[科普中国]-工业摄影测量

发展趋势

数字工业摄影测量技术经过几十年的发展，在理论研究和产品化等方面都取得重大进步。国外成熟测量系统在现有基础上不断推陈出新，国内相关机构也在理论研究不断深入的基础上，逐步迈向实用化、产品化。纵览数字工业摄影测量技术的发展历程和现状，可以预见其今后将呈现如下发展趋势：

(1)相机呈多样化、专业化发展。目前，用于数字工业摄影测量的相机已经有专业量测型相机、数码单反相机、红外相机、工业摄像头等多种类型。GSI公司生产的INCA3相机是专业量测型相机的典型代表，该相机基于柯达科学级CCD相机改装而成，具有极佳的成像性能和稳定的机械结构，而且配备Intel 266 MHzPentiumⅡCPU型微处理器，能够对摄影参数进行自动设置、对像片进行预处理并提示测量标志的成像信息。数码单反相机以其相对低廉的价格和日益强大的成像性能，正越来越成为数字工业摄影测量的常用传感器。

(2)测量精度、自动化程度不断提高。随着工业部件的制造精度、表面复杂程度不断提高，数字工业摄影测量必然要向高精度、超高精度和高度自动化方向发展。测量精度的提高主要依赖于影像传感器性能的日益强大、对畸变差的检校精度逐步提高以及像点定位等算法的不断优化。

(3)对动态测量理论的研究逐步深入和实用化。摄影测量的数据源（图像）是瞬时获取的，这一特点使得数字工业摄影测量技术特别适用于对动态目标的测量，如风洞变形实验、汽车碰撞测试、工件振动变形测量等。目前的很多测量系统，如V-STARS M8、Metronor、Metris K600等都具备动态测量功能，但在测量精度、范围以及采样频率等方面都有待于进一步加强。数字工业摄影测量技术用于动态目标测量需解决的关键问题主要包括：多传感器高速同步、图像快速获取与存储、海量数据快速处理及测量基准确定等。

(4)三维数据分析软件日益专用化、精细化。获取被测目标（点）的三维坐标信息是数字工业摄影测量的基本功能，同时，对三维坐标数据进行深入分析也是其重要功能之一。测量点坐标信息在不同领域的用途不尽相同，如逆向工程中利用点云数据进行几何造型，工业制造中利用离散点坐标与CAD设计模型进行比对，而动态测量数据则多用于目标的动态变形分析。应用领域的多样性和复杂性决定了难以集成一套涵盖各种功能的、通用的数据分析系统，而必然是针对不同用户开发各种专用的、精细的数据分析软件。

(5)更加注重与其他测量传感器的融合。多传感器融合是测量技术的发展特点，也是数字工业摄影测量技术发展的必然结果。通过不同测量系统融合，能够充分发挥摄影测量自动、快速、精确的优点，极大的提高其他测量系统的性能，如电子经纬仪系统、全站仪系统和激光扫描仪系统等1

特点一般地，当被测物体距摄影机的距离小于100m左右时称之为近景摄影测量。而将近景摄影测量的理论与方法用于工业产品质量检验、过程控制中，就产生了工业摄影测量。因此，工业摄影测量在理论与方法上完全等同于近景摄影测量，只是摄影距离更短，实时性和精度要求更高。因此，工业摄影测量有着与近景摄影测量相似的特点。

(1)摄影测量可以瞬间获取被测物体大量表面信息，特别适合于测量点众多的目标，也适合于测量动态目标，包括高速运动的目标。

(2)摄影测量是一种非接触手段，不干扰物体的自然状态，适合在恶劣环境下的测量(如噪音、放射性、有毒等)。

(3)摄影测量注重测量物体的形状、大小，而不注意物体的绝对位置。

(4)常用交向摄影测量，保证测点有较大的重叠度。

(5)摄影测量有严谨的理论和现代化的硬件、软件，可以快速提供高精度的测量成果，相对精度可以达到千分之一到百万分之一。2

原理两台高分辨率相机对被测物同时拍摄，得到物体的二维影像，经计算机图像匹配处理可得精确的三维坐标。

二维影像在像平面坐标系中的二维坐标可利用摄影焦距参数转换成目标点的两个角度观测值，与电子经纬仪、电子全站仪测量系统一致。由于相机间无法像经纬仪一样精确互瞄，系采用光束法平差进行定向，通过不同位置相机对多个目标同时测量产生的多余观测量，可以解算出各相机的位置和姿态。3

构成对于静态目标言，可采用单相机脱机测量系统，在两个或多个位置对被测物进行拍摄，将图像输入计算机进行图像处理即可。为了提高图像匹配的精度和速度，可在物体上贴特制回光反射标志，以便于标志点的自动识别和提取；也可采用投点器进行投点，投点器的投点无厚度，是很好的辅助工具。

多相机联机摄影测量系统可实时得到待测点的三维坐标，可以采用投点器投点，也可以采用特制的探棒作为测量标志，探棒的探头和三坐标机的测头类似，探棒上有发光的标志，发光标志点到探头的几何关系是确定的，通过对发光点的测量即可求得探头点的坐标。探棒上有测量按钮，可启动标志点发光和数码相机拍摄，实现测量的自动化。

为了保证定向的精度，公司推出了固定基线摄影测量系统，将相机固定在一个水平或垂直装置上，保证它们的相对位置关系不发生变化，这种系统就相当于一台摄影坐标测量机，但测量范围会受到固定基线的限制。3

精度工业摄影测量系统的精度主要取决于相机的精度。相机一般分为格网量测相机、量测相机、半量测相机和非量测相机四类，其精度依次递减。要想获得高精度，可以选择价格昂贵的高分辨率、高精度的专业型量测相机，如CRC2和INCA相机；对于非量测相机，可以通过误差补偿来减弱或消除相机的系统误差，以及优化相机的设站
位置，增加基准尺个数等措施来提高系统的测量精度。

工业摄影测量系统的相对精度一般在1/10万左右，适合动态物体的快速测量，它不需要建造观测墩，操作方便，节省时间，对现场环境要求较低。

美国GSI公司从20世纪60年代开始将工业摄影测量系统用于天线测量，迄今已完成几百套天线的测量。如口径为300m的Arecibo望远镜，其工作频率由600 MHz提高到10GHz，全站仪测量系统的精度不能满足要求，GSI采用CRCl相机构成的摄影测量系统，坐标分量精度达±0.25 mm。3