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摄影测量技术及其发展历史

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2018-05-08

  1 前言
  随着信息技术不断发展,科技水平飞速提高,电子产品、网络、出行工具等等都有了翻天覆地的变化,测绘技术也不例外。摄影测量学是测绘学的分支学科,它指的是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学。
  2 什么是摄影测量
  2.1摄影测量的作用和特点
  摄影测量的主要任务是对地观测,因此测绘各种比例尺的地形图和专题图,建立地形图数据库,并贮备各种地理信息系统的建立与更新时需要的基础数据。另外摄影测量还广泛应用在非地形测绘领域,比如对爆破、高温、真空等危险现场进行监测。
  摄影测量的优点主要体现在以下几个方面:
  影像记录的物体目标客观、信息丰富、图像清晰,人们可以比较方便的获得所需要的几何或物理信息。将影像信息作为制图的依据具有非常突出的优势。
  摄影测量不需要接触被测目标实物,因此测量作业不受工作现场条件的约束。例如对滑坡、泥石流等地质灾害的监测具有危险性,不可能让人去现场进行实地观测,摄影测量手段的应用就显得尤为重要了。
  摄影测量可以绘制动态变化或移动的目标。影像记录是对目标物体某时刻状态的真实反映,因此摄影测量可以用来研究动态的目标。并且,这种研究是整体、全面、同时的,而非局部、片面、有时差的。例如研究液体、气体等移动的非固定目标时可以应用摄影测量技术。
  摄影测量可以绘制形态复杂的目标。在地形绘制中,应用经纬仪测绘山区的地形将会显得非常的困难,采集地形地貌的特征点时,如果丢失或缺少关键的特征点将会影响所绘地形图的准确性。
  影像资料可以重复使用,永久保存。一份影像资料客观详细的反映了该地的地表情况,成为记录当地信息的重要资料,通过对不同时期的影像资料对比,可以研究该地的地貌变化特征和发展规律。
  在进行地貌测绘时,与全站仪的测绘方法相比,摄影测量有很大的优势。
  ①出图时间短,生产快;
  ②操作人员劳动强度低,以内业工作为主。因为摄影工作将大部分测绘工作搬到了室内进行;
  ③节约测绘时所需要的经费;
  ④摄影测绘的地图精度高,客观逼真。

