攝影測量及其發(fā)展

攝影測量及其發(fā)展【摘要】：本文詳細(xì)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(shù)手段，是測制和更新國家地形圖以及建立地理信息數(shù)據(jù)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(yīng)用，及其適用范圍。最后根據(jù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀得出攝影測量的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：攝影測量關(guān)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(shù)。另一種廣受認(rèn)可的定義：Photogrammetryisthescienceofartobtainingreliablemeasurementsbymeansofphotographs.根據(jù)攝影時(shí)攝影機(jī)所處的位置的不同，攝影測量學(xué)可分為地面攝影測量、航空攝影測量和航天攝影測量。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，攝影測量學(xué)又可分為地形攝影測量與非地形攝影測量兩大類。根據(jù)技術(shù)處理手段的不同（也是歷史階段的不同），攝影測量學(xué)又可分為模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z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(zhì)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(gè)分類都是用攝影而獲得的影像信息（含數(shù)字影像）測定目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)和相互關(guān)系的科學(xué)技術(shù)，不同類別的攝影對象和應(yīng)用范圍不同。:影測量的發(fā)展歷史:攝影測量學(xué)發(fā)展至今，經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量三個(gè)發(fā)展階段攝影測量學(xué)三個(gè)發(fā)展階段的特點(diǎn)：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(shù)字?jǐn)z影測量像片數(shù)字化影像數(shù)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(shù)字?jǐn)z影測量像片數(shù)字化影像數(shù)字投影模擬測圖儀解析測圖

儀作業(yè)員手工機(jī)助作業(yè)員操作數(shù)字投影 計(jì)算機(jī) 自動化操作模擬產(chǎn)品模擬產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字產(chǎn)品數(shù)字影像+作業(yè)員的十模擬產(chǎn)品預(yù)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(dāng)年的北洋大學(xué)曾用進(jìn)口的攝影經(jīng)緯儀做過建筑攝影測量試驗(yàn)。中國的航空攝影測量始于1931年，浙江省水利局航測隊(duì)與德國測量公司合作進(jìn)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(duì)。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(nóng)業(yè)、地質(zhì)、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(shù)字?jǐn)z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(gòu)成各類GIS的地形數(shù)據(jù)庫。21世紀(jì)初，數(shù)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(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到制作三維城市電子地圖。目前，中國已經(jīng)構(gòu)建了1:1000000、1:250000和1:50000全國空間數(shù)據(jù)庫，包括的數(shù)據(jù)產(chǎn)品有DOM、DEM、DLG和DRG四類，還有地名數(shù)據(jù)庫和土地利用數(shù)據(jù)庫等，各省市已經(jīng)或正在建立1:10000全省空間數(shù)據(jù)庫。許多大中城市已建立了1:500-1：2000空間數(shù)據(jù)庫。這些都成為構(gòu)建“數(shù)字中國”、“數(shù)字省區(qū)”和“數(shù)字城市”的重要基礎(chǔ)。2006年國家測繪局啟動了西部測圖計(jì)劃，使用了一批新設(shè)備、新技術(shù)、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(xiàn)狀:影測量的發(fā)展現(xiàn)狀攝影測量在經(jīng)歷模擬攝影測量，解析攝影測量兩個(gè)發(fā)展階段后，現(xiàn)已進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量階段，這對整個(gè)攝影測量的教學(xué)，科研，生產(chǎn)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字?jǐn)z影測量主要便現(xiàn)在攝影測量與計(jì)算機(jī)學(xué)科相互滲透交叉，數(shù)字?jǐn)z影測量所使用的設(shè)備最終將是計(jì)算機(jī)加上相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，它的產(chǎn)品形式是全數(shù)字化的數(shù)字產(chǎn)品。隨著傳感器技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)代數(shù)字?jǐn)z影測量不僅依然是遙感空間信息獲取的重要分支學(xué)科，而且其研究及應(yīng)用范圍變得非常廣泛：例如：從測繪學(xué)科而言，傳統(tǒng)的攝影測量已發(fā)展為新興的信息產(chǎn)業(yè)；從攝影測量學(xué)科而言，經(jīng)典的攝影測量已發(fā)展為攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺。