攝影測量及其發(fā)展

攝影測量及其發(fā)展【摘要】：本文詳細介紹攝影測量的發(fā)展歷程，航空攝影是快速獲取地理信息的重要技術手段，是測制和更新國家地形圖以及建立地理信息數據庫的重要資料源，在空間信息的獲取與更新中起著不可替代的作用，文中具體介紹了航空測量攝影的原理和應用，及其適用范圍。最后根據相關技術的發(fā)展現狀得出攝影測量的發(fā)展趨勢。關鍵字：攝影測量關鍵字：攝影測量航空攝影測量發(fā)展歷史發(fā)展趨勢攝影測量（英文：Photogrammetry）是一種利用被攝物體影像來重建物體空間位置和三維形狀的技術。另一種廣受認可的定義：Photogrammetryisthescienceofartobtainingreliablemeasurementsbymeansofphotographs.根據攝影時攝影機所處的位置的不同，攝影測量學可分為地面攝影測量、航空攝影測量和航天攝影測量。根據應用領域的不同，攝影測量學又可分為地形攝影測量與非地形攝影測量兩大類。根據技術處理手段的不同（也是歷史階段的不同），攝影測量學又可分為模擬攝影測量、解析攝影測量和數字攝影測量。攝影測量分為航天攝影測量、地面攝影測量、非地形攝影測量、雙介質攝影測量、水下攝影測量、模擬攝影測量、解析攝影測量、航空測量攝影、低空攝影測量和近景攝影等。每一個分類都是用攝影而獲得的影像信息（含數字影像）測定目標物的形狀、大小、空間位置、性質和相互關系的科學技術，不同類別的攝影對象和應用范圍不同。:影測量的發(fā)展歷史:攝影測量學發(fā)展至今，經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數字攝影測量三個發(fā)展階段攝影測量學三個發(fā)展階段的特點：發(fā)展階段 原始資料模擬攝影測量像片投影方式 儀器 操作方式物理投影解析攝影測量數字攝影測量像片數字化影像數字投影模擬測圖儀解析測圖

儀發(fā)展階段 原始資料模擬攝影測量像片投影方式 儀器 操作方式物理投影解析攝影測量數字攝影測量像片數字化影像數字投影模擬測圖儀解析測圖

儀作業(yè)員手工機助作業(yè)員操作數字投影 計算機 自動化操作模擬產品模擬產品數字產品數字產品數字影像+作業(yè)員的十模擬產品預我國攝影測量的發(fā)展歷史中國的攝影測量歷史最早可追溯到1902年，當年的北洋大學曾用進口的攝影經緯儀做過建筑攝影測量試驗。中國的航空攝影測量始于1931年，浙江省水利局航測隊與德國測量公司合作進行首次航空攝影，攝取了錢塘江支流浦陽江一段河道的航片，隨后，國民黨政府成立航測隊。主要測制了中國局部地區(qū)1:1萬和1:2.5萬軍事要塞圖，以及湘黔、成渝一帶1:5萬地形圖。1949年中華人民共和國成立以后，航空攝影得到飛速發(fā)展。國家測繪局、林業(yè)、農業(yè)、地質、鐵道、石油、水利等部門都積極開展了航空攝影。1980年前，中國利用航空攝影測量主要制作1:25000-1:100000各種比例尺地形圖，采用的是分工法和全能法測圖。1980年后，利用解析和數字攝影測量方法，全國范圍主要制作1:50000地形圖，各省市主要制作1:10000和1:5000地形圖，城市則是制作1:1000和1:2000地形圖，構成各類GIS的地形數據庫。21世紀初，數碼攝影儀面世之后，城市大比例尺航測制作正射影像圖得到了迅速發(fā)展，現在已經發(fā)展到制作三維城市電子地圖。目前，中國已經構建了1:1000000、1:250000和1:50000全國空間數據庫，包括的數據產品有DOM、DEM、DLG和DRG四類，還有地名數據庫和土地利用數據庫等，各省市已經或正在建立1:10000全省空間數據庫。