摄影测量学的发展状况

摄影测量学的发展状况Last revision on 21 December 2020

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

The State of The Photographic Surveying

Hu Peng

China University of Petroleum（Qingdao Campus）26555

Abstract This passage is mainly about the concept and development of Photographic Surveying。With the development of information era，the maturity of 3S Technology, the development of the Digital Earth, and the development of the instrument equipment manufacturing industry, the application fields of the Photographic Surveying has become wider and wider. Positioning technology, aerial triangulation, DOM producing, image matching, automation matching are the core of the Photographic Surveying, around with these methods and technology, the development of Photographic Surveying will become more and more complete.

Key words :Photography, Surveying, Digital Earth, Positioning technology, aerial triangulation, DOM producing, image matching, automation matching.

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。

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；

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；

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。

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. 1 Real time videogrammetry system of measuring the

obliquity of a rocket prepared to launch

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. 2 Videogrammetry system of measuring the geometry

parameters of long rail

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. 3 Scene of a return capsule's 3D movement

measurement experiment by videogrammetry

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。4 Accident vehicles

图5 事故车辆的外廓重建

Fig。5 Reconstruction of accident vehicles

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)Photomodeler

3摄影测量学的技术[6]

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5～10 m。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0105 m,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,精度要求比较高的应用场合就可以直接利用DGPS/ INS辅助系统进行测图和定位。

法国利用设在全球的54个站点,向卫星发射信号,通过测定多普勒频移以精确解求卫星的空间坐标,具有极高的精度。测定距地球1 300 km的TOPEX卫星的高度,精度达到±3 cm。用来测定SPOT4卫星的轨道, 3个坐标方向达到±5 m精度,对于SPOT5未来可达到±1 m精度。若忽略SPOTS传感器的角元素,直接进行无地面控制的正射像片制作,精度可达到±15m,完全可以满足国家安全的需求。

航空空三，近景空三，推扫式空三

航空空三在DGPS/ INS的辅助下,只需要使用1个控制点对系统误差进行自检校, DGPS/ INS直接定位的精度就可以大大提高,使用DGPS/ INS辅助的空三,即使没有控制点也可以达到较高的精度,而且可以很好的消除上下视差; DGPS/ INS辅助的空三中使用控制点对系统误差进行自检校,可以较好的补偿各种系统误差,可以达到最高的精度,特别是对高程精度提高很大。通过V IDEO重建真实场景是现在计算机视觉界的一个热点问题,其核心问题的各个景影像的链接问题,实际就是空三测量。要解决没有内方位,控制参数条件很少情况下的空三测量问题,也是一个调整。随着推扫式遥感影像的分辨率越来越高,线阵推扫式的空三也被提到研究日程,其研究的热点是线阵推扫的物理模型,解算方式等。流行的算法有有理系数,仿射变化,物理模型等等。

无DEM支持的DOM制作

为解决DEM数据获取的难题,针对卫星遥感影像的特点和地形类别的差异,需要一套无需DEM支持的卫星遥感正射影像制作方法,该方法仅需地形图扫描纠正形成的数字栅格地图(DRG)的支持并能获得符合精度要求的遥感正射影像。平坦区域遥感正射影像制作。由于地形起伏的影响很小甚至可以忽略不计,以地形图扫描纠正形成的DRG为基准,较高分辨率的全色卫星遥感影像直接与DRG进行整体图形图像配准,或利用常规地面控制点选取方法建立多项式变换函数,对高分辨率全色影像进行整体几何纠正并进行必要的纹理增强处理。在此基础上,以纠正后的全色卫星影像为基准,利用影像到影像的配准技术对TM等较低分辨率的多光谱影像进行纠正,并对纠正后的全色影像和多光谱影像进行融合处理形成兼具色彩与纹理特征的融合影像,通过影像镶嵌与图幅裁切、注记与图外整饰等处理,形成平坦区域的遥感正射影像图。中等起伏区域遥感正射影像制作。根据DRG范围对较高分辨率卫星影像进行图幅粗裁切,通过DRG与影像配准技术对裁切影像进行整体定向。然后在DRG与整体定向后的卫星影像透明叠加环境下,以DRG为基准进行局部区域配准调整,逐

步迭代纠正获得纠正后的全色卫星影像,对纠正后的全色影像进行纹理增强处理,并按平坦区域正射影像制作后续相同技术获得中等起伏区域的遥感正射影像。高山起伏区域遥感正射影像制作。以地形图为基准对较高分辨率全色影像进行图幅粗裁切后,利用DRG与裁切影像配准技术获得4个同名点进行全色影像的整体定向。在此基础上,通过DRG与整体定向后影像透明叠加量测部分同名地物点的偏差值,获得因地形起伏或影像倾斜等引起的像点位移(偏差值)初始文件,通过逐点迭代纠正获得纠正后的