另外：高分辨率的遙感影像、以及其定位參數(shù)文件的應(yīng)用，只要極少量的外業(yè)控制點(diǎn)，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(yīng)用。航空激光掃描雷達(dá)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(shù)字?jǐn)z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(jìn)作用我國攝影測量與遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1、 對地觀測系統(tǒng)建設(shè)民用遙感衛(wèi)星向系列化和業(yè)務(wù)化方向發(fā)展2、 掌握了一批核心遙感技術(shù)，形成了系列化產(chǎn)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(wù)逐步建成，隊(duì)伍不斷壯大航空遙感系統(tǒng)平臺不斷改進(jìn)，技術(shù)穩(wěn)步提高4、 遙感衛(wèi)星地面設(shè)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(shù)據(jù)存儲與檢索系統(tǒng)先進(jìn)地面接收系統(tǒng)的國產(chǎn)化能力提高，技術(shù)水平穩(wěn)步提高5、 國產(chǎn)化地球空間信息系統(tǒng)軟件發(fā)展迅速：數(shù)字?jǐn)z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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，應(yīng)用效益與效率顯著提高資源與環(huán)境遙感應(yīng)用不斷深化，技術(shù)能力顯著提高4新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)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(yīng)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(yīng)地面上被測量物的特質(zhì)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(zhì)狀況、植被生長情況、建筑物的種類…等）。應(yīng)用范圍可從學(xué)術(shù)研究、地理資訊系統(tǒng)、各種工程的設(shè)計(jì)與規(guī)劃、災(zāi)害分析，到軍事目的等。航空測量時(shí)，為了要得到立體空間的資訊（可用來建立數(shù)值高程模型，DEM，DigitalElevationModel），需要應(yīng)用人眼產(chǎn)生立體視覺的原理（也就是因?yàn)閮裳巯嗑嘁欢ǖ木嚯x，所看到的景物不會完全相同、有視差，因而產(chǎn)生立體感），因此需要許多拍攝點(diǎn)不相同、但有重疊部分的影像來模擬立體效果，進(jìn)而將此模擬出來的立體模型，進(jìn)行量測、甚至繪制地形圖等。2、原理航空攝影測量，根據(jù)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(jī)，按照嚴(yán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。20世紀(jì)30年代以后，攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)都是應(yīng)用各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械的精密儀器來實(shí)現(xiàn)的。50年代，開始應(yīng)用數(shù)學(xué)解析的方式來實(shí)現(xiàn)。圖1就是用光學(xué)投影方法實(shí)現(xiàn)攝影幾何反轉(zhuǎn)的示意圖。圖中假設(shè)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(gòu)像為*mM，右片P2上的構(gòu)像為&m2d2c2,兩攝站點(diǎn)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(nèi)，后面用聚光器照明，就會投射出同攝影時(shí)相似的投影光束。再把這兩個(gè)投影光束安置在與攝影時(shí)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(shí)所有的同名投影光線都應(yīng)成對相交，從而得出一個(gè)地面的立體模型A'MfD'C，。這時(shí)，用一個(gè)空間的浮游測標(biāo)（可作三維運(yùn)動）去量測它，就可畫得地形圖。像片的內(nèi)方位元素和外方位元素內(nèi)方位元素用以確定攝影物鏡后節(jié)點(diǎn)（像方）同像片間的相關(guān)位置。利用它可以恢復(fù)攝影時(shí)的攝影光線束。內(nèi)方位元素系指攝影機(jī)主距f和攝影機(jī)物鏡后節(jié)點(diǎn)在像平面的正投影位于框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（xo，y°）。這些數(shù)值通過對航攝機(jī)鑒定得出，故內(nèi)方位元素總是已知的。確定攝影光線束在攝影時(shí)的空間位置的數(shù)據(jù)，叫做像片或攝影的外方位元素。外方位元素有6個(gè)數(shù)值，包括攝影中心S（圖2）在某一空間直角坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)值X、Y、Z和用來確定攝影光線束在空間方位的3個(gè)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(gè)模型坐標(biāo)系O—XYZ而定義的。模型坐標(biāo)系的X坐標(biāo)軸近似地位于攝影的基線方向，Z坐標(biāo)軸近似地與地面點(diǎn)的高程方向相符。在模型坐標(biāo)系內(nèi)所建立的立體模型必須在其后經(jīng)絕對定向的過程才能取得立體模型的正確方位。像點(diǎn)坐標(biāo)變換式圖2中，像點(diǎn)a在以攝影中心S為原點(diǎn)，攝影主光軸z坐標(biāo)軸的像空間坐標(biāo)系（S-xyz）中的坐標(biāo)為x。、y。、z「-f。此時(shí)以S為原點(diǎn)再建立一個(gè)輔助坐標(biāo)系（S-uvw）其中3個(gè)坐標(biāo)軸u、v、w分別與模型坐標(biāo)的3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z相平行。