對攝影測量基本原理的認(rèn)識

1、對攝影測量基本原理的認(rèn)識（貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 測繪工程 09級2班）內(nèi)容摘要攝影測量【photogrammetry】有二百多年的歷史了。通過對攝影測量的學(xué)習(xí)和認(rèn)識。本文從攝影測量最基本的原理出發(fā)，簡單回顧了它的發(fā)展歷程，本文立足于對武漢大學(xué)第二版攝影測量教程的學(xué)習(xí)以及對攝影測量基礎(chǔ)知識的了解和認(rèn)識后，闡述了攝影測量的一些基本知識。著重闡述了當(dāng)代攝影測量技術(shù)最新理論的發(fā)展。尤其是對攝影測量的分類，分別闡述大地?cái)z影測量、航空攝影測量、航天攝影測量的一些基本原理后相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。對大地?cái)z影測量、航空攝影測量的內(nèi)外業(yè)的有關(guān)步驟和相應(yīng)技術(shù)作了一定的論述。最后，總結(jié)出自己的在學(xué)習(xí)過程中的對攝影測量的認(rèn)識，作為

2、測繪專業(yè)學(xué)生，我更看到新的希望。關(guān)鍵詞：攝影測量 測量技術(shù) 基本原理 航天技術(shù) 目錄一、引言3二、攝影測量概述3（一）關(guān)于攝影測量31.攝影測量學(xué)的定義和任務(wù)32.攝影測量的特點(diǎn)3（二）攝影測量的發(fā)展階段4三、攝影測量學(xué)的分類4（一）地面攝影測量41.地面攝影測量的基本原理42.地面立體攝影測量的攝影方式43.地面攝影測量分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作5（二）航空攝影測量51.航空攝影測量的基本原理52.航空攝影測量的測圖方法63.航空攝影測量的作業(yè)分外業(yè)和內(nèi)業(yè)7（三）航天攝影測量71.航天攝影測量的基本原理82.航天攝影測量的特點(diǎn)83.航天攝影測量的應(yīng)用前景8四、結(jié)語8一、引言攝影測量學(xué)有二百多年的

3、歷史了。最初叫圖形量學(xué)（據(jù) Iconometry 而來，或譯作量影術(shù)）。1837年，發(fā)明攝影技術(shù)后，才叫攝影測量學(xué)。數(shù)學(xué)家勃蘭特早在18世紀(jì)就論述了攝影測量學(xué)的基礎(chǔ)透視幾何理論。1839年，法國報(bào)到了攝影像片的產(chǎn)生后，攝影測量學(xué)開始了它的發(fā)展歷程。19世紀(jì)中葉，法國陸軍上校勞塞達(dá)利用所謂“明箱”裝置，測制了萬森城堡圖。勞塞達(dá)被公認(rèn)為“攝影測量之父”。航空技術(shù)發(fā)達(dá)以后，攝影測量學(xué)被稱為航空攝影測量學(xué)。1975年，衛(wèi)星上天后，航空測量發(fā)展到了航天攝影測量。通過上世紀(jì)八九十年代對數(shù)字?jǐn)z影測量的研究、開發(fā)與推廣，進(jìn)入21世紀(jì)，我國數(shù)字?jǐn)z影測量以世人難以想象的速度發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z影測量工作站在中國的攝影測量

4、生產(chǎn)中獲得了普遍的應(yīng)用與推廣，攝影測量的教學(xué)也由過去只有少數(shù)院校才能進(jìn)行的“貴族”式的教學(xué)得到了極大的普及。目前，全國至少有40多所大專院校的測繪工程專業(yè)開設(shè)攝影測量課程，這極大地拓寬了攝影測量所需人才的培養(yǎng)渠道。二、攝影測量概述（一）關(guān)于攝影測量1.攝影測量學(xué)的定義和任務(wù)攝影測量【photogrammetry】指的是通過影像研究信息的獲取、處理、提取和成果表達(dá)的一門信息科學(xué)。傳統(tǒng)攝影測量學(xué)定義：是利用光學(xué)攝影機(jī)獲取的像片，經(jīng)過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系的一門學(xué)科。攝影測量學(xué)是測繪學(xué)的分支學(xué)科，它的主要任務(wù)是用于測繪各種比例尺的地形圖、建立數(shù)字地面模型，為各種地理信

