摄影测量学的发展状况

摄影测量学的发展状况胡鹏中国石油大学（华东）青岛校区，266555摘要本文主要介绍了摄影测量学的概念及发展状况。随着信息时代的发展，3S技术的逐渐成熟，数字地球的逐步发展，以及先进的仪器设备制造产业的发展，摄影测量的应用领域也越来越宽.定位技术，空三，DOM制作，影像匹配，自动变换匹配是摄影测量学的核心，围绕着这些方法技术，摄影测量学的发展更加完善。关键词摄影；测量；数字地球；定位技术；空三；DOM制作；影像匹配；自动变换匹配TheStateofThePhotographicSurveyingHuPengChinaUniversityofPetroleum（QingdaoCampus）26555AbstractThispassageismainlyabouttheconceptanddevelopmentofPhotographicSurveying。Withthedevelopmentofinformationera，thematurityof3STechnology,thedevelopmentoftheDigitalEarth,andthedevelopmentoftheinstrumentequipmentmanufacturingindustry,theapplicationfieldsofthePhotographicSurveyinghasbecomewiderandwider.Positioningtechnology,aerialtriangulation,DOMproducing,imagematching,automationmatchingarethecoreofthePhotographicSurveying,aroundwiththesemethodsandtechnology,thedevelopmentofPhotographicSurveyingwillbecomemoreandmorecomplete.Keywords:Photography,Surveying,DigitalEarth,Positioningtechnology,aerialtriangulation,DOMproducing,imagematching,automationmatching.0引言随着计算机技术以及数字图像处理、模式识别、计算机视觉和人工智能等相关技术的不断发展,摄影测量与计算机学科相互渗透交叉,摄影测量在经历模拟摄影测量、解析摄影测量两个发展阶段后,现已进入数字摄影测量阶段,这对整个摄影测量的教学、科研、生产都产生了极其深远的影响。从测绘学科而言,传统的摄影测量已发展为新兴的信息产业;从摄影测量学科而言,经典的摄影测量已发展为摄影测量与计算机视觉。数字摄影测量所使用的设备最终将是计算机加上相应的标准外设,它的产品形式是全数字化的数字产品。随着传感器技术和自动化技术的发展,当代数字摄影测量不仅依然是遥感空间信息获取的重要分支学科,而且其研究及应用范围变得非常广泛。现代测绘技术,已向集成化、实时化、动态化、数字化、自动化、智能化方向发展。经典的大地测量平面定位手段逐步被全球卫星定位系统技术所取代;传统的地图测制手段正向数字化测图技术过渡;传统的模拟测绘产品逐步向数字化地理信息产品转变;传统的测绘“老三仪”,即经纬仪、水准仪、平板仪开始向以为代表的现代测绘技术手段转化,传统的测绘产业逐步向现代地理信息产业或现代测绘产业转变。尤其3S集成,满足实时、准时要求的空间信息处理技术的应用,将大大加快空间信息获取、处理与更新的速度,为国民经济建设和社会发展以及管理决策提供更广泛、更有效的服务1摄影测量学概念及历史1.1摄影测量学的概念将三维空间中的景物反映到二维图像上是一个退化过程。摄像测量学就是研究如何通过分析二维图像重建目标的三维信息1.2摄影测量学的内涵摄像测量学的内涵主要包括两个方面：一是物体的空间三维特性与成像系统间的成像投影关系，这方面主要是测量学方面的知识；二是从单幅和多幅图像中高精度自动提取、匹配图像目标，这方面主要是计算机视觉方面的知识。