对摄影测量基本原理的认识.docx

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对摄影测量基本原理的认识

对摄影测量基本原理的认识

（贵州大学矿业学院测绘工程09级2班）

内容摘要

摄影测量【photogrammetry】有二百多年的历史了。

通过对摄影测量的学习和认识。

本文从摄影测量最基本的原理出发，简单回顾了它的发展历程，本文立足于对武汉大学第二版《摄影测量》教程的学习以及对摄影测量基础知识的了解和认识后，阐述了摄影测量的一些基本知识。

着重阐述了当代摄影测量技术最新理论的发展。

尤其是对摄影测量的分类，分别阐述大地摄影测量、航空摄影测量、航天摄影测量的一些基本原理后相关技术要点。

对大地摄影测量、航空摄影测量的内外业的有关步骤和相应技术作了一定的论述。

最后，总结出自己的在学习过程中的对摄影测量的认识，作为测绘专业学生，我更看到新的希望。

关键词：

摄影测量测量技术基本原理航天技术

一、引言

摄影测量学有二百多年的历史了。

最初叫图形量学（据Iconometry而来，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。

二、摄影测量概述

（一）关于摄影测量

1.摄影测量学的定义和任务

摄影测量【photogrammetry】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。

三、摄影测量学的分类

根据摄影时摄影机所处的位置的不同，摄影测量学可分为地面摄影测量、航空摄影测量和航天摄影测量。

根据应用领域的不同，摄影测量学又可分为地形摄影测量与非地形摄影测量两大类。

根据技术处理手段的不同（也是历史阶段的不同），摄影测量学又可分为模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量。

在这里我主要就地面摄影测量、航空摄影测量加以论述。

（一）地面摄影测量

地面摄影测量（terrestrialphotogrammetry）是指利用安置在地面上基线两端点处的摄影机向目标拍摄立体像对，对所摄目标进行测绘的技术。

用于险阻高山区、小范围山区和丘陵地区测图，还用于地质、冶金、采矿、水利、铁道等方面的勘察。

1.地面摄影测量的基本原理

地面立体测量的从本思想是从外业摄影取立体像对,（在不同的两个摄站对同一地区进行摄影所得的两张像片为一个立体像对）。

再施测少量控制点，经过内业一系列的处理，通过不同途径，获得被摄区我们所需要的地形图。

它的基本原理是前方交会原理。

2.地面立体摄影测量的摄影方式

地面立体摄影测量的摄影方式可分为正直摄影,左、右等偏摄影,等倾摄影,交向摄影等。

下面分别介绍这几种摄影的概念：

正道摄影：

是指左右两站摄影时,摄影主光轴垂直于摄影基线的摄影。

左（右）等偏摄影：

是指在左、右两站摄影时,摄影主光轴相对于正直摄影的摄影主光轴向左（右）等偏一个角度。

等倾摄影：

是指等倾摄影是指在摄影基线两端，两摄影机主光轴保持平行，相对于水平面倾斜相同角度的摄影。

3.地面摄影测量分为外业工作和内业工作

3.1外业工作

外业工作包括摄影和测量。

摄影是在基线两端点、用摄影经纬仪或其他摄影机按一定方式分别摄影，以获取目标的立体像对。

地形测量作业中常用正直摄影、等偏摄影两种方式进行摄影。

测量工作，先选摄影基线，后用普通测量方法测定基线长度、基线端点和检查点的坐标和高程，为内业像片处理提供起始数据。

3.2内业工作

内业成图方法分为图解法、模拟法和解析法。

图解法是根据立体坐标量测仪量测出像点坐标和左右视差值，按相似三角形关系设计一种图板，用图解法求出地面点的平面位置和高程。

模拟法是利用地面立体测图仪进行测图的方法。

解析法是按一定的数学公式求出地面点在其地面辅助坐标系中的空间坐标，再转换为地面坐标。

解析法适应性强、精度高，是常用的方法。

当代的解析法地面摄影测量，是从解析摄影测量的基础理论出发，依据地面控制点以及尽可能精确的摄影外方位元素进行综合平差运算，从而取得地面摄影测量较高的测点精度。

这一方法可用于观测结构物的变形，如测求大坝变形和地面滑动等数据。

（二）航空摄影测量

航空摄影测量【aerialphotogrammetry】指的是在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业。