全色影像,对纠正后的全色影像进行纹理增强处理,并按平坦区域正射影像制作后续处理相同技术获得高山起伏区域的遥感正射影像。

匹配理论与实践

影像与影像之间的精确配准、影像的定位、影像的精确纠正:这包括由各种不同几何参数的传感器获得的影像之间、不同的几何分辨率影像之间、不同时相影像之间、不同光谱范围的影像之间、光学影像与雷达影像之间、原始影像与已经地学编码的影像(如正射影像)之间的配准的理论以及各种配准方法。DEM与DEM 之间、影像与DEM 之间的配准, 随着全国1∶1 000 000、1∶250 000、1∶50 000的DEM库的建成,DEM已经成为一个国家的最基础的地理空间信息之一。在国际,不少发达国家已经将DEM作为一个信息的“商品”,它必将被应用于国防与国民经济建设的各个方面。

研究新、老DEM之间、或新的图像与已有的DEM之间的配准,显得非常重要。在军事上,巡航导弹就需要解决由激光扫描所实测的DEM与已有地形图所对应的DEM之间的配准,作为巡航导弹制导的手段之一。

影像与GIS的矢量数据(或地图)的配准,传统的地图均以矢量信息为基础,矢量数据也是GIS最主要的数据类型。深入研究影像与GIS的矢量数据(或地图)进行精确地自动(或半自动)配准是至关重要的,它是解决GIS数据更新、知识提取、地学从定性分析到定量分析的一项重要的基础性研究,并具有非常巨大的实际应用价值。

自动变换检测问题

所谓变化检测就是根据不同时间的观测来确定一个物体的状态变化或确定现象的变化过程。一个有效的检测方法和流程可以很好地指导人们的工作,提供及时可靠的信息,并可有效地进行现有的数据库的更新。目前变化检测技术已被广泛用于土地使用的变化分析,农作物估产,灾害监测,城区变化以及其他环境的变化检测中。概括说来,利用遥感(包括航测)进行变化检测大致需要下述步骤: 1)对不同时相图像进行配准; 2)对图像进行辐射校正; 3)进行变化检测(包括变化区域确定和识别变化类型)对图像进行几何纠正、大气纠正和地形纠正后,便可以利用纠正后的图像探测不同时期发生的变化。现存的变化检测方法存在着以下的问题,现有的方法很少提供或者根本没有提供地物究竟发生了什么变化的信息。在许多变化检测的方法中,需要确定阈值,而阈值往往由人们的经验所决定。因为还没有一个完备的理论来指导人们如何选定阈值;大多的方法是半自动的,需要人工干预;许多的方法没有考虑检测的两幅或多幅影像之间的相互关系。这样就造成在检测中往往将两幅影像所有的像素都拿来做比较运算。这其实是不必要的。因为,通常情况下有很多的地物其实没有发生变化,可以在检测之前将这些像素滤除掉;绝大多数的分类方法对数据的统计分布要求比较严格,方法在实施时,需要知道数据的统计模型;大多的方法在检测出变化的像素后,把这结果作为是肯定( deterministic) 。如果配准的过程中精度稍差,那么检测结果将受到很大的影响。应通过一定的手段,对检测后的结果进一步分析,去除这些影响。现在很多研究者将不确定性理论和模糊理论引入变化检测。

4国内摄影测量的不足

国内涉及摄影测量和计算机视觉方面的文献很多，但明确介绍摄像测量的文献很少。中国在这方面的研究，尤其是产品化方面的工作还很不够。在国际有关摄像测量的产品博览会上，各种知识产权的应用产品林林种种，但是中国具有自主知识产权的应用产品却相对甚少。

参考文献（References）

[1] 于起峰, 陆宏伟, 刘肖琳. 基于图像的精密测量与运动测量[M]. 北京:

科学出版社, 2002.

Yu Qifeng, Lu Hongwei, Liu Xiaolin. Precise measurement and motion

metric based on image[M]. Beijing: Science Press, 2002.

[2] 尚洋, 李立春, 雷志辉, 等. 摄像测量技术在国防试验与航天器对接

中的应用研究[J]. 实验力学, 2005, 20(增刊): 91-94.

Shang Yang, Li Lichun, Lei Zhihui, et al. Journal of Experimental Mechanics, 2005, 20(Suppl): 91-94.

[3] 李立春, 张小虎, 刘晓春, 等. “华南虎”照片的摄像测量研究[J]. 科技

导报, 2008, 26(1): 59-67.

Li Lichun, Zhang Xiaohu, Liu Xiaochun, et al. Science and Technology Review, 2008, 26(1): 59-67.

[4]杨博.数字摄影测量技术在交通事故现场勘测中的应用方法研究.上海交通大学机械动力与工程学院 2010 年 2 月

[5]何力.基于WebService的摄影测量技术研究与实现

[6] 苏逸平浅谈当代摄影测量的发展与应用.地矿测绘2005, 21 (3) : 28～29.