攝影測量技術及其發展歷史

發布日期：2018-05-08 00:00 瀏覽量：19241

　　1 前言
　　隨著信息技術不斷發展，科技水平飛速提高，電子產品、網絡、出行工具等等都有了翻天覆地的變化，測繪技術也不例外。攝影測量學是測繪學的分支學科，它指的是通過影像研究信息的獲取、處理、提取和成果表達的一門信息科學。
　　2 什么是攝影測量
　　2.1攝影測量的作用和特點
　　攝影測量的主要任務是對地觀測，因此測繪各種比例尺的地形圖和專題圖，建立地形圖數據庫，并貯備各種地理信息系統的建立與更新時需要的基礎數據。另外攝影測量還廣泛應用在非地形測繪領域，比如對爆破、高溫、真空等危險現場進行監測。
　　攝影測量的優點主要體現在以下幾個方面：
　　影像記錄的物體目標客觀、信息豐富、圖像清晰，人們可以比較方便的獲得所需要的幾何或物理信息。將影像信息作為制圖的依據具有非常突出的優勢。
　　攝影測量不需要接觸被測目標實物，因此測量作業不受工作現場條件的約束。例如對滑坡、泥石流等地質災害的監測具有危險性，不可能讓人去現場進行實地觀測，攝影測量手段的應用就顯得尤為重要了。
　　攝影測量可以繪制動態變化或移動的目標。影像記錄是對目標物體某時刻狀態的真實反映，因此攝影測量可以用來研究動態的目標。并且，這種研究是整體、全面、同時的，而非局部、片面、有時差的。例如研究液體、氣體等移動的非固定目標時可以應用攝影測量技術。
　　攝影測量可以繪制形態復雜的目標。在地形繪制中，應用經緯儀測繪山區的地形將會顯得非常的困難，采集地形地貌的特征點時，如果丟失或缺少關鍵的特征點將會影響所繪地形圖的準確性。
　　影像資料可以重復使用，永久保存。一份影像資料客觀詳細的反映了該地的地表情況，成為記錄當地信息的重要資料，通過對不同時期的影像資料對比，可以研究該地的地貌變化特征和發展規律。
　　在進行地貌測繪時，與全站儀的測繪方法相比，攝影測量有很大的優勢。
　　①出圖時間短，生產快；
　　②操作人員勞動強度低，以內業工作為主。因為攝影工作將大部分測繪工作搬到了室內進行；
　　③節約測繪時所需要的經費；
　　④攝影測繪的地圖精度高，客觀逼真。
　　正因為攝影測量具有如此多的優勢，所以這項技術的應用范圍在逐漸擴展。