随着摄影测量的三角测量理论和计算机视觉多视几何理论的日趋发展成熟，目前摄像测量的研究越来越多地涉及第二个方面，即图像目标的自动、高精度识别定位上。它与常规图像处理的不同在于更注重于目标的提取定位精度。1.3摄影测量学的发展历史根据不同特点，特性，以及完成任务的方式不同分为三个阶段：模拟摄影阶段，解析摄影阶段，数字摄影阶段。1.3.1模拟摄影测量：主要特点，发展过程中，计算技术的落后，工具的不足，最主要目的，减少外业工作量，在室内建模；以前的武测的测绘专业还开展光学仪器系，是因为；1903德国才思厂生产了第一台立体坐标量测仪，1909年生产了立体测图仪，可以通过光学的方法重建摄影时的模型；1919年罗马制造了双向摄影仪；1920年海德，制造出了第一台测图仪，第一台比较精密的立体测图仪；1923德国才思厂第一台立体测图仪器；20世纪30年代，立体测图仪，立体坐标量测仪，单摄影器被用于广泛的地形测量，模拟时代最鼎盛时期；60年代末，70年代初，模拟测图仪不再生产；几何反转：通过内业恢复摄影过程中影像的空间姿态；外业：影像，摄影中心，物点内业：人眼，像片，物点；人眼换成了摄影中心；几何恢复以后，用人眼可以看到摄影时缩小了的实际的地面模型，从而可以室内测得地形图；光学像片，可以是黑白，彩色等影像；像片影像地图，就是正射影像图；经过中心摄影到正射摄影的纠正；注意：利用光学影像（也叫作硬拷贝影像），光学模拟仪器，全人工操作；成果，纸质的模拟成果；解决的基本问题：摄影测量学最基础理论的建立，各种基本概念，像片的解析关系，奠定摄影测量学的基础；单片测图，只能确定影像上一点在空间的方向，把中心摄影变成垂直摄影，比例尺不确定，只解决平面问题，现在的像片纠正，卫星遥感影像的纠正都是这个范畴；根据所采用仪器的不同，测绘的方法可以分为以下几个方面：分工法测图：把平面和高程分开，为了简化仪器，高程采用勾绘等高线的方法；综合法测图（后期）：在测绘的过程根据所建立的模型，同时测量地物的三维坐标，多贝仪、精密立体坐标测图仪均属于这类；但根据仪器结构的不同可分类好多种，有平面型出有立体型的；仪器：精密坐标量测仪；机械投影，精度的好坏直接由导杆下面的点决定；1.3.2解析摄影测量：主要是由于计算机的发展所带来的影响；1954年第一台计算机，1957年USA提出解析测图仪思想；用计算机来计算，产品也是数字的；从而出现解析测图仪，摄影由光学机械方式变成数字摄影方式，产品：模拟方式——模拟+数字的方式；主要研究计算机应用到摄影测量当中去；仪器变成坐标量测仪+计算机；模型建立是虚拟的，在计算机当中，由数值来驱动；记录的像点坐标，立体模型的成果可以自动记录，不是手工记录；产品：纸质容量变形，一次性的，不便于更新（模拟）；影像图仍是纸质的；产品部分数字化；这个阶段中解决的问题，通过计算机高精度定位，解决外方位元素以及像点对应地面点坐标的解算——解析空三，是难点；这个期间出现的两种仪器，测图仪及正射纠正仪；光束法，工作中常用；航带法，原理直接；1.3.3全数字摄影测量：王之卓院士提出；2当前摄影测量学发展状况由于具有诸多的优点，摄像测量技术已经广泛应用于各种精密测量和运动测量，涉及到航空航天、国防试验、勘察勘测、交通运输、建筑施工、体育运动、照片真伪鉴别等领域[1-3]。这里仅列举笔者所在课题组应用摄像测量技术的几个实例。2.1火箭待发段箭体倾倒角度实时测量载人航天飞船发射过程中，在火箭飞离塔架前的待发段，需要实时监测箭体的倾倒角度，如果箭体偏离竖直方向超过某一角度，逃逸飞行器就要点火，承载航天员逃离火箭。“火箭待发段箭体倾倒角度实时测量图像分系统”是载人航天工程的关键安控子系统之一。系统用两台摄像机从不同角度对箭体拍照（图1）。系统在实时图像上自动提取箭体上的各种标志或箭体的边缘，并交会测量出箭体上几个合作标志的空间位置或箭体中轴线的姿态角度，实时给出箭体倾倒角度，当倾倒角度超过安全范围时就发出警报。