[科普中国]-卫星摄影测量

摄影测量简介

摄影测量是一门研究利用影像重建物体空间的几何和物理模型的科学和技术。即利用摄影和传感器获得被研究对象的影像和数字信息，经图像处理、几何信息的量测和物理信息的提取过程，求得物体大小、形状、空间位置和判断其性质等的技术。其特点是不触及被研究物体，而是通过像片或数字信息的研究达到目的，并可在信息中任意选择研究对象。摄影测量可采用多种手段、方法和材料获取固体、液体、气体、静态、动态、瞬间、微小或巨大物体等的影像信息。并促使应用与研究领域不断扩大。摄影测量的作用有：为测绘地形图或地理信息系统采集数据；为工程或工业设计提供数据。摄影测量主要有航天、航空、地面和水下摄影等。因其应用范围、获取信息的方式与传统不同，又称为航天、航空和地面遥感1。

发展简史摄影测量发展已有150年的历史。从1839年法国发表第一张航空像片起，经历了从地面摄影测量发展到航空与航天摄影测量的过程。19世纪50年代，采用地面摄影手段获得成对像片，利用同名射线逐点交会的方法进行测量。20世纪初（1911年）奥雷尔（E.VonOrel）设计了地面立体测图仪。30年代在理论与测图方法上逐步完善，主要还是应用于军事侦察和地形测绘试验。1935年瑞士制造了第一台机械投影立体测图仪，前苏联发展了微分法测图技术，以后出现了空中三角加密技术与模拟测图仪器，使成图速度和精度得到提高，且节省了大量野外作业工作量，推动了摄影测量的前进。60年代解析测图仪问世，又由人造卫星等航天运载工具获取影像和数字信息，使摄影测量含义与作用发生了新的变化，不再是单一地测绘线划地形图。1988年第16届国际摄影测量与遥感会议提出定义，并指明发展方向，“摄影测量和遥感是一门通过记录、测量和对影像进行判读的过程，来获得物理对象和环境的可靠信息以及由非接触式传感器系列产生的信息，进行数字表达的工艺、科学和技术”和“数字摄影测量、遥感技术和地理信息系统合成为一个整体”。

摄影测量经历了由模拟摄影测量、解析摄影测量到当今的数字摄影测量阶段，由人工作业发展到实现半自动化作业的过程1。

地面摄影测量用地面摄影经纬仪在选定的基线两端，按一定方式摄影，获得被摄物体的立体像对，再在立体测图仪上进行测绘地形图的技术。当不以测绘地形图为目的，为测绘其他目标物的形态等所进行的地面摄影测量，称为非地形摄影测量，其中近景摄影测量（纵距小于100m）较成熟，也较普遍。当采用多光谱等摄取地面物理信息和几何信息时，又称为地面遥感。

地面摄影测量根据地形测图及其他测量的精度要求，外业需在实地选定摄影控制点及基线端点，并测定其平面坐标和高程。摄影时当摄影机光轴保持水平的情况下，有下列方式获取立体像对：即光轴与基线垂直的摄影，为正直摄影；光轴与基线向左或向右偏同一角度的摄影，为等偏摄影；光轴相交的摄影，为交向摄影。其他还可采用摄影光轴上仰或下倾某一角度的倾角摄影和为摄取动态时瞬间立体像对的同步摄影。内业成图根据光学反转的交会原理在地面立体测图仪、模拟或解析测图仪上进行，求出立体模型上各点的坐标及高程。测绘地形图、立面图或断面图等。

地面摄影存在前后景物遮挡和远近景物在像片上的比例尺不等等缺点，但作业灵活、操作方便，作业条件比较简单、经济，适于水电站建设中陡峻的高山深谷地区的测图，且与工程地质配合，采用多光谱摄影等，可获得更多的地质信息，还可测制地质地形图与地质立面图，减少了测绘人员与地质人员的野外工作量，提高了精度与速度。由于地面摄影测量具有不触及被研究物体的优越性。在水电建设中还可用于大坝合龙时的水舌与流速摄影测量；对水轮机叶片、大坝坝面破损等的摄影测量；在水工模型试验中对冲刷、淤积及流态等的摄影测量，以及对烟雾、水雾、污染等的摄影测量。在其他部门如生物学、古建筑文物，工业农业及环境监测等方面，也已广泛应用1。

航空摄影测量航空摄影测量亦称“航空测量”。简称“航测”。摄影测量方法的一种。测绘地形图的主要方法。其过程是在飞机上用航摄仪对地面连续摄取像片，然后，通过控制测量、调绘和测图等步骤，测绘成地形图。可分为综合法测图、微分法测图和全能法测图。它可以将地形测量的大部分外业工作转移到室内进行，克服了不易到达地区野外测量的困难，并能真实详细地反映地物、地貌。它广泛应用于测绘地形图、地质勘探、线路勘测、森林调查和军事侦察等方面2。

