摄影测量技术与测量机器人技术的各自优缺点

摄影测量技术的工作原理以变形监测为例说明摄影测量技术与测量机器人技术的各自优缺点探讨其协同工作的原理和方法

摄影测量技术与测量机器人技术的探讨比较

龚伟周君豫唐致发范旭烊陈嘉瑞刘邦燚李燚赖亮一、摄影测量技术的工作原理

摄影测量学有二百多年的历史了。最初叫图形量学（或译作量影术）。1837年，发明摄影技术后，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——透视几何理论。1839年，法国报到了摄影像片的产生后，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。劳塞达被公认为“摄影测量之父”。航空技术发达以后，摄影测量学被称为航空摄影测量学。1975年，卫星上天后，航空测量发展到了航天摄影测量。

通过上世纪八九十年代对数字摄影测量的研究、开发与推广，进入21世纪，我国数字摄影测量以世人难以想象的速度发展，数字摄影测量工作站在中国的摄影测量生产中获得了普遍的应用与推广，摄影测量的教学也由过去只有少数院校才能进行的“贵族”式的教学得到了极大的普及。目前，全国至少有40多所大专院校的测绘工程专业开设摄影测量课程，这极大地拓宽了摄影测量所需人才的培养渠道。

随着航天技术、通信技术和信息技术的飞速发展, 人们将可以从各种航天、近空间、航空和地面平台上用紫外、可见光、红外、微波、合成孔径雷达、激光雷达、太赫兹等多种传感器获取

多种比例尺的目标影像, 大大提高其空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率, 形成天地一体化摄影测量与遥感的数据获取方法, 为人们提供愈来愈多的影像和非影像数据。随着新一代全球卫星导航定位系统( GNSS)的发展, 定位系统将以更高的精度自动测定各类传感器的空间位置和姿态, 从而实现无地面控制的高精度、实时摄影测量与遥感。

（一）关于摄影测量

1.摄影测量学的定义和任务

摄影测量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。传统摄影测量学定义：是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。摄影测量学是测绘学的分支学科，它的主要任务是用于测绘各种比例尺的地形图、建立数字地面模型，为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据。摄影测量学要解决的两大问题是几何定位和影像解译。几何定位就是确定被摄物体的大小、形状和空间位置。几何定位的基本原理源于测量学的前方交会方法，它是根据两个已知的摄影站点和两条已知的摄影方向线，交会出构成这两条摄影光线的待定地面点的三维坐标。影像解译就是确定影像对应地物的性质。

2.摄影测量的特点

在影像上进行量测和解译，主要工作在室内进行，无需接触物体本身，因而很少受气候、地理等条件的限制；所摄影像是客观物

体或目标的真实反映，信息丰富、形象直观，人们可以从中获得所研究物体的大量几何信息和物理信息；可以拍摄动态物体的瞬间影像，完成常规方法难以实现的测量工作；适用于大范围地形测绘，成图快、效率高；产品形式多样，可以生产纸质地形图、数字线划图、数字高程模型、数字正摄影像等。

（二）摄影测量的发展阶段

起初，为了避免“繁琐的计算”，人们只好利用光学器械“模拟”装置，实现了复杂的摄影测量计算。这就是所谓的“模拟摄影测量”阶段；后来，随着摸数转换技术、计算机技术与自动控制技术的发展，人们利用计算机实时地进行共线方程的解算，从而交会出被摄物体的空间位置，实现了“数字投影代替物理投影”的梦想，迈进了“解析摄影测量”阶段；到了现代，随着计算机技术的进步及其应用的发展以及数字图像处理、模式识别、人工智能、计算机视觉等学科的不断发展，摄影测量技术与理论的各个环节都“数字化”了，尤其是数字影像（如SPOT影像）或数字化图像更多地代替了（航空）像片；计算机视觉代替了人眼的立体观测；计算机及其外设代替了昂贵的立体摄影测量仪器—人类跨进了数字摄影测量时代，而且数字摄影测量的内涵已远远超过了传统摄影测量的范围，成为摄影测量学与计算机科学的交叉科学。从以上的分析中，我们不难体会到高新技术对传统学科的推动作用。

二、测量机器人技术

测量机器人又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。

它的技术组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获和集成传感器等八大部分。坐标系统为球面坐标系统, 望远镜能绕仪器的纵轴和横轴旋转, 在水平面360°、竖面180°范围内寻找目标；操纵器的作用是控制机器人的转动；换能器可将电能转化为机械能以驱动步进马达运动；计算机和控制器的功能是从设计开始到终止操纵系统、存储观测数据并与其他系统接口, 控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统；闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器, 以进行跟踪测量或精密定位；决定制作主要用于发现目标, 如采用模拟人识别图像的方法(称试探分析) 或对目标局部特征分析的方法(称句法分析) 进行影像匹配；目标获取用于精确地照准目标, 常采用开窗法、阀值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等；集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。由影像传感器构成的视频成像系统通过影像生成、影像获取和影像处理, 在计算机和控制器的操纵下实现自动跟踪和精确照准目标, 从而获取物体或物体某部分的长度、厚度、宽度、方位、2 维和3 维坐标等信息, 进而得到物体的形态及其随时间的变化。

有些自动全站仪还为用户提供了一个二次开发平台，利用该平台

开发的软件可以直接在全站仪上运行。利用计算机软件实现测量过程、数据记录、数据处理和报表输出的自动化，从而在一定程度上实现了监测自动化和一体化。

全站仪如下图：

全站仪三角高程测量具有效率高，实施灵活等优点，经研究并通

过实践验证，在对观测结果进行相关改正的条件下，全站仪三角高程测量完全能达到三、四等水准测量的精度要求，同时可借助Excel 所具备的强大数据处理能力，使观测数据的处理更为方便快捷。

三、变形监测

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。在精密工程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。

变形监测的内容，应根据变形体的性质和地基情况决定。对水利工程建筑物主要观测水平位移、垂直位移、渗透及裂缝观测，这些内容称为外部观测。为了了解建筑物(如大坝)内部结构的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容常称为内部观测，在进行变形监测数据处理时，特别是对变形原因做物理解释时，必须将内、外观测资料结合起来进行分析。变形监测的首要目的是要掌握水工建筑物的实际性状，科学、准确、及时的分析和预报水利工程建筑物的变形状况，对水利工程建筑物的施工和运营管理极为重要。变形监测涉及工程测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等诸多学科的知识，它是一项跨学科的研究，并正向边缘学科的方向发展。

变形监测工作的意义主要表现在两个方面：首先是掌握水利工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括根本的理解变形的机理，提高工程设计的理论，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。

根据《工程测量规范GB 50026-2007》，变形监测是指对建构筑物及其地基、建筑基坑或一定范围内的岩体及土体的位移、沉降、倾斜、挠度、裂缝和相关影响因素（如地下水、温度、应力应变等）进行监测，并提供变形分析预报的过程。