该系统已在“神舟”系列载人飞船发射任务中正式使用。图1火箭待发段箭体倾倒角度实时测量图像分系统示意Fig.1Realtimevideogrammetrysystemofmeasuringtheobliquityofarocketpreparedtolaunch2.2长距离轨道几何参数检测铁轨几何参数检测是铁路铺设和养护的重要内容和前提条件。列车的运行速度越来越快，对铁轨几何参数检测的精度和效率要求也就越来越高。如图2所示，该轨道几何参数检测方法是利用实时变焦摄像机拍摄在铁路轨道上行走的测量小车上的合作标志，通过分析图像，实时测量出钢轨的轨距、高低、超高等参数。该研究首次将摄像测量技术引入铁轨几何参数测量，较国外激光准直度铁轨几何参数系统结构和操作简单、精度高、价格低廉，已在工程上实施。图2长距离轨道几何参数检测的摄像测量装置Fig.2Videogrammetrysystemofmeasuringthegeometryparametersoflongrail2.3飞船返回舱抛投实验三维运动测量为了研究载人飞船返回舱返回着陆的运动特性，需要进行大量的抛投实验并测量返回舱的运动参数。原有的采用三维陀螺进行测量的方案每进行一次实验都要更换陀螺，成本很高。而“飞船返回舱抛投三维运动参数摄像测量系统”仅需用摄像机记录返回舱抛投过程的影像，采用中轴线法、螺旋线法等可以得到高精度返回舱抛落的轨迹和姿态角度。实验场景如图3所示。图3飞船返回舱抛投三维运动参数摄像测量实验现场Fig.3Sceneofareturncapsule's3Dmovementmeasurementexperimentbyvideogrammetry2.4交通事故现场复原通过摄像头，可以对交通路况进行实时监视，通过摄像头采集的信息，可以记录事故发生瞬间的资料，再通过事故发生后的摄影测量方法，结合数字图像处理，即可复原原始信息，并能推断出车辆位置。如图4，图5所示。[4]（a）甲车（b）乙车b图4事故车辆照片Fig。4Accidentvehicles图5事故车辆的外廓重建Fig。5Reconstructionofaccidentvehicles2.5摄影测量技术的WebGis应用以摄影测量技术为例，摄影测量的专业人员只需要知道面对一个特定的应用，要调用网络上的哪些基本模块加以组合实现就可以了，而具体任务模块开发就可以交给分布在不同地方的编程人员负责。专业人员无需考虑诸如算法效率等具体的实现问题，而编程人员不用考虑整个流程。以这种方式开发模块，更增大了模块的可重用性。[5]图6有代表性的几种摄影测量软件（a）Australis,(b)Arpenteur,(c)Iwitness,(d)Photomodeler3摄影测量学的技术[6]3.1不依赖地面控制的定位技术航空航天遥感对地定位趋向于不依赖地面控制确定影像目标的实地位置(三维坐标),解决影像目标在哪儿是摄影测量与遥感学的主要任务之一。在原有已成功用于生产的全自动化GPS空中三角测量的基础上,利用DGPS和INS惯性导航系统的组合,可形成航空/航天影像传感器的位置与姿态自动测量和稳定装置(POS),从而可实现定点摄影成像和无地面控制的高精度对地直接定位。在航空摄影条件下精度可达到分米级,在卫星遥感条件下,精度可达到5～10m。该技术的推广应用,将改变目前摄影测量和遥感的作业流程,从而实现实时测图和实时数据库更新。若与高精度激光扫描仪集成,可实现实时三维测量(Lidar)。根据文献介绍,通过后处理消除DGPS/INS系统中的各种系统误差,DGPS/IIN参数可以达到很高的精度:位置精度为0105m,姿态角(φ,ω)精度为01005度,姿态角(κ)精度为01008度。如果航线很长,那么姿态角(κ)精度会更低,此时至少需要对测区中部分影像进行空中三角测量才可以消除姿态角(κ)的漂移误差。在这种条件下,精度要求比较