5、息系統(tǒng)和土地信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。攝影測量學(xué)要解決的兩大問題是幾何定位和影像解譯。幾何定位就是確定被攝物體的大小、形狀和空間位置。幾何定位的基本原理源于測量學(xué)的前方交會方法，它是根據(jù)兩個(gè)已知的攝影站點(diǎn)和兩條已知的攝影方向線，交會出構(gòu)成這兩條攝影光線的待定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。影像解譯就是確定影像對應(yīng)地物的性質(zhì)。2.攝影測量的特點(diǎn)在影像上進(jìn)行量測和解譯，主要工作在室內(nèi)進(jìn)行，無需接觸物體本身，因而很少受氣候、地理等條件的限制；所攝影像是客觀物體或目標(biāo)的真實(shí)反映，信息豐富、形象直觀，人們可以從中獲得所研究物體的大量幾何信息和物理信息；可以拍攝動(dòng)態(tài)物體的瞬間影像，完成常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的測量工作；適用于大范

6、圍地形測繪，成圖快、效率高；產(chǎn)品形式多樣，可以生產(chǎn)紙質(zhì)地形圖、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正攝影像等。（2） 攝影測量的發(fā)展階段起初，為了避免“繁瑣的計(jì)算”，人們只好利用光學(xué)器械“模擬”裝置，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的攝影測量計(jì)算。這就是所謂的“模擬攝影測量”階段；后來，隨著摸數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，人們利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行共線方程的解算，從而交會出被攝物體的空間位置，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字投影代替物理投影”的夢想，邁進(jìn)了“解析攝影測量”階段；到了現(xiàn)代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及其應(yīng)用的發(fā)展以及數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺等學(xué)科的不斷發(fā)展，攝影測量技術(shù)與理論的各個(gè)環(huán)節(jié)都“數(shù)字化”了，

7、尤其是數(shù)字影像（如SPOT影像）或數(shù)字化圖像更多地代替了（航空）像片；計(jì)算機(jī)視覺代替了人眼的立體觀測；計(jì)算機(jī)及其外設(shè)代替了昂貴的立體攝影測量儀器人類跨進(jìn)了數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代，而且數(shù)字?jǐn)z影測量的內(nèi)涵已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)攝影測量的范圍，成為攝影測量學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉科學(xué)。從以上的分析中，我們不難體會到高新技術(shù)對傳統(tǒng)學(xué)科的推動(dòng)作用。三、攝影測量學(xué)的分類根據(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

8、和數(shù)字?jǐn)z影測量。在這里我主要就地面攝影測量、航空攝影測量加以論述。（一）地面攝影測量地面攝影測量（terrestrial photogrammetry ）是指利用安置在地面上基線兩端點(diǎn)處的攝影機(jī)向目標(biāo)拍攝立體像對，對所攝目標(biāo)進(jìn)行測繪的技術(shù)。用于險(xiǎn)阻高山區(qū)、小范圍山區(qū)和丘陵地區(qū)測圖，還用于地質(zhì)、冶金、采礦、水利、鐵道等方面的勘察。1.地面攝影測量的基本原理地面立體測量的從本思想是從外業(yè)攝影取立體像對,(在不同的兩個(gè)攝站對同一地區(qū)進(jìn)行攝影所得的兩張像片為一個(gè)立體像對)。再施測少量控制點(diǎn)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)一系列的處理，通過不同途徑，獲得被攝區(qū)我們所需要的地形圖。它的基本原理是前方交會原理。2.地面立體攝影測

9、量的攝影方式地面立體攝影測量的攝影方式可分為正直攝影, 左、右等偏攝影, 等傾攝影, 交向攝影等。下面分別介紹這幾種攝影的概念：正道攝影：是指左右兩站攝影時(shí), 攝影主光軸垂直于攝影基線的攝影。左（右）等偏攝影：是指在左、右兩站攝影時(shí), 攝影主光軸相對于正直攝影的攝影主光軸向左（右)等偏一個(gè)角度。等傾攝影：是指等傾攝影是指在攝影基線兩端，兩攝影機(jī)主光軸保持平行，相對于水平面傾斜相同角度的攝影。3.地面攝影測量分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作3.1 外業(yè)工作外業(yè)工作包括攝影和測量。攝影是在基線兩端點(diǎn)、用攝影經(jīng)緯儀或其他攝影機(jī)按一定方式分別攝影，以獲取目標(biāo)的立體像對。地形測量作業(yè)中常用正直攝影、等偏攝影兩種方

