[科普中国]-水下摄影测量

简介

水下摄影测量技术就是利用物方空间在水中、像方空间在空气中所拍摄的图像，确定被摄目标几何特性的技术。它是近景摄影测量中一种特殊的测量技术，被广泛应用在海底测图、水深测量、水下考古、水生物研究、海洋工程、气泡室和零重力环境下星载柔性天线型面精度测量等。

水下摄影测量按照其摄影方式可分为两类：一类是采用水上拍摄，即摄影机在空中而目标物在水中；另一类是采用水下拍摄，即摄影机和目标物均在水中。目前水下摄影测量技术采用水上拍摄方式进行精密测量缺乏深入的理论研究，尚无实际应用1。

已有理论模型分析由于水面折射的存在，物点A 经过折射成像于像点a，成像光线中物点A、摄影中心O及像点a这3点不再共线。设α和β分别为成像光线在水面的入射角和折射角。水下摄影测量时，成像光线穿过两种不同的介质，在介质分界面处产生折射。此时常规近景摄影测量中的共线方程理论模型不能适用，因此需要从折射改正入手来重新建立测量模型。

1 像点改正法模型

该方法模型考虑折射改正，分别通过像点的光学位移、投影器主距的改变以及投影高度的改变，这3种途径来建立水下摄影测量归化模型。其主要思想是：将入射线的光束转变到物体的一个透视射线束，使得双介质摄影测量的问题转化为一般的单介质摄影测量问题。

归化模型存在的问题是：解算要求已知各摄站S 到介质分界面的距离H 和各物点到介质面的距离h。然而在实际工程应用中获取这两类距离值或者是有很大的困难，或者是根本无法实时获取。因此，像点改正法模型在实际测量中很难得到应用。

2 物方点改正法模型

该方法模型通过建立虚拟物方点，实现传统近景摄影测量的共线方程理论。

首先确定虚拟物方点与实际物方点的几何函数关系；然后通过对虚拟物方点的3维坐标测量实现对实际物方点的3维坐标测量。

但是该模型建立的前提是，假设物方坐标系在水面上。这需要已知各物方点距水面的距离Z和各摄站距离ZS，而且在具体解算时需要求出每条成像光线的入射角α。这些问题在实际应用中是不能或很难实现的。

3 界面法构像方程模型

通过引入介质分界面方程式，将折射改正和几何约束作为模型建立的基础，避开了传统近景摄影测量共线方程。其主要思想为：将物方坐标系O －XYZ 建立在水下，引入介质分界面方程，加入折射改正，建立构像方程式；将入射光向量和折射光向量以及分界面的法向量这3个向量共面作为几何约束条件来建立构像方程式。

1）界面参数精确值的确定

将微小厚度的塑料平板如光盘上面贴适量的标志点（一般6个即可），使其漂浮固定在水面上。通过解算出该标志点的坐标，进而拟合出水面作为一个几何平面在水下坐标系下的平面方程。试验表明，该方法简单可靠，并且拟合出的平面精度较高，可以作为精确值。

2）外方位元素初值和待测点坐标初值的获取

空气中进行近景摄影测量处理解算得到的目标点坐标，可以作为水下测量目标点的坐标初值。对于水下目标点进行水上拍摄，暂不考虑折射改正。通过解算处理，获得不准确的外方位元素作为水下摄影测量外方位元素的初值。试验表明，该初值实现了迭代收敛，解算出的外方位元素值精度较高2。

试验与结果1 试验条件

水下摄影测量试验是在一个直径为1.3m，高为1m的试验用桶中进行。试验对口径为36cm的铝合金制试验用天线进行了测量。该天线近似为抛物面形，在其上面贴了5个编码标志点和45个回光反射标志。它们都是用高亮反光材料制成，可以产生“准二值影像”。试验的摄影环境正常。桶中注水80cm，采用尼康D700相机进行水上拍摄获得相片数据。

2 试验过程

试验可以分为以下3个步骤。

第1步，在空气中对天线进行摄影测量，并加入基准尺，通过V－STARS系统解算出天线上所有标志点的物方3维坐标，并将其保存。为下一步水下测量解算提供初始值。

第2步，天线置于水深80cm的试验用桶中，相机在空气中进行拍摄，获得15张相片，相片质量合格，与步骤1的解算相同。由于折射存在的影响，得到不准确的物方点3维坐标，同时也获得了各摄站的姿态6参数的近似值。为步骤3解算提供初始值。

第3步，利用由步骤2解算所得到的初始值，根据线性化公式编写水下摄影测量程序并进行相应的折射改正。首先通过空间后方交会，迭代解算出准确的各摄站的外方位元素；然后再通过空间前方交会，迭代解算出准确的物方点位3维坐标（X，Y，Z）。

3 试验结果

利用工业摄影测量系统V－STARS将步骤1和步骤3的解算结果进行换算，得到天线各点位在空气中测量和水下测量时的坐标变化值。

在摄影距离2m 的范围内，V－STARS系统单相机测量的点位精度优于0.02mm，并且试验用天线是刚体结构的，放入水下测量时不变形。经过公共点换算，二者的点位误差分别是：X 轴方向为0.905mm；Y 轴方向为0.203mm；Z 轴方向为0.179mm；测量精度为0.94mm。

总结1）X 轴方向精度较低，原因是X 轴方向为摄影距离方向，即深度方向，根据多重交向摄影的精度估算公式，像点的量测精度对摄影距离方向的精度影响最大。

2）采取水上拍摄方式进行水下摄影测量的测量精度可以接近或达到空气中的测量精度。采用后方－前方法平差解算，界面参数没有参与平差，影响试验的成果精度。下一步将重点考虑相机的水下标定和加入界面参数的自检校光束法整体平差，以进一步提高水下测量成果精度。

3）对水下近景摄影测量理论模型进行研究分析，推导界面法构像方程模型；经过试验获得点位精度为0．94mm 的测量精度。结果表明利用界面法构像方程模型可以有效实现折射改正3。