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　　2.2攝影測量的基本原理
　　攝影測量學的方法很多，其中航空攝影測量的理論是最常用的。航空攝影測量是利用飛機上攝取的地表相片為依據進行量測判斷拍攝的地面上物體大小、形狀、空間位置關系，從而建立被攝取的地區的地形圖信息數據資料。航空攝影是利用安裝在飛機下部的攝影機，在一定的高度飛行按規定的時間間隔對要測繪的區域進行連續重疊攝影。要求所拍攝的圖片能夠覆蓋整個待測區，并且有一定的重疊度。一般而言，航向重疊度應達到60％～70％，旁向重疊度應達到15％～30％。
　　3 攝影測量的發展歷史
　　攝影測量學發展至今已有二百多年的歷史了，最初叫圖像量測學。1837年，攝影技術發明后，才叫攝影測量學。數學家勃蘭特早在18世紀就論述了攝影測量學的基礎一一透視幾何理論。1889年，法國報導了第一張攝影像片的產生后，攝影測量學開始了它的發展歷程。19世紀中葉，法國陸軍上校勞塞達利用所謂“明箱”裝置測制了萬森城堡圖，這位上校被公認為“攝影測量之父”。
　　從19世紀中葉開始至今，隨著計算機技術以及數字圖像處理、模式識別、計算機視覺和人工智能等相關技術的不斷發展，攝影測量與計算機學科相互滲透交叉，攝影測量在經歷模擬攝影測量、解析攝影測量兩個發展階段后，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。
　　就攝影測量本身而言，從測繪的角度上來看數字攝影測量還是利用影像來進行測繪的科學與技術；而從信息科學和計算機視覺科學的角度來看，它是利用影像來重建三維表面模型的科學與技術，也就是在“室內”重建地形的三維表面模型，然后在模型上進行測繪。因此，從本質上來說，它與原來的攝影測量沒有區別。因而，在數字攝影測量系統中，整個的生產流程與作業方式，與傳統的攝影測量差別似乎不大，但是它給傳統的攝影測量帶來了重大的變革。事實上，數字攝影測量的許多概念，以及它在整個地理信息產業的影響，都遠遠超過模擬攝影測量到解析攝影測量的變革。
　　3.1模擬攝影測量
　　19世紀中葉，勞塞達利用攝影像片和所謂的“明箱”裝置，測制萬森城堡圖．標志著攝影測量的誕生。當時采用的是圖解法逐點測繪。直到本世紀初，才由維也納軍事地理研究所按奧雷爾的思想制成了“自動立體測圖儀”，后來由德國卡爾蔡司廠進一步發展，成功地制造出實用的“立體自動測圖儀”。由于這些儀器均采用光學投影器或機械投影器或是光學--機械投影器“模擬”攝影過程，用它們交會被攝物體的空間位置，所以我們稱之為“模擬攝影測量儀器”。因此，這一發展時期也被稱為“模擬攝影測量時代”。在這時期，能夠用來解決攝影測量主要問題的現有的全部的攝影測量測圖儀，實際上都以同樣的原理為基礎，這個原理可以稱為“模擬原理”。儀器雖冠以“自動”二字，但它只是說能夠避免繁瑣的計算，即利用光學機械模擬的裝置，實現了復雜的攝影測量解算。但它并不是不需要人工來觀測。攝影測最技術的發展可以說基本上是圍繞開發十分昂貴的立體測圖儀來進行的。到了六、七十年代，這種類型的儀器發展到了頂峰。
　　3.2解析攝影測量
　　電子計算機的出現和自動控制技術，模擬轉換技術的實用化，為攝影測量立體測圖儀的發展提供了新的技術條件。Helava于1957年提出了攝影測量的一個新概念，就是用“數字投影代替物理投影”。所謂“物理投影”就是指“光學的、機械的、或光學-機械的”模擬投影。“數字投影”就是利用電子計算機實時地進行共線方程的計算，從而交會被攝物體的空間位置。解析攝影測量是依據像點與相應的地面點間的數學關系，用電子計算機解算像點相應地面點的坐標并進行測圖解算的技術。在解析攝影測量中，利用少量的野外控制點，加密測圖用的控制點或其它用途的更加密集的控制點的工作，叫做解析空中三角測量，也稱為電算加密。
　　電算加密和解析測圖儀的出現標志著攝影測量進入解析攝影測量的時代。
　　解析測圖儀與模擬測圖儀的主要區別有三點：一是前者使用數字投影方式，后者使用模擬的物理投影方式。二是在儀器設計和結構上前者為由計算機控制的坐標量測系統，后者使用純光學、機械型的模擬測圖裝置。三是在操作方式上前者是計算機輔助的人工操作，后者是完全手工操作。

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　　3.3數字攝影測量
　　用影像相關(或影像匹配)技術代替雙眼觀測，實現真正的自動化測圖，采用數字方式實現攝影測量自動化，這樣，攝影測量發展到了數字攝影測量階段。隨著數字圖像處理、模式識別、人工智能、人工神經元網絡，專家系統和計算機視覺等學科的不斷發展，以及計算機性能的快速提高，數字攝影測量被公認為攝影測量的第三個階段。數字攝影測量就是以數字影像為基礎用電子計算機進行分析和處理，確定被攝物體的形狀、大小．空間位置及其性質的技術。
　　數字攝影測量與模擬、解析攝影測量的最大區別在于：它處理的原始信息不僅可以是像片，更主要的是數字攝影(如CCD影像)或數字化影像，這最終是以計算機視覺代替人眼的主體觀測，因而它所使用的儀器最終將只是通用計算機及其相應外部設備。
　　攝影測量三個發展階段從時間上來看沒有嚴格準確的劃分：
　　在50年代早期，沒有計算機，那時的攝影測量就是要避免計算，對于制圖和影像輸出都采用模擬技術來實施。60年代早期出現第一批數字式計算機，但攝影測量還是沒能跳出傳統攝影測量的范圍。因此，以上時期屬于模擬攝影時期。到了70年代，正射影像和解析測圖儀的出現，標志著解析攝影測量時代的到來。當時的攝影測量儀器制造業沒有參與軟件的研制而且沒有嚴格地考慮硬件，這種情況持續了10年。隨著計算機技術的發展，促進了數字制圖和計算機圖形學的發展，同時遙感也逐漸發展，最終到了80年代左右，開始了數字攝影測量的發展。
　　4 結語
　　攝影測量學從產生開始，始終隨著人類對自然空間的探索而發展。數字攝影測量的出現可以說是一個嶄新的開始，標志著它已成為現代信息學的一個重要領域。新的工具和技術的出現，不僅不是攝影測量的空間的縮小，相反，它們給攝影測量的發展帶來了新的應用領域和研究課題。