航空摄影测量的主题，是将地面的中心投影（航摄像片）变换为正射投影（地形图）。

这一问题可以采取许多途径来解决。

如图解法、光学机械法（亦称模拟法）和解析法等。

在每一种方法中还可细分出许多具体方法，而每种具体方法又有其特有的理论。

其中有些概念和理论是基础性的，带有某些共性，如像片的内方位元素和外方位元素,像点同地面点的坐标关系式,共线条件方程，像对的相对定向，模型的绝对定向和立体观测原理等。

1.航空摄影测量的基本原理

根据不同的用途与施测方法的不同航空摄影测量的基本原理分单张像片测图原理、立体观测原理。

1.1单张像片测图的基本原理

航空摄影测量单张像片测图的基本原理是中心投影的透视变换，立体测图的基本原理是投影过程的几何反转。

广义来说，前一情况的基本原理也是摄影过程的几何反转。

20世纪30年代以后，摄影过程的几何反转都是应用各种结构复杂的光学机械的精密仪器来实现的。

50年代以后，开始应用数学解析的方式来实现。

1.2立体观测的基本原理

立体观察的原理是建立人造立体视觉，即将像对上的视差反映为人眼的生理视差后得出的立体视觉。

得到人造立体视觉须具备3个条件:

①由两个不同位置（一条基线的两端）拍摄同一景物的两张像片（称为立体像对或像对）；②两只眼睛分别观察像对中的一张像片；③观察时像对上各同名像点的连线要同人的眼睛基线大致平行，而且同名点间的距离一般要小于眼基线（或扩大后的眼基距）。

若用两个相同标志分别置于左右像片的同名像点上，则立体观察时就可以看到在立体模型上加入了一个空间的测标。

为便于立体观察，可借助于一些简单的工具，如桥式立体镜和反光立体镜。

对于那种利用两个投影器把左右像片的影像同时叠合地投影在一个承影面上的情况，可采用互补色原理或偏振光原理进行立体观察，并用一个具有测标的测绘台量测。

2.航空摄影测量的测图方法

20世纪30年代以来，航空摄影测量的测图方法主要有3种,即综合法、全能法和分工法（或称微分法）。

2.1综合法

航空摄影测量的综合法是摄影测量和平板仪测量相结合的测图方法。

属单张像片测图，地形图上地物、地貌的平面位置由像片纠正的方法得出像片图或线划图，地形点高程和等高线则用普通测量方法在野外测定。

它适用于平坦地区的大比例尺测图。

2.2全能法

航空摄影测量的全能法是根据摄影过程的几何反转原理，置立体像对于立体测图仪内，建立起所摄地面缩小的几何模型，借以测绘地形图的方法，在立体测图仪上安置像片时依据内方位元素，目的是使恢复后的投影光束同摄影光束相似（也可在一定条件下变换投影光束）在立体模型上测地面点的平面位置、高程和等高线，获得地形图的方法，主要适用于山地。

由于像对的相对定向过程中并未加入控制点，只利用了像对内在的几何特性,所以建立的几何模型的方位是任意的,模型的比例尺也是近似值，因此必须通过绝对定向才能据以测图。

全能法测图的仪器是立体测图仪。

这类仪器形式繁多,根据投影系统的结构可分为3种类型：

①建立实际投影光线束的光学投影式的；②从投影中心至像点一方为实际的投影光线，而从投影中心至模型点一方则用方向导杆代替的光学机械投影式的;③用一根贯穿3个万向关节（它们分别代表像点、投影中心和模型点）的方向导杆来代替投影光线的机械投影式的。

前两种型式的仪器现已基本淘汰了。

2.3分工法

航空摄影测量的分工法（微分法）是按照平面和高程分求的原则进行测图的一种方法。

在立体测图仪器上测定地面点高程和测绘等高线，地面点平面位置确定与综合法相同，适用丘陵地区。

它是根据竖直摄影像对，量测左右视差较和在右方像片上勾绘等高线的一种仪器。

一个地面点在左、右两张像片上构像点的横坐标x的差值称左右视差p,而两个地面点的左右视差之差则称之为左右视差较Δp，这个Δp是该两点的高程差所引起的。

在量测左右视差较Δp的过程中，借助仪器上的改正机件,自动改正由摄影外方位元素带来的影响，使之等于理想像对的左右视差或左右视差较；而用高差公式计算高程差；然后用投影转绘仪把在像片上勾绘的等高线以及调绘的地物，进行分带投影转绘成地形图。

