[科普中国]-摄影测量

简述

摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系。

摄影测量的主要任务是用于测制各种比例尺的地形图，建立地形数据库，为各种地理信息系统、土地信息系统以及各种工程应提供空间基础数据，同时服务于非地形领域，如工业、建筑、生物、医学、考古等领域。1

传统的摄影测量学是利用光学摄影机摄取像片，通过像片来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置和相互关系的一门科学技术。它包括的内容有：获取被摄物体的影像，研究单张像片或多张像片影像的处理方法，包括理论、设备和技术，以及将所测得的结果以图解的形式或数字形式输出的方法和设备。其主要任务是测制各种比例尺的地形图、建立地形数据库，为地理信息系统、各种工程应用提供基础测绘数据。

发展阶段从1839年尼普斯和达意尔发明摄影术算起，摄影测量已有170多年的历史。但将摄影术真正用于测量的是法国陆军上校劳赛达特，他在1851~1859年提出和进行了交会摄影测量。由于当时飞机尚未发明，摄影测量的几何交会原理仅限于处理地面的正直摄影，主要是用来进行建筑物摄影测量，而不是用来进行地形测量。

从空中拍摄地面的照片，最早是1858年纳达在气球上拍摄的。1903年莱特兄弟发明飞机后，才使航空摄影测量成为可能。在第一次世界大战时期，第一台航空摄影机问世。由于航空摄影比地面摄影有明显的优越性（如视场开阔、无前景挡后景现象、可快速获得大面积地区的像片等），使得航空摄影测量成为20世纪以来大面积测制地形图的最有效方法。1901年研制了立体坐标量测仪，1909年研制了1318立体自动测图仪，这些仪器主要用于地面摄影测量。从20世纪30年代到50年代末，各国主要测量仪器厂针对航空地形摄影测量研制和生产了各种类型的模拟测图仪器。这个时期是模拟航空摄影测鼙的黄金时期。在我国，模拟航空摄影测量一直延续到20世纪70年代末。

模拟航空摄影测量指的是用光学或机械方法模拟摄影过程，使两个投影器恢复摄影时的位置、姿态和相互关系，构成一个比实地缩小了的几何模型，即所谓摄影过程的几何反转，在此模型上的量测即相当于对实地的量测，量测的结果是通过机械或齿轮传动等方法直接在绘图桌上绘出，如地形图或各种专题图。

由于计算机及计算技术的发展，人们开始使用计算机来完成摄影测量中复杂的几何解算和大量的数值计算。这便出现了始于20世纪50年代末的解析空中三角测量仪、解析测图仪与数控正射投影仪，开辟了解析摄影测量的新纪元。1957年，海拉瓦博士提出了利用计算机进行解析测图的思想，限于当时计算机的发展水平，解析测图仪经历了近20年的研制和试用阶段。到了20世纪70年代中期，计算机技术的发展才使解析测图仪进入了商用阶段。

解析摄影测量的进一步发展是数字摄影测量。从广义上讲，数字摄影测量指的是从摄影测量和遥感所获取的数据中，采集数字化图形或数字化影像，在计算机中进行各种数值、图形和影像处理，研究目标的几何和物理特性，从而获得各种形式的数字产品和可视化产晶。这里的数字产品包括数字地图、数字高程模型、数字正射影像、测量数据库、地理信息系统和土地信息系统等。这里的可视化产品包括地形图、专题图、纵横剖面图、透视图、正射影像图、电子地图、动向地图等。对数字/数字化影像在计算机中进行全自动化数字处理的方法称为全数字化摄影测量，它包括自动影像匹配与定位、自动影像判读两大部分。自动影像匹配与定位是对数字影像进行分析、处理、特征提取和影像匹配，然后进行空间几何定位．建立数字高程模型和获得数字正射影像。所获得的可视化产品则为等高线图和正射影像图等。由于自动影像匹配与定位能代替人眼立体观测的过程，故而是一种计算机视觉方法。自动影像判读是解决对数字影像的定性描述，并称为数字图像分类。数字图像低级的分类方法是基于灰度、特征和纹理等，多用统计分类方法；数字图像高级的分类则基于知识，构成分类专家系统。