  正因为摄影测量具有如此多的优势,所以这项技术的应用范围在逐渐扩展。


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  2.2摄影测量的基本原理
  摄影测量学的方法很多,其中航空摄影测量的理论是最常用的。航空摄影测量是利用飞机上摄取的地表相片为依据进行量测判断拍摄的地面上物体大小、形状、空间位置关系,从而建立被摄取的地区的地形图信息数据资料。航空摄影是利用安装在飞机下部的摄影机,在一定的高度飞行按规定的时间间隔对要测绘的区域进行连续重叠摄影。要求所拍摄的图片能够覆盖整个待测区,并且有一定的重叠度。一般而言,航向重叠度应达到60%~70%,旁向重叠度应达到15%~30%。
  3 摄影测量的发展历史
  摄影测量学发展至今已有二百多年的历史了,最初叫图像量测学。1837年,摄影技术发明后,才叫摄影测量学。数学家勃兰特早在18世纪就论述了摄影测量学的基础一一透视几何理论。1889年,法国报导了第一张摄影像片的产生后,摄影测量学开始了它的发展历程。19世纪中叶,法国陆军上校劳塞达利用所谓“明箱”装置测制了万森城堡图,这位上校被公认为“摄影测量之父”。
  从19世纪中叶开始至今,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。
  就摄影测量本身而言,从测绘的角度上来看数字摄影测量还是利用影像来进行测绘的科学与技术而从信息科学和计算机视觉科学的角度来看,它是利用影像来重建三维表面模型的科学与技术,也就是在“室内”重建地形的三维表面模型,然后在模型上进行测绘。因此,从本质上来说,它与原来的摄影测量没有区别。因而,在数字摄影测量系统中,整个的生产流程与作业方式,与传统的摄影测量差别似乎不大,但是它给传统的摄影测量带来了重大的变革。事实上,数字摄影测量的许多概念,以及它在整个地理信息产业的影响,都远远超过模拟摄影测量到解析摄影测量的变革。
  3.1模拟摄影测量
  19世纪中叶,劳塞达利用摄影像片和所谓的“明箱”装置,测制万森城堡图.标志着摄影测量的诞生。当时采用的是图解法逐点测绘。直到本世纪初,才由维也纳军事地理研究所按奥雷尔的思想制成了“自动立体测图仪”,后来由德国卡尔蔡司厂进一步发展,成功地制造出实用的“立体自动测图仪”。由于这些仪器均采用光学投影器或机械投影器或是光学--机械投影器“模拟”摄影过程,用它们交会被摄物体的空间位置,所以我们称之为“模拟摄影测量仪器”。因此,这一发展时期也被称为“模拟摄影测量时代”。在这时期,能够用来解决摄影测量主要问题的现有的全部的摄影测量测图仪,实际上都以同样的原理为基础,这个原理可以称为“模拟原理”。仪器虽冠以“自动”二字,但它只是说能够避免繁琐的计算,即利用光学机械模拟的装置,实现了复杂的摄影测量解算。但它并不是不需要人工来观测。摄影测最技术的发展可以说基本上是围绕开发十分昂贵的立体测图仪来进行的。到了六、七十年代,这种类型的仪器发展到了顶峰。
  3.2解析摄影测量
  电子计算机的出现和自动控制技术,模拟转换技术的实用化,为摄影测量立体测图仪的发展提供了新的技术条件。Helava于1957年提出了摄影测量的一个新概念,就是用“数字投影代替物理投影”。所谓“物理投影”就是指“光学的、机械的、或光学-机械的”模拟投影。“数字投影”就是利用电子计算机实时地进行共线方程的计算,从而交会被摄物体的空间位置。解析摄影测量是依据像点与相应的地面点间的数学关系,用电子计算机解算像点相应地面点的坐标并进行测图解算的技术。在解析摄影测量中,利用少量的野外控制点,加密测图用的控制点或其它用途的更加密集的控制点的工作,叫做解析空中三角测量,也称为电算加密。
  电算加密和解析测图仪的出现标志着摄影测量进入解析摄影测量的时代。
  解析测图仪与模拟测图仪的主要区别有三点:一是前者使用数字投影方式,后者使用模拟的物理投影方式。二是在仪器设计和结构上前者为由计算机控制的坐标量测系统,后者使用纯光学、机械型的模拟测图装置。三是在操作方式上前者是计算机辅助的人工操作,后者是完全手工操作。


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  3.3数字摄影测量
  用影像相关(或影像匹配)技术代替双眼观测,实现真正的自动化测图,采用数字方式实现摄影测量自动化,这样,摄影测量发展到了数字摄影测量阶段。随着数字图像处理、模式识别、人工智能、人工神经元网络,专家系统和计算机视觉等学科的不断发展,以及计算机性能的快速提高,数字摄影测量被公认为摄影测量的第三个阶段。数字摄影测量就是以数字影像为基础用电子计算机进行分析和处理,确定被摄物体的形状、大小.空间位置及其性质的技术。
  数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于:它处理的原始信息不仅可以是像片,更主要的是数字摄影(如CCD影像)或数字化影像,这最终是以计算机视觉代替人眼的主体观测,因而它所使用的仪器最终将只是通用计算机及其相应外部设备。
  摄影测量三个发展阶段从时间上来看没有严格准确的划分:
  在50年代早期,没有计算机,那时的摄影测量就是要避免计算,对于制图和影像输出都采用模拟技术来实施。60年代早期出现第一批数字式计算机,但摄影测量还是没能跳出传统摄影测量的范围。因此,以上时期属于模拟摄影时期。到了70年代,正射影像和解析测图仪的出现,标志着解析摄影测量时代的到来。当时的摄影测量仪器制造业没有参与软件的研制而且没有严格地考虑硬件,这种情况持续了10年。随着计算机技术的发展,促进了数字制图和计算机图形学的发展,同时遥感也逐渐发展,最终到了80年代左右,开始了数字摄影测量的发展。
  4 结语
  摄影测量学从产生开始,始终随着人类对自然空间的探索而发展。数字摄影测量的出现可以说是一个崭新的开始,标志着它已成为现代信息学的一个重要领域。新的工具和技术的出现,不仅不是摄影测量的空间的缩小,相反,它们给摄影测量的发展带来了新的应用领域和研究课题。


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