攝影測(cè)量技術(shù)及其發(fā)展歷史

發(fā)布日期：2018-05-08 00:00 瀏覽量：18649

　　1 前言
　　隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，科技水平飛速提高，電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)、出行工具等等都有了翻天覆地的變化，測(cè)繪技術(shù)也不例外。攝影測(cè)量學(xué)是測(cè)繪學(xué)的分支學(xué)科，它指的是通過(guò)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)。
　　2 什么是攝影測(cè)量
　　2.1攝影測(cè)量的作用和特點(diǎn)
　　攝影測(cè)量的主要任務(wù)是對(duì)地觀測(cè)，因此測(cè)繪各種比例尺的地形圖和專題圖，建立地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)，并貯備各種地理信息系統(tǒng)的建立與更新時(shí)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外攝影測(cè)量還廣泛應(yīng)用在非地形測(cè)繪領(lǐng)域，比如對(duì)爆破、高溫、真空等危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
　　攝影測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　影像記錄的物體目標(biāo)客觀、信息豐富、圖像清晰，人們可以比較方便的獲得所需要的幾何或物理信息。將影像信息作為制圖的依據(jù)具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。
　　攝影測(cè)量不需要接觸被測(cè)目標(biāo)實(shí)物，因此測(cè)量作業(yè)不受工作現(xiàn)場(chǎng)條件的約束。例如對(duì)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)具有危險(xiǎn)性，不可能讓人去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，攝影測(cè)量手段的應(yīng)用就顯得尤為重要了。
　　攝影測(cè)量可以繪制動(dòng)態(tài)變化或移動(dòng)的目標(biāo)。影像記錄是對(duì)目標(biāo)物體某時(shí)刻狀態(tài)的真實(shí)反映，因此攝影測(cè)量可以用來(lái)研究動(dòng)態(tài)的目標(biāo)。并且，這種研究是整體、全面、同時(shí)的，而非局部、片面、有時(shí)差的。例如研究液體、氣體等移動(dòng)的非固定目標(biāo)時(shí)可以應(yīng)用攝影測(cè)量技術(shù)。
　　攝影測(cè)量可以繪制形態(tài)復(fù)雜的目標(biāo)。在地形繪制中，應(yīng)用經(jīng)緯儀測(cè)繪山區(qū)的地形將會(huì)顯得非常的困難，采集地形地貌的特征點(diǎn)時(shí)，如果丟失或缺少關(guān)鍵的特征點(diǎn)將會(huì)影響所繪地形圖的準(zhǔn)確性。
　　影像資料可以重復(fù)使用，永久保存。一份影像資料客觀詳細(xì)的反映了該地的地表情況，成為記錄當(dāng)?shù)匦畔⒌闹匾Y料，通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的影像資料對(duì)比，可以研究該地的地貌變化特征和發(fā)展規(guī)律。
　　在進(jìn)行地貌測(cè)繪時(shí)，與全站儀的測(cè)繪方法相比，攝影測(cè)量有很大的優(yōu)勢(shì)。
　?、俪鰣D時(shí)間短，生產(chǎn)快；
　　②操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，以內(nèi)業(yè)工作為主。因?yàn)閿z影工作將大部分測(cè)繪工作搬到了室內(nèi)進(jìn)行；
　　③節(jié)約測(cè)繪時(shí)所需要的經(jīng)費(fèi)；
　?、軘z影測(cè)繪的地圖精度高，客觀逼真。
　　正因?yàn)?a href='http://i-abc.com.cn/' target='_blank' title='攝影測(cè)量'>攝影測(cè)量具有如此多的優(yōu)勢(shì)，所以這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍在逐漸擴(kuò)展。

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　　2.2攝影測(cè)量的基本原理
　　攝影測(cè)量學(xué)的方法很多，其中航空攝影測(cè)量的理論是最常用的。航空攝影測(cè)量是利用飛機(jī)上攝取的地表相片為依據(jù)進(jìn)行量測(cè)判斷拍攝的地面上物體大小、形狀、空間位置關(guān)系，從而建立被攝取的地區(qū)的地形圖信息數(shù)據(jù)資料。航空攝影是利用安裝在飛機(jī)下部的攝影機(jī)，在一定的高度飛行按規(guī)定的時(shí)間間隔對(duì)要測(cè)繪的區(qū)域進(jìn)行連續(xù)重疊攝影。要求所拍攝的圖片能夠覆蓋整個(gè)待測(cè)區(qū)，并且有一定的重疊度。一般而言，航向重疊度應(yīng)達(dá)到60％～70％，旁向重疊度應(yīng)達(dá)到15％～30％。