数字摄影测量的发展还推动了实时摄影测量的问世。所谓实时摄影测量是用CCD多数字摄影机直接对目标进行数字影像获取，并直接输入计算机系统中。在实时软件作用下，立刻获得和提取需要的信息，并用来控制对目标的操作。这种实时摄影测量系统主要用于医学诊断、工业过程控制和机器人观察方面。在陆地车载或空中机载、星载系统中，利用GPS定位技术和CCD影像技术可以实时地直接为GIS采集所需要的数据和信息，对军用和民用都有极大的意义。

综上所述，摄影测量经历了模拟法、解析法和数字化三个发展阶段。2

原理摄影测量尽管有各种各样的分类，但它们的基本理论依据是共同的，就是摄影构像的数学模型。对单张像片而言，这个数学模型是基于摄影时物点、镜头中心、像点三点位于同一直线上，由此建立的方程称之为共线条件方程或构像方程。对于一个立体像对（由不同摄影站摄取的、具有一定影像重叠的两张像片），则又可引申出能够表明内部和外部几何关系的数学模型，具体到实际作业中，这些数学模型构成了单像摄影测量和双像（立体）摄影测量的理论基础。3

采用摄影测量方法测制地形图，必须对测区进行有计划的空中摄影。将航摄仪安装在航摄影机上，从空中一定的高度对地面物体进行摄影，取得航摄像片。运载航摄机的飞机飞行的稳定性要好，在空中摄影过程中要能保持一定的飞行高度和航线飞行的直线性。

飞饥的飞行航速不宜过大，续航的时间要长，实施飞行直至把整个航摄区域摄影完毕，经过室内摄影处理（显影、定影、水洗、晾干等），从而得到了覆盖整个航摄区域的航摄像片。目前所采用的像幅大小有两种：一种是18 cm×18 cm的像片，另一种是23 cm×23 cm的像片（也称大像幅的像片）。

以测绘地形为目的的空中摄影多采用竖直摄影方式，要求摄影机在曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直于地面、实际上，由于飞机的稳定性和摄影操作的技能限制，航摄机主光轴在曝光时总会有微小的倾斜，按规定要求像片倾角应小于2°~3°，这种摄影方式称为竖直摄影。竖直航空摄影可分为面积航空摄影、条状地带航空摄影和独立地块航空摄影i种。面积航空摄影主要用于测绘地形图，或进行大面积资源调查；条状地带航空摄影主要用于公路、铁路、输电线路定线和江、河流域的规划与治理工程等，它与面积航空摄影的区别一般只有一条或少数几条航带；独立地块航空摄影主要用于大型工程建设和矿山勘探部门，只拍摄少数几张具有一定重叠度的像片4

特点摄影测量的主要特点为：

(1)无需接触物体本身获得被摄物体信息。

(2)由二维影像重建三维目标。

(3)面采集数据方式。

(4)同时提取物体的几何与物理特性。

影像获取的手段有框幅式摄影机、光机扫描仪、全景摄影机、CCD固态扫描仪、合成孔径侧视雷达等。5

分类按距离远近分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量、显微摄影测量。

按用途分为地形摄影测量与非地形摄影测量，地形摄影测量主要用来测绘国家基本地形工业、建筑、考古、地质工程及生物和医学等各方面的科学技术问题。

按处理手段分为模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量，模拟摄影测量的结果通过机械或齿轮传动方式直接在绘图桌上绘出各种图件来，如地形图或各种专题图，它们必须经过数字化才能进入计算机；解析和数字摄影测量的成果是各种形式的数字产品和目视化产品，数字产品包括数字地图、数字高程模型、数字正射影像图、测量数据库、地理信息系统和土地信息系统等。这里的可视化产品包括地形图、专题图、纵横剖面图、透视图、正射影像图、电子地图、动画地图等。6