点ɑ在以摄影中心S为原点，摄影主光轴z坐标轴的像空间坐标系（S-xуz）中的坐标为xɑ、уɑ、zɑ=-f。此时以S为原点再建立一个辅助坐标系（S-uvw）其中3个坐标轴u、v、w分别与模型坐标的3个坐标轴X 、Y、Z相平行。ɑ点在此辅助坐标系中的坐标设为uɑ、vɑ、wɑ，则其变换关系式为：

R为旋转矩阵，它是由像空间坐标系与辅助坐标系的相应坐标轴间夹角的余弦（称方向余弦）组成，而这些方向余弦都是像片的3个角定向元素的函数。这是一个重要的基本公式，因为有很多理论公式或作业公式就是在此基础上进一步演化得出的。例如，在解析摄影测量中有广泛应用的“共线条件方程式”，就是根据它的反算式作进一步演化得出。

相对定向

确定像片对相互位置关系的过程。模拟法相对定向是在立体测图仪上进行。其理论基础是使空间所有的同名光线都成对相交。当同名光线不相交时，则在仪器的观测系统中可以观察到上下视差（常用 Q表示）。上下视差就是两条同名射线在空间不相交时在垂直于摄影基线方向中存在的距离。此时将投影器作微小的直线移动或转动，就可以消除这个距离。理论上只要能够在适当分布的 5个点处同时消除该点处的上下视差，就认为已经获得在这个立体像对内全部上下视差的消除，从而完成了相对定向，得出立体模型。相对定向的解析法是在像片上量测各同名像点的像点坐标，例如对左像片为x1、у1，对右像片为x2、у2。根据同名射线共面条件的理论可以推导出这些量测值与相对定向元素的关系式。理论上测得5对同名像点的像点坐标值，就能够解算出该像片对的 5个相对定向元素。同名点在左右像片上的纵坐标差（у1-у2）习惯上也称之为上下视差，用符号q 表示。

模型的绝对定向

在摄影测量中，相对定向所建立的立体模型常处在暂时的或过渡性的模型坐标系中，而且比例尺也是任意的，因此必须把它变换至地面测量坐标系中，并使符合规定的比例尺，方可测图，这个变换过程称为绝对定向。绝对定向的数学基础是三维线性相似变换，它的元素有7个，3个坐标原点的平移值，3个立体模型的转角值和1个比例尺缩放率。

立体观测原理

立体观察的原理是建立人造立体视觉，即将像对上的视差反映为人眼的生理视差后得出的立体视觉。得到人造立体视觉须具备3个条件：①由两个不同位置（一条基线的两端）拍摄同一景物的两张像片（称为立体像对或像对）；②两只眼睛分别观察像对中的一张像片；③观察时像对上各同名像点的连线要同人的眼睛基线大致平行，而且同名点间的距离一般要小于眼基线（或扩大后的眼基距）。若用两个相同标志分别置于左右像片的同名像点上，则立体观察时就可以看到在立体模型上加入了一个空间的测标。为便于立体观察，可借助于一些简单的工具，如桥式立体镜和反光立体镜。对于那种利用两个投影器把左右像片的影像同时叠合地投影在一个承影面上的情况，可采用互补色原理或偏振光原理进行立体观察，并用一个具有测标的测绘台量测。

测量方法20世纪30年代以来，航空摄影测量的测图方法主要有3种，即综合法、全能法和分工法（或称微分法）。

航空摄影测量的综合法是摄影测量和平板仪测量相结合的测图方法。地形图上地物、地貌的平面位置由像片纠正的方法得出像片图或线划图，地形点高程和等高线则用普通测量方法在野外测定。它适用于平坦地区的大比例尺测图。

航空摄影测量的全能法是根据摄影过程的几何反转原理，置立体像对于立体测图仪内，建立起所摄地面缩小的几何模型，借以测绘地形图的方法。在立体测图仪上安置像片时依据内方位元素，目的是使恢复后的投影光束同摄影光束相似（也可在一定条件下变换投影光束）。由于像对的相对定向过程中并未加入控制点，只利用了像对内在的几何特性，所以建立的几何模型的方位是任意的，模型的比例尺也是近似值，因此必须通过绝对定向才能据以测图。