航天摄影测量航天摄影测量即卫星摄影测量，以航天运载工具卫星、宇宙飞船和航天飞机作平台，利用摄影机、多谱段扫描仪和雷达等获取地球及其他星球的图像。所以人们又称之为航天遥感。由于获取了地面从紫外到远红外之间各个谱段的图像信息（胶片记录）和数字信息（磁带记录），地面分辨率从几十米到几米，覆盖地面的周期短。优越性更为突出。如覆盖度宽、面大，应用时便于宏观控制与判断；时相多，波段多，信息量大，便于影像合成，增强与提取信息；覆盖周期短，便于提供地面动态信息。这一技术已广泛应用于资源调查、气象、环境信息及1：50000比例尺地形图的修测等。遥感可从高空观测地面，并以图像和磁带记录信息，使人们获知在地面上无法感知的大批信息，从而引起人们的极大重视，为人类认识与改造自然创造了新的条件1。

其他摄影测量其他摄影测量有双介质与水下摄影测量，主要用于测制海底地图，为水下考古和其他科学提供量测手段。摄影方式一类是被摄目标物与摄影机均在水下；一类是被摄目标在水下，摄影机在空中，成像光线穿过两个不同介质，成图时必须考虑各个介质的光学特性、介质分界面的位置与形状等特殊问题，用解析法或解析测图仪进行测量处理。此法技术要求比较复杂，实际应用较少1。

卫星摄影测量特征和应用卫星摄影测量是对地球表面进行空间遥感与图像处理的航天摄影测量3。在制图中的应用，主要是用于地形图的修编与更新、影像地图的制作和专题地图的编制。

卫星摄影测量用航天器进行测绘的摄影测量，亦称“航天摄影测量”。摄影测量的一种，是随航天技术、图像处理技术而迅速发展的一门新科学。航天摄影运载工具有：测图卫星、侦察卫星、航天飞机和宇宙飞船等。航天摄影测量主要包括卫星摄影定位和卫星测图两方面工作。前者确定目标点的坐标，后者从航天像片中提取地物的形状、大小和位置等几何空间信息，进行地图制图。由于航天像片比例尺小，地面分辨力较低，现只能测制小比例尺的平面图和地形图。航天摄影测量是航空摄影测量的发展和飞跃，其特点是获取资料迅速。覆盖面积大，不受地区和国界限制，使全球测图具有可能性4。

卫星摄影测量主要应用于地球资源勘查和军事侦察、环保监测、测绘小比例尺地形图、月球图或其他天体图5。

卫星摄影测量发展历史卫星摄影测量是利用地球卫星或其他航天飞行器上的摄影机，对地球或其他天体表面拍摄影像和测制地图的技术。主要用于1∶25万～1∶100万比例尺地图的测绘。1959年，苏联“月球”3号卫星首次拍摄月球背面的像片。1971～1972年，美国“阿波罗”宇宙飞船上的摄影系统，拍摄了符合摄影测量要求的月球表面像片。1973年5月美国发射的“天空实验室”，其上的S190B高分辨率地形摄影机，具有焦距457mm的镜头，能拍摄114mm×114mm的像幅，覆盖面积109km×109km，摄影比例尺为1∶95万。1983年11月由美国哥伦比亚号航天飞机携带的欧洲航天局研制的空间实验室，其上安装的蔡司RMKA30/23型测量摄影机，具有30.5cm的镜头焦距，像幅23cm×23cm，覆盖地面190km×190km，比例尺为1∶82万，可连续拍摄1800～2300km（航向重叠60%～80%），工作波段为0.4～0.95μm，可使用黑白、彩色和彩色红外胶片。1984年10月美国挑战者号航天飞机携带的大像幅摄影机，像幅为23cm×23cm，镜头焦距为305mm。1982年4月，前苏联发射的礼炮6—7号飞船，所载多光谱摄影机，具有焦距125mm的镜头，像幅55mm×81mm，覆盖地面114.4km×168.5km，地面分辨率在可见光波段为16～22m。航天摄影的图像记录形式有摄影胶片、模拟磁带和高密度数字磁带摄影等。2000年2月，美国“奋进”号航天飞机实施的全球地形测绘计划，采用C/X波段载星成像雷达和SIR—C/X—SIR合成孔径雷达，分别置于飞船货舱和与其相距60m的天线杆末端，从而使过去需要在相同路径上飞行两遍的测量，缩减为一次飞行而完成任务。这次飞行共获取332盒高密度数字磁带摄影，完成全球地形数据的99.98%，预计2年时间完成覆盖地球表面80%的陆地的高精度三维地图。2001年8月3日美国航天局公布了部分地图测绘成果，称其精度为迄今最精确的全球地图测绘，全部地图的信息量达1万亿字节6。