　　3 攝影測(cè)量的發(fā)展歷史
　　攝影測(cè)量學(xué)發(fā)展至今已有二百多年的歷史了，最初叫圖像量測(cè)學(xué)。1837年，攝影技術(shù)發(fā)明后，才叫攝影測(cè)量學(xué)。數(shù)學(xué)家勃蘭特早在18世紀(jì)就論述了攝影測(cè)量學(xué)的基礎(chǔ)一一透視幾何理論。1889年，法國(guó)報(bào)導(dǎo)了第一張攝影像片的產(chǎn)生后，攝影測(cè)量學(xué)開(kāi)始了它的發(fā)展歷程。19世紀(jì)中葉，法國(guó)陸軍上校勞塞達(dá)利用所謂“明箱”裝置測(cè)制了萬(wàn)森城堡圖，這位上校被公認(rèn)為“攝影測(cè)量之父”。
　　從19世紀(jì)中葉開(kāi)始至今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)學(xué)科相互滲透交叉，攝影測(cè)量在經(jīng)歷模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量兩個(gè)發(fā)展階段后，現(xiàn)已進(jìn)入數(shù)字攝影測(cè)量階段，這對(duì)整個(gè)攝影測(cè)量的教學(xué)、科研、生產(chǎn)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。
　　就攝影測(cè)量本身而言，從測(cè)繪的角度上來(lái)看數(shù)字攝影測(cè)量還是利用影像來(lái)進(jìn)行測(cè)繪的科學(xué)與技術(shù)；而從信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)科學(xué)的角度來(lái)看，它是利用影像來(lái)重建三維表面模型的科學(xué)與技術(shù)，也就是在“室內(nèi)”重建地形的三維表面模型，然后在模型上進(jìn)行測(cè)繪。因此，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它與原來(lái)的攝影測(cè)量沒(méi)有區(qū)別。因而，在數(shù)字攝影測(cè)量系統(tǒng)中，整個(gè)的生產(chǎn)流程與作業(yè)方式，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量差別似乎不大，但是它給傳統(tǒng)的攝影測(cè)量帶來(lái)了重大的變革。事實(shí)上，數(shù)字攝影測(cè)量的許多概念，以及它在整個(gè)地理信息產(chǎn)業(yè)的影響，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)模擬攝影測(cè)量到解析攝影測(cè)量的變革。
　　3.1模擬攝影測(cè)量
　　19世紀(jì)中葉，勞塞達(dá)利用攝影像片和所謂的“明箱”裝置，測(cè)制萬(wàn)森城堡圖．標(biāo)志著攝影測(cè)量的誕生。當(dāng)時(shí)采用的是圖解法逐點(diǎn)測(cè)繪。直到本世紀(jì)初，才由維也納軍事地理研究所按奧雷爾的思想制成了“自動(dòng)立體測(cè)圖儀”，后來(lái)由德國(guó)卡爾蔡司廠進(jìn)一步發(fā)展，成功地制造出實(shí)用的“立體自動(dòng)測(cè)圖儀”。由于這些儀器均采用光學(xué)投影器或機(jī)械投影器或是光學(xué)--機(jī)械投影器“模擬”攝影過(guò)程，用它們交會(huì)被攝物體的空間位置，所以我們稱之為“模擬攝影測(cè)量儀器”。因此，這一發(fā)展時(shí)期也被稱為“模擬攝影測(cè)量時(shí)代”。在這時(shí)期，能夠用來(lái)解決攝影測(cè)量主要問(wèn)題的現(xiàn)有的全部的攝影測(cè)量測(cè)圖儀，實(shí)際上都以同樣的原理為基礎(chǔ)，這個(gè)原理可以稱為“模擬原理”。儀器雖冠以“自動(dòng)”二字，但它只是說(shuō)能夠避免繁瑣的計(jì)算，即利用光學(xué)機(jī)械模擬的裝置，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的攝影測(cè)量解算。但它并不是不需要人工來(lái)觀測(cè)。攝影測(cè)最技術(shù)的發(fā)展可以說(shuō)基本上是圍繞開(kāi)發(fā)十分昂貴的立體測(cè)圖儀來(lái)進(jìn)行的。到了六、七十年代，這種類型的儀器發(fā)展到了頂峰。
　　3.2解析攝影測(cè)量
