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近景摄影测量

学生课题论文

论文题目：

近景摄影测量技术发展现状和趋势

学院：

土木工程学院

年级专业班：

学生姓名：

学生学号：

指导老师：

提交时间：

2016年6月

成绩

教师签名

近景摄影测量技术发展现状和趋势

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；）

摘要

近景摄影测量是通过摄影（摄像）和随后的图像处理与摄影测量处理以获得被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。

在近景摄影测量中,物体到相机的距离有一定限度，一般说来、最大300米，若把低倍和缩微摄影包括进去,最小可达几个毫米。

关键词：

近景摄影测量，发展史，研究现状，应用，发展趋势

0引言

近景摄影测量的发展，在国际上已有五六十年的历史。

国际摄影测量与遥感协会下属的一个专门组织，称之为近景摄影测量与机器视觉委员会。

在它的组织下，每两年召开一次国际性的学术讨论会。

上世纪中期,随着摄影测量由单纯的地形摄影测量扩展到非地形摄影测量。

产生了一个新的分支一非地形摄影测量。

非地形摄影测量是对非地形目标进行摄影并确定其外形、形态和几何位置的技术。

与其它测量手段相比,近景摄影测量的优点在于它兼有非接触性量测手段、不伤及被测物体、信息容量大、易存储、可重复使用等,特别适用于测量具有大批量的目标、躲避危险环境而远离摄影对象等工程。

随着计算机技术和数据处理技术的发展,现代近景摄影测量技术已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、城市区域规划、医学、生物、古建筑与古文物研究、考古等部门。

原则上,凡是可获得其影像的各类目标,都可以使用近景摄影测量的相关技术,以某种精度测定和研究它的形状、大小以及运动参数等。

目前,几乎找不到未使用该技术的行业。

本文将主要阐述近景摄影测量技术的发展历程、研究现状、应用和未来的发展趋势。

1近景摄影测量技术的发展历史

近景摄影测量本身是摄影测量的一种，因此它的发展历程在前期是和摄影测量一样的，比较公认的近景摄影测量的发展大致可以分为三个阶段。

1.1模拟法近景摄影测量

模拟法近景摄影测量的盛期始于二十年代。

所用仪器全能测图仪是以航片为主要工作对象的仪器,复杂而昂贵,对近景摄影测量不大理想。

目前在近景摄影测量中效力的模拟测图仪主要有三种:

正直式（如:

WildA40立体测图仪与C120立体测量相机系统）全能式（如:

ZeissC—8）,和测图式（如:

JenoPtikTo-oPcart）。

具有固定基线和焦距的立体侧量相机和正直式立体测图仪,在1920年至1960年间,对包括建筑、考古、生物立体观测、工程测量、工业、林业以及其它种类的近景摄影测量的发展起到很大作用。

1.2解析法近景摄影测量

受益于电子技术的发展,立体测图仪在配备了模型记录装置以后,可毫不费力地实现坐标转换、面积和体积的数值计算。

计算可在机助立体测图仪上以脱机方式进行,也可在带自动绘图桌的数字立体测图仪（如:

KernDSR—11解析测图仪）上联机进行。

在模型尺寸、绘图尺寸、重叠和基线安置上,解析测图仪没有模拟仪器的那种制,可用来进行近乎各种近景象片的量测、包括非测量象片。

由坐标最测仪或数字测图仪的象片坐标读数产生的立体模型和摄影光束,可用解析法董新建立。

这为近景摄影测量开辟了一条新路,从而使具有不同定向的各种类型的摄影机均适于应用。

传感系统虽不属软片相机之列,但X光型,扫描发射电子显微镜和固态相机亦适于摄影测量目的。

1.3数字近景摄影测量

近景摄影测量的现今发展阶段就是数字近景摄影测量阶段了，数字法能将摄影测量和其它数据的计算结合起来进行,这使全程序化的量测过程效果更佳。

例如:

由加拿大国家研究院和新不伦斯瑞克大学编制的计算机程序GEBAT；1974年王在其论文中提到的程序SAPGO以及Larrsson于1983年论述的程序GENJI.Hotjier和Tor-Legard曾建议,在像片几何关系最佳化以后使用“多项次法”（multi一approach）即多摄站——多于为产生一个立体模型所需的两个摄站；多幅摄影；多次量测及多个模型等。