許多大中城市已建立了1:500-1：2000空間數據庫。這些都成為構建“數字中國”、“數字省區(qū)”和“數字城市”的重要基礎。2006年國家測繪局啟動了西部測圖計劃，使用了一批新設備、新技術、新航空航天遙感影像，將改寫中國西部200多萬平方公里無1：50000地形圖的歷史。:影測量的發(fā)展現狀:影測量的發(fā)展現狀攝影測量在經歷模擬攝影測量，解析攝影測量兩個發(fā)展階段后，現已進入數字攝影測量階段，這對整個攝影測量的教學，科研，生產都產生了極其深遠的影響。數字攝影測量主要便現在攝影測量與計算機學科相互滲透交叉，數字攝影測量所使用的設備最終將是計算機加上相應的標準外設，它的產品形式是全數字化的數字產品。隨著傳感器技術和自動化技術的發(fā)展，當代數字攝影測量不僅依然是遙感空間信息獲取的重要分支學科，而且其研究及應用范圍變得非常廣泛：例如：從測繪學科而言，傳統(tǒng)的攝影測量已發(fā)展為新興的信息產業(yè)；從攝影測量學科而言，經典的攝影測量已發(fā)展為攝影測量與計算機視覺。另外：高分辨率的遙感影像、以及其定位參數文件的應用，只要極少量的外業(yè)控制點，就能迅速生成正射影像圖，它已在城市、土地的變遷、規(guī)劃中得到愈來愈廣泛的應用。航空激光掃描雷達也愈來愈成熟。所有這一切表明，新一代傳感器、定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展以及數字攝影測量工作站的大規(guī)模推廣，都對攝影測量自身的發(fā)展起到極大的促進作用我國攝影測量與遙感技術發(fā)展現狀1、 對地觀測系統(tǒng)建設民用遙感衛(wèi)星向系列化和業(yè)務化方向發(fā)展2、 掌握了一批核心遙感技術，形成了系列化產品自主研制和發(fā)展了一批核心遙感器3、 航空遙感系統(tǒng)日趨完善，效能不斷提高：航空遙感業(yè)務逐步建成，隊伍不斷壯大航空遙感系統(tǒng)平臺不斷改進，技術穩(wěn)步提高4、 遙感衛(wèi)星地面設施布局不斷優(yōu)化，效能比不斷提高：地面接收系統(tǒng)覆蓋全國，數據存儲與檢索系統(tǒng)先進地面接收系統(tǒng)的國產化能力提高，技術水平穩(wěn)步提高5、 國產化地球空間信息系統(tǒng)軟件發(fā)展迅速：數字攝影測量軟件走向國際，衛(wèi)星圖象處理系統(tǒng)基本成形國產化地理信息系統(tǒng)軟件迅猛發(fā)展，系統(tǒng)性能穩(wěn)步提升6、 應用領域不斷擴展，應用效益與效率顯著提高資源與環(huán)境遙感應用不斷深化，技術能力顯著提高4新的應用領域不斷拓展，產業(yè)化發(fā)展初見成效三、航空攝影測量1、定義航空攝影測量（Aerialphotogrammetry），又稱空中測量或航空測量，是一種遙距感應的測量方法，測量者本身并沒有親身接觸過所測量的事物，而只利用探測工具從空中量度或感應地面上被測量物的特質和位置。其主要目的是得到立體空間中，各種物體的形狀、位置和特性（例如：地質狀況、植被生長情況、建筑物的種類…等）。應用范圍可從學術研究、地理資訊系統(tǒng)、各種工程的設計與規(guī)劃、災害分析，到軍事目的等。航空測量時，為了要得到立體空間的資訊（可用來建立數值高程模型，DEM，DigitalElevationModel），需要應用人眼產生立體視覺的原理（也就是因為兩眼相距一定的距離，所看到的景物不會完全相同、有視差，因而產生立體感），因此需要許多拍攝點不相同、但有重疊部分的影像來模擬立體效果，進而將此模擬出來的立體模型，進行量測、甚至繪制地形圖等。