10、式進(jìn)行攝影。測量工作，先選攝影基線，后用普通測量方法測定基線長度、基線端點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，為內(nèi)業(yè)像片處理提供起始數(shù)據(jù)。3.2 內(nèi)業(yè)工作內(nèi)業(yè)成圖方法分為圖解法、模擬法和解析法。圖解法是根據(jù)立體坐標(biāo)量測儀量測出像點(diǎn)坐標(biāo)和左右視差值，按相似三角形關(guān)系設(shè)計(jì)一種圖板，用圖解法求出地面點(diǎn)的平面位置和高程。模擬法是利用地面立體測圖儀進(jìn)行測圖的方法。解析法是按一定的數(shù)學(xué)公式求出地面點(diǎn)在其地面輔助坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)。解析法適應(yīng)性強(qiáng)、精度高，是常用的方法。當(dāng)代的解析法地面攝影測量，是從解析攝影測量的基礎(chǔ)理論出發(fā)，依據(jù)地面控制點(diǎn)以及盡可能精確的攝影外方位元素進(jìn)行綜合平差運(yùn)算，從而取得地面攝影

11、測量較高的測點(diǎn)精度。這一方法可用于觀測結(jié)構(gòu)物的變形，如測求大壩變形和地面滑動(dòng)等數(shù)據(jù)。（二）航空攝影測量航空攝影測量【aerial photogrammetry】指的是在飛機(jī)上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點(diǎn)測量、調(diào)繪和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業(yè)。航空攝影測量的主題，是將地面的中心投影（航攝像片）變換為正射投影（地形圖）。這一問題可以采取許多途徑來解決。如圖解法、光學(xué)機(jī)械法（亦稱模擬法）和解析法等。在每一種方法中還可細(xì)分出許多具體方法，而每種具體方法又有其特有的理論。其中有些概念和理論是基礎(chǔ)性的，帶有某些共性，如像片的內(nèi)方位元素和外方位元素,像點(diǎn)同地面點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系式,共線條件

12、方程，像對的相對定向，模型的絕對定向和立體觀測原理等。 1.航空攝影測量的基本原理根據(jù)不同的用途與施測方法的不同航空攝影測量的基本原理分單張像片測圖原理、立體觀測原理。1.1 單張像片測圖的基本原理航空攝影測量單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，立體測圖的基本原理是投影過程的幾何反轉(zhuǎn)。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年代以后，開始應(yīng)用數(shù)學(xué)解析的方式來實(shí)現(xiàn)。1.2 立體觀測的基本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。得到人

13、造立體視覺須具備3個(gè)條件: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)；兩只眼睛分別觀察像對中的一張像片；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。2.航空攝影測量的測圖方法20世紀(jì)30

14、年代以來，航空攝影測量的測圖方法主要有3種,即綜合法、全能法和分工法（或稱微分法）。2.1 綜合法航空攝影測量的綜合法是攝影測量和平板儀測量相結(jié)合的測圖方法。屬單張像片測圖，地形圖上地物、地貌的平面位置由像片糾正的方法得出像片圖或線劃圖，地形點(diǎn)高程和等高線則用普通測量方法在野外測定。它適用于平坦地區(qū)的大比例尺測圖。 2.2 全能法航空攝影測量的全能法是根據(jù)攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)原理，置立體像對于立體測圖儀內(nèi)，建立起所攝地面縮小的幾何模型，借以測繪地形圖的方法，在立體測圖儀上安置像片時(shí)依據(jù)內(nèi)方位元素，目的是使恢復(fù)后的投影光束同攝影光束相似（也可在一定條件下變換投影光束）在立體模型上測地面點(diǎn)的平面位置

15、、高程和等高線，獲得地形圖的方法，主要適用于山地。由于像對的相對定向過程中并未加入控制點(diǎn)，只利用了像對內(nèi)在的幾何特性,所以建立的幾何模型的方位是任意的,模型的比例尺也是近似值，因此必須通過絕對定向才能據(jù)以測圖。全能法測圖的儀器是立體測圖儀。這類儀器形式繁多,根據(jù)投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為3種類型：建立實(shí)際投影光線束的光學(xué)投影式的；從投影中心至像點(diǎn)一方為實(shí)際的投影光線，而從投影中心至模型點(diǎn)一方則用方向?qū)U代替的光學(xué)機(jī)械投影式的;用一根貫穿3個(gè)萬向關(guān)節(jié)(它們分別代表像點(diǎn)、投影中心和模型點(diǎn))的方向?qū)U來代替投影光線的機(jī)械投影式的。前兩種型式的儀器現(xiàn)已基本淘汰了。2.3 分工法航空攝影測量的分工法（微分法）