全能法测图的仪器是立体测图仪。这类仪器形式繁多，根据投影系统的结构可分为3种类型：

①建立实际投影光线束的光学投影式的；

②从投影中心至像点一方为实际的投影光线，而从投影中心至模型点一方则用方向导杆代替的光学机械投影式的；

③用一根贯穿3个万向关节（它们分别代表像点、投影中心和模型点）的方向导杆来代替投影光线的机械投影式的。前两种型式的仪器现已基本淘汰了。立体测图仪的结构均须有投影系统、观测（观察和量测）系统和绘图系统等几个主要部分。使用立体测图仪进行相对定向和绝对定向，是通过两个投影器的角运动（少数仪器也有直线移动）和测标架上测标的安置动作来实现的。定向之后，可以通过立体观测，利用仪器上的测标点在地面的立体模型上进行地物和地貌的测绘。有的仪器还可以处理地面摄影的像片，有的可在仪器上作空中三角测量。

立体测图仪自1930年问世以来，发展到60年代达到高峰，以后主要是发展仪器外围设备，例如电子绘图桌、正射投影装置（见正射影像技术）以及坐标记录装置等。电子绘图桌有多种功能，可以自动地做某些内容的绘图工作。

航空摄影测量的分工法（微分法）是按照平面和高程分求的原则进行测图的一种方法。使用的主要仪器是立体量测仪。它是根据竖直摄影像对，量测左右视差较和在右方像片上勾绘等高线的一种仪器。一个地面点在左、右两张像片上构像点的横坐标 x的差值称左右视差p，而两个地面点的左右视差之差则称之为左右视差较Δp，这个 Δp是该两点的高程差所引起的。
在量测左右视差较Δp的过程中，借助仪器上的改正机件，自动改正由摄影外方位元素带来的影响，使之等于理想像对的左右视差或左右视差较；而用高差公式计算高程差；然后用投影转绘仪把在像片上勾绘的等高线以及调绘的地物，进行分带投影转绘成地形图。中国设计制造的X－2型视差测图仪是在立体量测仪的基础上，另加平面改正机件，改进后的仪器，在使用中可把分工法测图中的两个步骤一次解决，从而提高了作业效率。意大利、联邦德国也有类似的仪器。

航空摄影测量的成图方法和仪器正在向着半自动化和自动化方向发展，在这方面解析测图仪已经有了相当的成就。

具体工作航空摄影测量需要进行外业和内业两方面的工作。

航测外业工作包括：

①像片控制点联测。像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点，也可选用像片上的明显地物点（如道路交叉点等），用普通测量方法测定其平面坐标和高程。

②像片调绘。是图像判读、调查和绘注等工作的总称。在像片上通过判读，用规定的地形图符号绘注地物、地貌等要素；测绘没有影像的和新增的重要地物；注记通过调查所得的地名等。通过像片调绘所得到的像片称为调绘片。调绘工作可分为室内的、野外的和两者相结合的3种方法。

③综合法测图。主要是在单张像片或像片图上用平板仪测绘等高线。

航测内业工作包括：

①测图控制点的加密。以前对于平坦地区一般采用辐射三角测量法，对于丘陵地和山地则采用立体测图仪建立单航线模拟的空中三角网，进行控制点的加密工作。20世纪60年代以来，模拟法空中三角测量逐渐地被解析空中三角测量代替（见空中三角测量）。

②用各种光学机械仪器测制地形原图。

我国发展情况摄影测量引入我国以来, 国内在数字摄影测量领域的理论研究也取得了较大的进步。在王之卓先生于1978 年提出“全数字自动化测图系统概念” 指导下, 北京四维远见公司的JX4DPW, 武汉适普公司的VirtuoZo 这两套DPW 都于1998年通过了国家测绘局的鉴定。这两套系统集成了摄影测量数据后处理的大部分工作, 空三测量、4D(DEM, DigitalElevation Model; DLG, Digital Linear Graphy;DOM, Digital OrthoPhotomap , DTM, Digital Terrain Model)产品生产等工作都能在该系统上完成。国内外数字摄影测量工作站的涌现极大地促进了摄影测量在各个方面的应用,同时这些数字摄影测量工作站都极好地提供了完备的胶片像片数字化后各种影像处理方式, 吸收了大量的图像处理领域的先进技术和理论,如图像检测、图像匹配等, 极大地促进了摄影测量系统的发展。

我国在数字摄影测量工作站和其他航空摄影测量的理论进展并不能掩盖在航空摄影仪的落后。我国在机载POS 系统, 光学成像镜头、CCD制作工艺和水平等方面还有较长的路要走。因此,我国航空摄影测量发展的一个重要内容就是研发具有自主知识产权的数字航空摄影仪。没有自己的数字航空摄影仪这个航空摄影最前端的产品,数字航空摄影的各个方面如摄影规范的制定、全自动/半自动数字摄影测量工作站、数字航空摄影的应用等都会受到限制。中国科学院光机研究院、中国测绘科学研究院、武汉大学都在这方面进行了许多卓有成效的研究工作。正是在这些科研成果的支持下,2007 年由中国测绘科学研究院、北京四维远见公司、首都师范大学等几家单位联合研制的国产数字航空摄影仪SWDC- 4通过了国家测绘局组织的产品鉴定会, 结束了我国没有国产数字航空摄影仪的现状。