2、原理航空攝影測量，根據在航空飛行器上拍攝的地面像片，獲取地面信息，測繪地形圖。主要用于測繪1:1000?1:100000各類比例尺的地形圖。航攝像片是航空攝影測量的基本資料，是用畫幅式航攝機，按照嚴格的航攝要求攝得的單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，而攝影過程的幾何反轉則是立體測圖的基本原理。廣義來說，前一情況的基本原理也是攝影過程的幾何反轉。20世紀30年代以后，攝影過程的幾何反轉都是應用各種結構復雜的光學機械的精密儀器來實現的。50年代，開始應用數學解析的方式來實現。圖1就是用光學投影方法實現攝影幾何反轉的示意圖。圖中假設兩張相鄰的航攝像片覆蓋了同一地面AMDC，它們在左片乙上的構像為*mM，右片P2上的構像為&m2d2c2,兩攝站點S］和s2間的距離為基線8。如將這兩張像片裝回與攝影鏡箱相同的投影器內，后面用聚光器照明，就會投射出同攝影時相似的投影光束。再把這兩個投影光束安置在與攝影時相同的空間方位，并使兩投影中心間的距離為b（b為按測圖比例尺縮小的攝影基線），此時所有的同名投影光線都應成對相交，從而得出一個地面的立體模型A'MfD'C，。這時，用一個空間的浮游測標（可作三維運動）去量測它，就可畫得地形圖。像片的內方位元素和外方位元素內方位元素用以確定攝影物鏡后節(jié)點（像方）同像片間的相關位置。利用它可以恢復攝影時的攝影光線束。內方位元素系指攝影機主距f和攝影機物鏡后節(jié)點在像平面的正投影位于框標坐標系中的坐標值（xo，y°）。這些數值通過對航攝機鑒定得出，故內方位元素總是已知的。確定攝影光線束在攝影時的空間位置的數據，叫做像片或攝影的外方位元素。外方位元素有6個數值，包括攝影中心S（圖2）在某一空間直角坐標系中的3個坐標值X、Y、Z和用來確定攝影光線束在空間方位的3個角定向元素，如嗅、3、sssk角。這些外方位元素都是針對著某一個模型坐標系O—XYZ而定義的。模型坐標系的X坐標軸近似地位于攝影的基線方向，Z坐標軸近似地與地面點的高程方向相符。在模型坐標系內所建立的立體模型必須在其后經絕對定向的過程才能取得立體模型的正確方位。像點坐標變換式圖2中，像點a在以攝影中心S為原點，攝影主光軸z坐標軸的像空間坐標系（S-xyz）中的坐標為x。、y。、z「-f。此時以S為原點再建立一個輔助坐標系（S-uvw）其中3個坐標軸u、v、w分別與模型坐標的3個坐標軸X、Y、Z相平行。a點在此輔助坐標系中的坐標設為u、v、w，則其變換aaa關系式為：旦二邑X1皿％算術平均增長率=奈小以P 履（R+叢）R為旋轉矩陣，它是由像空間坐標系與輔助坐標系的相應坐標軸間夾角的余弦（稱方向余弦）組成，而這些方向余弦都是像片的3個角定向元素的函數。這是一個重要的基本公式，因為有很多理論公式或作業(yè)公式就是在此基礎上進一步演化得出的。例如，在解析攝影測量中有廣泛應用的“共線條件方程式”，就是根據它的反算式作進一步演化得出。相對定向確定像片對相互位置關系的過程。模擬法相對定向是在立體測圖儀上進行。其理論基礎是使空間所有的同名光線都成對相交。當同名光線不相交時，則在儀器的觀測系統(tǒng)中可以觀察到上下視差（常用Q表示）。上下視差就是兩條同名射線在空間不相交時在垂直于攝影基線方向中存在的距離。此時將投影器作微小的直線移動或轉動，就可以消除這個距離。理論上只要能夠在適當分布的5個點處同時消除該點處的上下視差，就認為已經獲得在這個立體像對內全部上下視差的消除，從而完成了相對定向，得出立體模型。相對定向的解析法是在像片上量測各同名像點的像點坐標，例如對左像片為x「y1，對右像片為x2、y2。根據同名射線共面條件的理論可以推導出這些量測值與相對定向元素的關系式。