a點(diǎn)在此輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)設(shè)為u、v、w，則其變換aaa關(guān)系式為：旦二邑X1皿％算術(shù)平均增長率=奈小以P 履（R+叢）R為旋轉(zhuǎn)矩陣，它是由像空間坐標(biāo)系與輔助坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)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(gè)角定向元素的函數(shù)。這是一個(gè)重要的基本公式，因?yàn)橛泻芏嗬碚摴交蜃鳂I(yè)公式就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步演化得出的。例如，在解析攝影測量中有廣泛應(yīng)用的“共線條件方程式”，就是根據(jù)它的反算式作進(jìn)一步演化得出。相對定向確定像片對相互位置關(guān)系的過程。模擬法相對定向是在立體測圖儀上進(jìn)行。其理論基礎(chǔ)是使空間所有的同名光線都成對相交。當(dāng)同名光線不相交時(shí)，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(shí)在垂直于攝影基線方向中存在的距離。此時(shí)將投影器作微小的直線移動或轉(zhuǎn)動，就可以消除這個(gè)距離。理論上只要能夠在適當(dāng)分布的5個(gè)點(diǎn)處同時(shí)消除該點(diǎn)處的上下視差，就認(rèn)為已經(jīng)獲得在這個(gè)立體像對內(nèi)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(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，例如對左像片為x「y1，對右像片為x2、y2。根據(jù)同名射線共面條件的理論可以推導(dǎo)出這些量測值與相對定向元素的關(guān)系式。理論上測得5對同名像點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)值，就能夠解算出該像片對的5個(gè)相對定向元素。同名點(diǎn)在左右像片上的縱坐標(biāo)差（y-y2）習(xí)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(shí)的或過渡性的模型坐標(biāo)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(biāo)系中，并使符合規(guī)定的比例尺，方可測圖，這個(gè)變換過程稱為絕對定向。絕對定向的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是三維線性相似變換，它的元素有7個(gè)：3個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值,3個(gè)立體模型的轉(zhuǎn)角值和1個(gè)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(gè)條件:①由兩個(gè)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(shí)像對上各同名像點(diǎn)的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點(diǎn)間的距離一般要小于眼基線（或擴(kuò)大后的眼基距）。若用兩個(gè)相同標(biāo)志分別置于左右像片的同名像點(diǎn)上，則立體觀察時(shí)就可以看到在立體模型上加入了一個(gè)空間的測標(biāo)。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(gè)投影器把左右像片的影像同時(shí)疊合地投影在一個(gè)承影面上的情況，可采用互補(bǔ)色原理或偏振光原理進(jìn)行立體觀察，并用一個(gè)具有測標(biāo)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(jìn)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(jù)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(gè)地面點(diǎn)在左、右兩張像片上構(gòu)像點(diǎn)的橫坐標(biāo)X的差值稱左右視差〃，而兩個(gè)地面點(diǎn)的左右視差之差則稱之為左右視差較△〃，這個(gè)△p是該兩點(diǎn)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(jī)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(jì)算高程差；然后用投影轉(zhuǎn)繪儀把在像片上勾繪的等高線以及調(diào)繪的地物，進(jìn)行分帶投影轉(zhuǎn)繪成地形圖。中國設(shè)計(jì)制造的X-2型視差測圖儀是在立體量測儀的基礎(chǔ)上，另加平面改正機(jī)件，改進(jìn)后的儀器，在使用中可把分工法測圖中的兩個(gè)步驟一次解決，從而提高了作業(yè)效率。意大利、聯(lián)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(jīng)有了相當(dāng)?shù)某删?。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(gè)方面分別闡述：空間數(shù)據(jù)信息獲取的發(fā)展趨勢隨著航天技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)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(dá)、激光雷達(dá)、太赫茲等多種傳感器獲取多種比例尺的目標(biāo)影像，大大提高其空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率。形成天地一體化攝影測量與遙感的數(shù)據(jù)獲取方法，為人們提供愈來愈多的影像和非影像數(shù)據(jù)。隨著新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)現(xiàn)無地面控制的實(shí)時(shí)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