近景攝影測(cè)量的發(fā)展與應(yīng)用

于光濤 王滿才

馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院 安徽馬鞍山市 243000

摘要：簡(jiǎn)要說明數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展歷史，理論方法與實(shí)際應(yīng)用，特別是數(shù)字近景攝影測(cè)量已經(jīng)成為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展的重要方向，提出數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)將在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)研究中有廣泛的用途，尤其用于解決工程現(xiàn)場(chǎng)的空間信息快速獲取、自動(dòng)化處理、可視化分析應(yīng)用等技術(shù)難題，有著無比廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字近景攝影測(cè)量、滅點(diǎn)理論、線特征理論

一、數(shù)字近景攝影測(cè)量的分類

近景攝影測(cè)量可劃分為建筑攝影測(cè)量、工業(yè)攝影測(cè)量和生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量等。建筑攝影測(cè)量包括亭臺(tái)樓閣等古老建筑或石窟雕琢的等值線圖、立面圖、平面圖的制作，可用于古跡遺址的發(fā)掘和歷史文物的復(fù)制等。工業(yè)攝影測(cè)量可用于汽車外殼形狀的測(cè)定，大型機(jī)械部件加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量的檢查，水利工程模型的量測(cè)，爆破量的計(jì)算，爆破過程的演示，各類建筑物的變形觀測(cè)等。生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量包括動(dòng)物軀體的外形測(cè)量，生物發(fā)育過程的記錄，以及對(duì)醫(yī)學(xué)內(nèi)科、外科、牙科、眼科、骨傷科、矯形科的臨床診斷提供量測(cè)技術(shù)，配合X光立體攝影量測(cè)體內(nèi)異物或病灶的位置等。

二、數(shù)字近景攝影測(cè)量的理論方法

1、傳統(tǒng)攝影測(cè)量的理論方法

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量是一個(gè)基于點(diǎn)狀目標(biāo)量測(cè)的過程，該量測(cè)過程要求在一張影像上量測(cè)一個(gè)像點(diǎn)，同時(shí)在另一張對(duì)應(yīng)影像上或物方空間識(shí)別相對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)。其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式為傳統(tǒng)的共線條件方程或者對(duì)于立體像對(duì)的共面條件方程。

2線特征理論方法及其應(yīng)用

理論方法：在空間信息中，存在著大量的線狀特征，例如地面上的道路、水系、湖泊邊緣；建筑物量測(cè)中的直線、圓??；工業(yè)攝影測(cè)量中工件的邊緣等等。

利用這些大量存在的線狀特征作為控制，完成攝影測(cè)量諸多任務(wù)，可大大增加攝影測(cè)量系統(tǒng)的性能和自動(dòng)化程度，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

線特征理論優(yōu)點(diǎn)：

線狀特征的自動(dòng)提取較點(diǎn)特征的提取更為容易

同名直線上的點(diǎn)不要求一一對(duì)應(yīng)（同名），甚至不要求代表同一段地物，即只要求同名直線，不要求同名線段

增加線特征將增加平差計(jì)算的觀測(cè)值冗余度和幾何約束條件，可提高解算的精度和可靠性。

線特征可提供更為豐富的語義信息。

在處理帶有遮掩和不確定信息的情況下，線特征具有點(diǎn)特征所沒有的優(yōu)點(diǎn)。

3線特征理論的應(yīng)用

線特征空間后方交會(huì)：只含有內(nèi)外方位元素、像點(diǎn)坐標(biāo)、控制點(diǎn)物方坐標(biāo)，可進(jìn)行單像空間后方交會(huì)的解算。

線特征相機(jī)檢校：可加入直線幾何約束，采用自檢校光束法解算。利用量測(cè)相機(jī)德國的Rollei進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表中內(nèi)容表示其標(biāo)定的結(jié)果與已知相機(jī)內(nèi)外方位元素的比較。