理論上測得5對同名像點的像點坐標值，就能夠解算出該像片對的5個相對定向元素。同名點在左右像片上的縱坐標差（y-y2）習慣上也稱之為上下視差，用符號q表示。 1模型的絕對定向在攝影測量中，相對定向所建立的立體模型常處在暫時的或過渡性的模型坐標系中，而且比例尺也是任意的，因此必須把它變換全地面測量坐標系中，并使符合規(guī)定的比例尺，方可測圖，這個變換過程稱為絕對定向。絕對定向的數學基礎是三維線性相似變換，它的元素有7個：3個坐標原點的平移值,3個立體模型的轉角值和1個比例尺縮放率。立體觀測原理立體觀察的原理是建立人造立體視覺，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺（圖3）。得到人造立體視覺須具備3個條件:①由兩個不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片（稱為立體像對或像對）；②兩只眼睛分別觀察像對中的一張像片；③觀察時像對上各同名像點的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點間的距離一般要小于眼基線（或擴大后的眼基距）。若用兩個相同標志分別置于左右像片的同名像點上，則立體觀察時就可以看到在立體模型上加入了一個空間的測標。為便于立體觀察，可借助于一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對于那種利用兩個投影器把左右像片的影像同時疊合地投影在一個承影面上的情況，可采用互補色原理或偏振光原理進行立體觀察，并用一個具有測標的測繪臺量測。航空攝影測量的分工法（微分法）是按照平面和高程分求的原則進行測圖的一種方法。使用的主要儀器是立體量測儀。它是根據豎直攝影像對，量測左右視差較和在右方像片上勾繪等高線的一種儀器。一個地面點在左、右兩張像片上構像點的橫坐標X的差值稱左右視差〃，而兩個地面點的左右視差之差則稱之為左右視差較△〃，這個△p是該兩點的高程差所引起的。在量測左右視差較△p的過程中，借助儀器上的改正機件,自動改正由攝影外方位元素帶來的影響，使之等于理想像對的左右視差或左右視差較；而用高差公式計算高程差；然后用投影轉繪儀把在像片上勾繪的等高線以及調繪的地物，進行分帶投影轉繪成地形圖。中國設計制造的X-2型視差測圖儀是在立體量測儀的基礎上，另加平面改正機件，改進后的儀器，在使用中可把分工法測圖中的兩個步驟一次解決，從而提高了作業(yè)效率。意大利、聯邦德國也有類似的儀器。航空攝影測量的成圖方法和儀器正在向著半自動化和自動化方向發(fā)展，在這方面解析測圖儀已經有了相當的成就。彩測量的發(fā)展趨勢:攝影測量的發(fā)展趨勢可從以下四個方面分別闡述：空間數據信息獲取的發(fā)展趨勢隨著航天技術、通信技術和信息技術的飛速發(fā)展，人們將可以從各種航天、近空間、航空和地面平臺上，用紫外、可見光、紅外、微波、合成孔徑雷達、激光雷達、太赫茲等多種傳感器獲取多種比例尺的目標影像，大大提高其空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率。形成天地一體化攝影測量與遙感的數據獲取方法，為人們提供愈來愈多的影像和非影像數據。隨著新一代全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的發(fā)展，將以更高的精度自動測定各類傳感器的空間位置和姿態(tài)，從而實現無地面控制的實時攝影測量與遙感?？臻g信息處理的發(fā)展趨勢地球空間信息處理和信息提取的發(fā)展趨勢是走向定量化、自動化