卫星大地测量卫星大地测量是研究利用人造地球卫星进行地面点定位以及测定地球形状、大小和地球重力场的理论方法的科学。其方法分为几何法和动力法。前者是将卫星作为高空观测目标，由几何地面站同步观测，即可按三维三角测量法计算这些站的相对位置，实现远距离的大地联测，此法不涉及卫星的轨道运动。后者是根据卫星在轨道上受摄动力的运动规律，利用地面站对卫星的观测数据，可以同时计算卫星的轨道根数、地球引力场参数和地面观测站的地心坐标7。

卫星大地影测量研究始于60年代中期，先进行卫星摄影测量，以恒星为背景，用特制摄影机拍摄卫星的空间位置，确定测站至卫星的空间方向，以推算测站坐标。70年代中期，利用此法在中国西沙群岛永兴岛上与紫金山、云南两天文台的固定卫星摄影仪作同步观测，以优于20米的定位精度将陆地大地坐标系传递到远海岛屿上。卫星大地测量中，以卫星多普勒接收机接收美国子午卫星的多普勒频移来求定测站的位置开展最早，自1975年起陆续在全国多个大地点上试测，取得了较好成果，并求得1954年北京坐标系与地心坐标系之间的转换参数，由于获取卫星的信号系广播星历，精度不高，因此求得的测站位置及转换参数的精度也受到一定的影响。70年代末起，中国的几个科研单位又联合布测了37个点的卫星多普勒网，经平差计算，获得了点距符合精度优于30万分之一的第一个全国卫星测量网，并提供了更为准确的地心坐标转换参数，同时编制出了短弧法定位计算机软件以供处理多普勒网应用。80年代起，有更多的部门在全国各不同地区开展了卫星多普勒联测定位，精度已逐步提高到米级。但由于多普勒卫星少且轨道偏低使接收卫星信号受到一定限制，在国内要大规模迅速开展和长期使用都有不便。鉴于美国所研究的全球定位系统（GPS）已广泛使用，中国在1987年也开始引进GPS接收机。GPS系统，是由空间部分、地面控制部分和用户接收机三大部分组成。空间部分包括高度约2万千米的24颗卫星分布在倾角为55度的6个近圆轨道上，使得地面上无论何时何地都能同时观测到至少4颗以上卫星，每颗卫星以两个L波段频率发射载波无线电信号，信号又分精码和粗码两种，仅粗码可供全球接收。地面控制部分由统一卫星操控中心（包括注入站）和若干监测站组成，将跟踪卫星的数据传至主控站经处理后注入卫星贮存。接收机部分则是接收卫星发播的信号经自动处理后获得测站的三维位置、三维速度和时间信息。根据用户需求，可有多种不同的测量方法。GPS系统的主要优点是，无须在地上建造觇标，通视快速、全天候求得测点的地心坐标。中国在引进该系统接收机后，开展了研究试验，根据试测经验制定了中国GPS测量规范、GPS测量型仪器检定规程，并建立了中国第一个GPS仪器检定场，随后又制定了GPS定位软件、网平差软件和快速静态定位软件。90年代初，研究设计了全国高精度GPS网，分为A级网和B级网两个层次，1995年完成了布测。1991年起，开始研究建立全国范围内的试验性GPS跟踪网，用以计算GPS卫星精密星历。1998年，在多年研究试验和局域差分GPS系统的基础上，又初步建立了广域差分GPS系统，可以在较广阔地域里用GPS求得较为精密的定位成果，并着手建立中国地壳形变的GPS监测网。从70年代起，中国又开展了空间干涉技术和人卫激光测距等新技术手段试验。1978年，提出在国内建立三个甚长基线干涉测量（VLBI）观测站的设想。现已建成或在建，并与国外台站成功地进行了联测，获得较好的效果7。

1972年，开始对人卫激光测距（SLR）的研究。到1981年，国内先后有6个台站建立了第一代人卫激光测距系统，测距精度达1～2米，其间6个站台相互测定弦长及台站地心坐标。70年代末开始第二代SLR的研制，1983年安装于上海天文台，同年11月首次观测到相距6～7000千米的LAGEOS卫星，其后又参加了MERIT联测，经处理表明达到约15厘米精度，至1984年中国的各站SLR技术已达到第二代水平。此后上海、长春以及武汉地震所等站，对SLR继续改进，使测距精度提高到5厘米左右。同时，电子部门与测绘部门合作研制出第三代人卫激光测距系统，经鉴定达到了国际第三代系统的运行水平7。