16、是按照平面和高程分求的原則進(jìn)行測圖的一種方法。在立體測圖儀器上測定地面點(diǎn)高程和測繪等高線，地面點(diǎn)平面位置確定與綜合法相同，適用丘陵地區(qū)。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p,而兩個(gè)地面點(diǎn)的左右視差之差則稱之為左右視差較p，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(dòng)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

17、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(dòng)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，在這方面解析測圖儀已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)某删汀?.航空攝影測量的作業(yè)分外業(yè)和內(nèi)業(yè)3.1 外業(yè)工作航空攝影測外業(yè)工作包括：像片控制點(diǎn)聯(lián)測。像片控制點(diǎn)一般是航攝前在地面上布設(shè)的標(biāo)志點(diǎn)，也可選用像片上的明顯地物點(diǎn)（如道路交叉點(diǎn)等），用普通測量方法測定其平面坐標(biāo)和高程。像片調(diào)繪。是圖像判讀、調(diào)查和繪注等工作的總稱。在像片上通過判讀，用規(guī)定的地形圖符號繪注地物、地貌等要素；測繪沒有影像的

18、和新增的重要地物；注記通過調(diào)查所得的地名等。通過像片調(diào)繪所得到的像片稱為調(diào)繪片。調(diào)繪工作可分為室內(nèi)的、野外的和兩者相結(jié)合的3種方法。綜合法測圖。主要是在單張像片或像片圖上用平板儀測繪等高線。 3.2 內(nèi)業(yè)工作航空攝影測內(nèi)業(yè)工作包括：測圖控制點(diǎn)的加密。以前對于平坦地區(qū)一般采用輻射三角測量法，對于丘陵地和山地則采用立體測圖儀建立單航線模擬的空中三角網(wǎng)，進(jìn)行控制點(diǎn)的加密工作。20世紀(jì)60年代以來，模擬法空中三角測量逐漸地被解析空中三角測量代替。用各種光學(xué)機(jī)械儀器測制地形原圖。 （三）航天攝影測量航天攝影測量通俗地講是以衛(wèi)星、飛船和飛機(jī)等航天器為運(yùn)載工具, 利用各種傳感器在軌道空間獲取地球表面上的地物

19、、地貌影像等信息數(shù)據(jù), 通過系統(tǒng)軟件分析、處理形成各種用途專題地圖的測繪方法。航天攝影測量是伴隨著空間技術(shù)、攝影技術(shù)、圖像數(shù)字傳輸與處理、全球定位和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的測量新技術(shù), 從其原理與應(yīng)用角度看其應(yīng)屬于攝影測量學(xué)科的一個(gè)分支, 是航空攝影測量技術(shù)的進(jìn)一步拓展。1.航天攝影測量的基本原理航天攝影測量是航空攝影測量技術(shù)在空間攝影條件下的進(jìn)一步應(yīng)用, 由于其成像原理與航空攝影有著本質(zhì)的區(qū)別, 因此, 在技術(shù)上同樣有著與其相區(qū)別的處理方法。但就其原理講與航空攝影測量沒有本質(zhì)的區(qū)別, 同樣是利用立體影象進(jìn)行立體模型的恢復(fù)與建立, 從而測繪出一定比例尺的地形圖。2.航天攝影測量的特點(diǎn)航天攝影測量與傳統(tǒng)的測量技術(shù)如大小平板、航空攝影測量、全野外數(shù)字采集等相比, 除了具備成圖周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度低外,還具有其獨(dú)生氣勃勃的優(yōu)勢, 主要體現(xiàn)在如下方面:不受地區(qū)和國界的限制；獲取資料迅速, 為快速成圖和地圖更新開避了一條嶄新的途徑；有降低測繪成本的空間。3.航天攝影測量的應(yīng)用前景測量技術(shù)伴隨著社會的前進(jìn)而發(fā)展, 同時(shí)又不斷地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。實(shí)際上某個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)要發(fā)展, 城市要建設(shè), 測繪必須先行, 因此, 人們早已把測量工作看作經(jīng)濟(jì)發(fā)展的晴雨表。幾十年的風(fēng)雨歷程, 測繪已在國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和發(fā)展過程中起到了令世人矚目的作用。特別是近幾年, 由于數(shù)字地球建設(shè)步伐的進(jìn)一步加快