中国设计制造的X－2型视差测图仪是在立体量测仪的基础上，另加平面改正机件，改进后的仪器，在使用中可把分工法测图中的两个步骤一次解决，从而提高了作业效率。

意大利、联邦德国也有类似的仪器。

航空摄影测量的成图方法和仪器正在向着半自动化和自动化方向发展，在这方面解析测图仪已经有了相当的成就。

3.航空摄影测量的作业分外业和内业

3.1外业工作

航空摄影测外业工作包括：

①像片控制点联测。

像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点，也可选用像片上的明显地物点（如道路交叉点等），用普通测量方法测定其平面坐标和高程。

②像片调绘。

是图像判读、调查和绘注等工作的总称。

在像片上通过判读，用规定的地形图符号绘注地物、地貌等要素；测绘没有影像的和新增的重要地物；注记通过调查所得的地名等。

通过像片调绘所得到的像片称为调绘片。

调绘工作可分为室内的、野外的和两者相结合的3种方法。

③综合法测图。

主要是在单张像片或像片图上用平板仪测绘等高线。

3.2内业工作

航空摄影测内业工作包括：

①测图控制点的加密。

以前对于平坦地区一般采用辐射三角测量法，对于丘陵地和山地则采用立体测图仪建立单航线模拟的空中三角网，进行控制点的加密工作。

20世纪60年代以来，模拟法空中三角测量逐渐地被解析空中三角测量代替。

②用各种光学机械仪器测制地形原图。

（三）航天摄影测量

航天摄影测量通俗地讲是以卫星、飞船和飞机等航天器为运载工具,利用各种传感器在轨道空间获取地球表面上的地物、地貌影像等信息数据,通过系统软件分析、处理形成各种用途专题地图的测绘方法。

航天摄影测量是伴随着空间技术、摄影技术、图像数字传输与处理、全球定位和计算机技术的发展而产生的测量新技术,从其原理与应用角度看其应属于摄影测量学科的一个分支,是航空摄影测量技术的进一步拓展。

1.航天摄影测量的基本原理

航天摄影测量是航空摄影测量技术在空间摄影条件下的进一步应用,由于其成像原理与航空摄影有着本质的区别,因此,在技术上同样有着与其相区别的处理方法。

但就其原理讲与航空摄影测量没有本质的区别,同样是利用立体影象进行立体模型的恢复与建立,从而测绘出一定比例尺的地形图。

2.航天摄影测量的特点

航天摄影测量与传统的测量技术如大小平板、航空摄影测量、全野外数字采集等相比,除了具备成图周期短、劳动强度低外,还具有其独生气勃勃的优势,主要体现在如下方面:

①不受地区和国界的限制；②获取资料迅速,为快速成图和地图更新开避了一条崭新的途径；③有降低测绘成本的空间。

3.航天摄影测量的应用前景

测量技术伴随着社会的前进而发展,同时又不断地服务于国民经济的各个领域。

实际上某个地区经济要发展,城市要建设,测绘必须先行,因此,人们早已把测量工作看作经济发展的晴雨表。

几十年的风雨历程,测绘已在国民经济的建设和发展过程中起到了令世人瞩目的作用。

特别是近几年,由于数字地球建设步伐的进一步加快,更使得测绘有了用武之地。

随着科技的进步,时代的发展,尤其是全球定位技术的进一步完善,相信航天摄影测量在将来数字中国、信息高速公路的建设中必将起到举足轻重的作用,对卫星资源的进一步利用开辟了更加广阔的新领域。

四、结语

刚接触到测绘的时候这个专业的时候，我们就对测绘有一定的理解。

那时候我们只知道在地面架设仪器，在一个有限的小范围进行测量。

但是自从通过对《摄影测量》的学习，让我们认识到原来测量不只是限于在地面上假设仪器，原来我们的测绘工作也可以脱离地面。

不止是在架设仪器这方面让我们的观念有了改变，更让我们对影像的理解，也从最初的定性理解物体是什么到定量计算物体的位置。

可以说，这让我们对测绘工作的认识有了更高层次的理解。

测绘行业千百年来的大变革时代的来临是基于摄影测量的发展。

为满足国防建设、国民经济和社会发展对地理空间信息应用日益增长的需求，给航空摄影测量发展带来了新的机遇，也对摄影测量的使命任务与能力需求、装备和技术体系，航空摄影测量的应用等提出了新要求。

基于这些，我们看到的是更多机遇和新的希望。

参考文献

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