为了提高成果精度和可靠性,可采用数字滤波法进行粗差检测。

2近景摄影测量测量技术的的研究现状

2.1近景摄影测量技术的主要特点

近景摄影测量技术在现发展阶段的主要包括数字近景摄影测量技术和三维激光扫描技术，从实际应用中看两种技术的综合应用是线阶段近景摄影测量技术发展的正轨。

2.1.1数字近景摄影测量

基于传统光学胶片的摄影测量技术,由于处理胶片的步骤繁多以及时间冗长,难以满足现代快速定位、实时质量控制等应用领域的需求。

最近十几年,随着固态摄像机和CCD图像传感器以及相应摄影测量系统的出现,实现了数字影像数据从传感器到处理系统之间的快速传输,数字摄影测量技术由此应运而生。

数字近景摄影视觉测量是建立在数字成像、图像处理与识别以及精密测量原理基础上的新型工业现场三维精密测量技术,目前该技术在一般工业测量范围内,已能实现工业经纬仪系统和激光干涉跟踪测量系统类似的测量精度,而测量自动化水平大大提高,呈现良好的应用前景。

近年来,数字成像器件和以计算机为基础的图像处系统性能迅速提高,成本下降,使数字近景摄影视觉测量更具发展潜力。

同时数字摄影测量技术通过与PS/INS等进行多传感器集成,快速采集目标表面三维信息,并自动或半自动生成DOM、等值线图等,在道路测量等领域初步实现了数字摄影测量的实时化。

2.1.2三维激光扫描技术

三维激光影像扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。

它通过高速激光扫描测量的方法,以被测对象的采样点（离散点）集合一称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。

可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

三维激光影像扫描技术又“实景复制技术”,它可以深人到任何复杂的现场环境中进行扫描操作,并直接将各种实体的三维数据完整的采集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

同时,它所采集的只维激光点云数据还可进行各种后处理工作（如:

测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等）。

所有采集的三维点云数据及不维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接应用。

三维激光影像扫描仪小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强,能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像,提供准确的定量分析。

可以广泛应用于各行各业,如:

快速建立城市模型、古建测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测以及在安全方面的应用等。

2.1.3现代技术的应用特点

在进行三维建模数据的采集工作中,数字近景摄影测量技术数据量小,能够真实表达物体表面的纹理信息,在特征点的选取上相对较灵活,但其数据采集效率低,在控制点稀疏区域影像模型精度较差；三维激光影像扫描仪以空间点云数据的形式快速获得物体表面的精确几何信息,但是在物体复杂部位表面采集到的点云数据存在着较多的空洞现象（尤其在古建筑表面）,仅采用三维激光影像扫描仪采集的数据信息将不可避免的存在工程中称为死角的地方，同时激光点云数据缺乏符合人体视觉习惯的纹理信息。

因此,在物体三维数据采集过程中将数字摄影测量技术与地面激光扫描成像技术的研究成果结合起来,从而准确快速地获取目标空间信息是现代近景摄影测量技术的一个重要应用特点。

2.2数据获取系统

测量与非测量相机均可用于近景摄影测量。

非测量相机的内定向叁数特点是全部或部分为未知,而且往往也不稳定。

有关测量相机的传统定义即有固定不变的内定向已不再成立,因为70年代生产的可调焦相机就是一种测量相机,如WildP31和JenoptikUKM1318等。

2.2.1测量相机

测量相机的径向畸变甚小,因而可以忽略不计。

不过,为了满足高精度的需要,业已研制成功几种能够顾及镜头径向、切向及软片变形的复杂机型。

一般认为,玻璃板（摄影硬片）作为一种记录介质在横向尺寸的稳定性上优于软片,所以测量相机大都用它来替代软片。

不过,Caets和Brown等人最近的研究结果否定了上述看法。

原来,用板幅尺寸为9×9英时、厚度约0.25英时的微型平面板进行趣高精度量测中,虽然其最佳拟合面偏差往往超过士0.0005英时,但在对象面进行量测时,该面实际上可用数学方法平整到完美的程度。