SWDC- 4 宽像幅面阵数字航空相机,在高程精度、旁向视场角、重量体积比、可更换镜头、降低航高等技术指标上取得了突破。采用的大视场角、大象元角、大基高比技术显著地提高了成图效率与高程精度。SWDC进行5000H 飞行时旁向覆盖宽度近9 公里, 航向覆盖近8 公里, 60%重叠时基高比近0.59/0.89。SWDC- 4的作业效率和高程精度都高于DMC等国外数字航空相机, 在进行中小比例成图航空拍摄时, SWDC- 4 具有更高的实用价值。SWDC独有的组件式自供电结构和有无摄影员两种工作方式可以适应各种飞行平台、具有极大的适应性。SWDC- 4 能够进行1 ∶500 到1∶10000 的成图比例尺的航空摄影, 其作业精度远高于国家规范所规定的作业精度, 高程精度达到1/10000 航高。3

未来发展1、综合数字航空摄影仪

尽管数字航空摄影仪能够克服常规航空摄影的种种弊端, 消除高空间分辨率传感器和LIDAR技术将取代航空摄影测量的认识。但是在国家基础地形资料逐渐完备、航空摄影数据应用逐渐多元化的趋势下,单一的黑白或者真彩色航空摄影仪不能完全满足这种航空摄影多元化应用的需要。国外面阵数字航空摄影仪,如DMC 和UCD就已经具有全色和彩红外两种波段, 是因应这一形势的典型代表。但是,这种波段组成也只是将常规航空摄影的彩红外相机和黑白相机做了一个集成,还达不到多光谱航空摄影的要求。数字航空摄影仪在不断提升自身基本功能和性能稳定性基础上, 将多光谱传感器集成到数字航空摄影仪中,使数字航空摄影不仅能够满足传统测绘的需要, 而且可以为不断深入的遥感应用提供更丰富的机载数据。

2、自动或半自动全数字摄影测量工作站

数码航空相机及其近地轻型数码航空摄影测量系统的应用将对摄影测量的工作流程和后续数据处理产生巨大的影响,有可能产生革命性的变革。数码航空相机应用到整个摄影测量过程中后,摄影测量与其他非测图用遥感数据获取将可能更加集成。考虑到摄影测量影像较高的几何精度,与之一起获取非测图用遥感数据将可能避免与空间矢量数据精度不匹配、空图2SWDC- 4数字航空摄影仪间位置不匹配等遥感数据处理经常遇到的问题。数码航空相机影像获取的成本和影像存储的成本将大大降低,常规航空摄影测量要求的航向重叠60%以上、旁向重叠30%以上将不会成为数码航空摄影测量的制约,航向重叠80%以上、旁向重叠60%以上高冗余航空摄影测量将可能取代低重叠度常规航空摄影测量。相同的地物点将被更多的影像所反映,摄影测量的立体像对数将大大增加,常规数字摄影测量工作站的影像处理方法将被更多的全自动、半自动处理方法所替代。全自动数字摄影测量工作站将会成为数字测量工作站的下一个发展阶段,大量的新技术、新方法将应用到全自动数字摄影测量工作站中。数字航空摄影系统的采用及大量的图像匹配、模式识别、计算机视觉技术、并行计算技术、网格计算技术的引入使大量的原来需要人机交互的工作可以全自动工作,这将大大地提升航空摄影数据处理的效率。基于高性能台式机的全自动数字摄影测量工作站的研制将成为摄影测量领域的另一研究焦点。其中基于多目视觉的影像匹配及方位元素解算技术、高程精度的大比例尺地图快速成图与更新技术、高冗余网状航空摄影处理技术、面向区域自动“跨像对” 的数字成图技术等将会成为自动或半自动全数字摄影测量工作站的关键技术。

3、数字摄影测量网格和准实时摄影测量

航空摄影测量其旺盛的生命力就在于其不断地吸收相关领域的最新理论和技术,局域网、万维网、网格技术的发展必然使得数字摄影测量会引进最新的理论研究成果,将计算机网络、集群处理、并行处理等最新技术应用到航空摄影测量后处理中。数字摄影测量网格将单个数字摄影测量工作站、集群处理系统、网格处理系统等集成在一起,有可能实现实时或准实时摄影测量。我们相信再经过几年或者十几年的发展, 航空摄影空中作业完成后, 一天之内数字正射影像就可以提供给用户,数字摄影测量也会迎来发展和应用的又一个高峰。3