　　電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和自動(dòng)控制技術(shù)，模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)用化，為攝影測(cè)量立體測(cè)圖儀的發(fā)展提供了新的技術(shù)條件。Helava于1957年提出了攝影測(cè)量的一個(gè)新概念，就是用“數(shù)字投影代替物理投影”。所謂“物理投影”就是指“光學(xué)的、機(jī)械的、或光學(xué)-機(jī)械的”模擬投影?！皵?shù)字投影”就是利用電子計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行共線方程的計(jì)算，從而交會(huì)被攝物體的空間位置。解析攝影測(cè)量是依據(jù)像點(diǎn)與相應(yīng)的地面點(diǎn)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，用電子計(jì)算機(jī)解算像點(diǎn)相應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行測(cè)圖解算的技術(shù)。在解析攝影測(cè)量中，利用少量的野外控制點(diǎn)，加密測(cè)圖用的控制點(diǎn)或其它用途的更加密集的控制點(diǎn)的工作，叫做解析空中三角測(cè)量，也稱為電算加密。
　　電算加密和解析測(cè)圖儀的出現(xiàn)標(biāo)志著攝影測(cè)量進(jìn)入解析攝影測(cè)量的時(shí)代。
　　解析測(cè)圖儀與模擬測(cè)圖儀的主要區(qū)別有三點(diǎn)：一是前者使用數(shù)字投影方式，后者使用模擬的物理投影方式。二是在儀器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上前者為由計(jì)算機(jī)控制的坐標(biāo)量測(cè)系統(tǒng)，后者使用純光學(xué)、機(jī)械型的模擬測(cè)圖裝置。三是在操作方式上前者是計(jì)算機(jī)輔助的人工操作，后者是完全手工操作。

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　　3.3數(shù)字攝影測(cè)量
　　用影像相關(guān)(或影像匹配)技術(shù)代替雙眼觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化測(cè)圖，采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量自動(dòng)化，這樣，攝影測(cè)量發(fā)展到了數(shù)字攝影測(cè)量階段。隨著數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)性能的快速提高，數(shù)字攝影測(cè)量被公認(rèn)為攝影測(cè)量的第三個(gè)階段。數(shù)字攝影測(cè)量就是以數(shù)字影像為基礎(chǔ)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理，確定被攝物體的形狀、大?。臻g位置及其性質(zhì)的技術(shù)。
　　數(shù)字攝影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于：它處理的原始信息不僅可以是像片，更主要的是數(shù)字?jǐn)z影(如CCD影像)或數(shù)字化影像，這最終是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼的主體觀測(cè)，因而它所使用的儀器最終將只是通用計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)外部設(shè)備。
　　攝影測(cè)量三個(gè)發(fā)展階段從時(shí)間上來(lái)看沒(méi)有嚴(yán)格準(zhǔn)確的劃分：
　　在50年代早期，沒(méi)有計(jì)算機(jī)，那時(shí)的攝影測(cè)量就是要避免計(jì)算，對(duì)于制圖和影像輸出都采用模擬技術(shù)來(lái)實(shí)施。60年代早期出現(xiàn)第一批數(shù)字式計(jì)算機(jī)，但攝影測(cè)量還是沒(méi)能跳出傳統(tǒng)攝影測(cè)量的范圍。因此，以上時(shí)期屬于模擬攝影時(shí)期。到了70年代，正射影像和解析測(cè)圖儀的出現(xiàn)，標(biāo)志著解析攝影測(cè)量時(shí)代的到來(lái)。當(dāng)時(shí)的攝影測(cè)量儀器制造業(yè)沒(méi)有參與軟件的研制而且沒(méi)有嚴(yán)格地考慮硬件，這種情況持續(xù)了10年。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字制圖和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，同時(shí)遙感也逐漸發(fā)展，最終到了80年代左右，開(kāi)始了數(shù)字攝影測(cè)量的發(fā)展。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　攝影測(cè)量學(xué)從產(chǎn)生開(kāi)始，始終隨著人類對(duì)自然空間的探索而發(fā)展。數(shù)字攝影測(cè)量的出現(xiàn)可以說(shuō)是一個(gè)嶄新的開(kāi)始，標(biāo)志著它已成為現(xiàn)代信息學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。新的工具和技術(shù)的出現(xiàn)，不僅不是攝影測(cè)量的空間的縮小，相反，它們給攝影測(cè)量的發(fā)展帶來(lái)了新的應(yīng)用領(lǐng)域和研究課題。