在CRC一1型最新近景测量相机上,有一超平度格网压平板,它可保持软片尺寸的稳定。

据报道,CRC一1相机软片在曝光瞬间的平整度在±0.0001胜英时以内。

2.2.2非量测相机

非测量相机调焦灵活、分辨力高、价格低,在非地形摄影测量中的应用越来越多。

近来,解析法数据归算有了重大发展。

这使非测量相机成为可行的近景摄影测量数据获取系统。

理论上和实践上均已证明,在适当解析法数据归算方案的支持下,非测呈相机在1：

6000—1:

10000摄影距离或更佳距离以内可以给出较高的相对精度。

若采用“多项次”法,则精度还可明显提高。

非测量相机数据归算的方法有别,其中有直接线性变换法,十一位参数解法和简化十一位参数解法。

最早专为解析空中三角测量而发展的光束平差法也能用于非测量象片的数据归算。

不过,由于光束法涉及相机常数,所以对非测量相机并不适合。

全控投影变换法可使非测量象机成为有用的量测工具。

2.2.3仪器设备的研制

虽然基于全数字化的摄影测量自动化是近景摄影测量的必由之路,但目前人们把仪器设各的研制目标仍瞄准在人工操作的数字化式的形式上。

日本Sokakish公司正在研制一种新型解析仪器。

它既有解析仪功能,又能进行图像处理,有准实时处理能力,主要为各类近景摄影测量工程服务。

该仪器像片盘量测范围为83mm×83mm；光路系统放大8一20倍,作业精度不低于5μm,用两台CCD进行图像采样,体积为60cm×50cm×50cm,重50kg。

主处理器32bit,80386CPU和80387协处理器,RAM区有3MB,MS一DOS操作系统,主要程序用C语言,主处理有像机、CCD及像片盘检校；内定向、相对定向、绝对定向及DLT运算,在阶段处理中作数据采集、图像处理工作,能绘图。

武仅测绘科技大学推出一种微型单像坐标量测仪,专为近景摄影测量、航片投影及线划图数字化而设计的中等精度廉价设备。

它可以替代昂贵的航测仪器进行非量测像机拍摄的像片坐标量测、单片投影,替代数字化板进行线划图几何量测。

主要功能有在线量测、动态显示、实时定向、数据检测及编辑、DLT运算和绘制图件等

2.3解算方法—直接线性变换新思想

1971年,Abdel一Aziz和Karora推出直接线性变换（DLT）解析方法,推动了非量测像机在近景摄影测量中的应用。

然而,DLT解求未知数的精度低,它将系统误差包络在未知参数中合成一种抽象参数,不便作深入分析。

对此,近年来国内一些绘测工作者进行了深入研究,提出了新的解析方法。

国防科技大学提出一种分部运算的方法。

其基本思想是作几组检验,求出非量测像相摄影时的焦距,并在像框上设置参考标志以确定像主点坐标,而后作相对定向—绝对定向分部求解目标点物方坐标。

此时只需要三个物方控制点,解算精度比现有DLT高。

这种方法的实质在于事先确定像机内方位元素前提下,按量测像机光线束法进行常规解算。

此外,笔者在这次学术会议上推荐了非正交基上的直接线性变换解析模型。

设想非量测像机作业中实际存在的系统误差导致像方坐标量测是在非正交基上进行的,以此建立非正交基到正交基的直接线性变换模型,于是得到了从数学意义上更为广泛定义的共线方程。

用它来分析系统误差,进行像机检定有明显的优点。

3近景摄影测量技术的实际应用

近景摄影测量技术最早应用于建筑测量,国内应用最多的是文物古迹测绘。

在FIG学术会议上有关龙门石窟、云岗、大足石窟雕塑测绘工作的报导。

近年来近景摄影测量应用的一个突出领域是建筑物形变及边坡稳定性监测。

如中美合作进行的葛洲坝大型船闸变形监测,武汉测绘科技大学关于二滩滑坡区监测等。

变形观测的一个重要问题是测量方法的精度。

葛洲坝船闸变形观测确定目标点的点位精度达到摄影距离的1/30000左右。

测量结果证明,摄影测量模型的几何构形,包括摄影几何条件、摄站位置及控制点布设对测量精度的影响很灵敏。

二滩滑坡监测中使用了长焦距摄影机UMK30/1318。

用亏秩自检校光束法平差,用岭估计法改善过渡参数化。

近景摄影测量在地质矿山测量中应用更多。

如对矿山岩层位移机理的观测,神农架某处岩层产状产面测量等,类似的报告前20年不多见。

水力学及水工工程方面,河海大学的研究人员在会上介绍了他们在这些领域的研究工作。

利用特殊摄影技术、特殊摄影测量处理方法为某些专业的特殊需要服务独具特色。

例如用电子扫描显微镜测量龙眼花粉的工作,把摄影测量从山川楼阁等宏观世界引入微细世界,这是摄影测量学和抱粉形态学两门学科的结合,为龙眼花粉形态分类、品种改良及遗传变异研究提供分析数据。

又如北京测绘研究所用视频摄像机获取眼底图像,经图像增强与预处理、几何纠正、边界提取、立体量测获得资料,供医生诊断视神经是否有变异。

利用这套医用图像处理系统获得了两个像素的测量精度。

这项工作无需实时处理,可以作立体摄影测量。

值得一提的是伦敦市立大学M.A.R.Coper在会上作了“利用航空和近景摄影测量进行城市发展规划设计三维数字制图”的报告,介绍了伦敦市立大学土木工程系为城市发展所作的CAD结合摄影测量规划设计的三维数字制图工作。

有了城市开发区的像片,用解析测图仪就可为CAD一提供丰富的空间数据。

CAD考虑到现有建筑物及其相关数据,生成从某一视点出发的鸟瞰图、根据不同的数据、设计思想交互绘图并测试其视觉效果,获得设计中的新建筑物设计坐标,供下一阶段施工放样使用。

伦敦市立大学的这种交互制图系统（IMA）为城市发展的环境及经济因素、新建筑物的美学观提供了有价值的基础资料和设计方案。

这是摄影测量与CAD巧妙结合的一个实例。

4近景摄影测量的发展趋势

综合近景摄影测量技术发展现状的特点，其发展趋势主要为以下几个方面：

1、继续努力提高近景摄影测量成果的可靠性和精度；

2、发展模块式完整数据归算系统,满足低、中、高以及超高精度的要求；

3、继续改进测量、非测量象片的脱机和联机数据归算系统；

4、继续编制和改进用于各种类型解析测图仪和测量、非测量象片的近景测量软件包；

5、改善和编制微机软件包（微机技术发展极快,预计随着软件的发展,将有许多新的应用出现；

6、发展用于非常规近景图象数据归算的软件包；

7、把摄影测量结合为生产系统；

8、改进、发展数字联机摄影测量和自动尸化；

9、继续研制提高水下摄影测量系统；

10、研究快速取得成果的手段和方法；

11、研究成本问题并对管理提出建议；

12、在近景摄影测量的各个方面加强以摄影测量人员为一方、工程人员和其它科学工作；

参考文献

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[2]徐介民,近景摄影测量及其在我国的应用概况[J]，冶金部成都勘察研究院

[3]冯文灏：

近景摄影测量[M].一.武汉:

武汉大学出版社,2002.

[4]周克勤等.近景摄影测量技术在数字城市中的应用[J].北京测绘.2007.1

[5]魏永华,从第58届FIG学术讨论会看近景摄影测里的发展[J].河海科技进展,1991.12

[6]王佩军.徐亚明：

摄影测量[M].一.武汉:

武汉大学出版社,2005.

EnglishTitle

Closeshotphotogrammetrytechnologydevelopmentstatusandtrends

Chongqingjiaotonguniversityinstituteofcivilengineering,the400074

Abstract

Closeshotphotogrammetryisthroughphotography（camera）andthesubsequentimageprocessingandphotogrammetricprocessingforsubjecttargetshape,size,andmotionstateofatechnology.Incloseshotphotogrammetry,objectstothedistanceofthecamerahasalimit,generallyspeaking,themaximumof300meters,ifthelowpowerandminiaturephotographyincluded,thesmallestafewmillimeters.