線特征相對(duì)定向：利用物方直線約束和共線方程進(jìn)行像對(duì)的定向，其采用的同名直線上的點(diǎn)不要求一一對(duì)應(yīng)，可避開同名像點(diǎn)匹配，許多應(yīng)用條件下優(yōu)于傳統(tǒng)相對(duì)定向。

線特征遙感影像配準(zhǔn)：

由于具有點(diǎn)特征不可比擬的優(yōu)勢(shì)，線特征已在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的諸多方面有了初步的應(yīng)用，并提高了攝影測(cè)量系統(tǒng)的性能和自動(dòng)化程度。而在線狀地物的自動(dòng)提取及利用線特征進(jìn)行三維重建等方面，還可有進(jìn)一步更加深入的研究

4滅點(diǎn)理論與應(yīng)用

滅點(diǎn)是空間一組平行線的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)在影像上的構(gòu)像及該組平行線在影像上的直線影像的交點(diǎn)。我們可以認(rèn)為該空間的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的滅點(diǎn)是一對(duì)“對(duì)應(yīng)點(diǎn)”。它們滿足共線方程。在模擬解析攝影測(cè)量中，滅點(diǎn)不可能有任何實(shí)用意義。除了其定義外，它的理論也沒有多少研究。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，對(duì)空間平行線的自動(dòng)分類、滅點(diǎn)的提取、應(yīng)用是一個(gè)重要的研究方向，它不僅僅是利用單張非量測(cè)相機(jī)所獲得的影像建筑物三維重建的基礎(chǔ)而且它將成為城市利用大比例尺地形圖進(jìn)行空中三角測(cè)量進(jìn)行控制的信息，并被用于城市大比例尺地形圖的更新。

5多基線近景攝影測(cè)量系統(tǒng)

多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)（Lensphoto）屬于地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域最新數(shù)字近景攝影測(cè)量應(yīng)用軟件。它是近幾十年來首次在理論上突破了傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量原理，以計(jì)算機(jī)視覺替代傳統(tǒng)的人眼雙目視覺原理而獲得實(shí)質(zhì)性發(fā)展的一套全數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng).它能對(duì)普通單反數(shù)碼相機(jī)獲得的影像，完成從自動(dòng)空三測(cè)量到測(cè)繪各種比例尺的線劃地形圖的生產(chǎn)，及對(duì)普通數(shù)碼相機(jī)所獲的近景影像進(jìn)行快速精密三維重建；并可作為直接由地面攝影的數(shù)字影像中獲取測(cè)繪信息的軟件平臺(tái)。它填補(bǔ)了國內(nèi)國際近景攝影測(cè)量技術(shù)五十多年無實(shí)質(zhì)性發(fā)展的空白，是一項(xiàng)應(yīng)用前景遠(yuǎn)大的測(cè)量新技術(shù)。

三、近景攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

1 數(shù)碼影像的工程外部監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)邊坡、基坑、大壩、道路等，以立體監(jiān)測(cè)為主，獲得工程三維空間形態(tài)、位移和變形、工程土石方量、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息、對(duì)象屬性等。對(duì)硐室、隧道、豎井、斜井、地下廠房等，以單片監(jiān)測(cè)為主，獲得工程二維形態(tài)、位移和變形等。在設(shè)計(jì)參數(shù)輔助下，同樣可得到工程土石方量、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息、對(duì)象屬性等。工程原型監(jiān)測(cè)的研究關(guān)鍵是精度，工程模型監(jiān)測(cè)的研究關(guān)鍵是自動(dòng)化。應(yīng)用不同的量測(cè)算法、像方控制、定向重復(fù)拍攝技術(shù)、各類定制標(biāo)志點(diǎn)、專用數(shù)字近景攝影機(jī)、長(zhǎng)焦拍攝、多基線攝影、平行攝影、斷裂影像自動(dòng)匹配、斷面成像、自由網(wǎng)平差、影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)燃夹g(shù)方法。

2數(shù)碼影像的工程真實(shí)紋理三維定量建模及分析技術(shù)

普通數(shù)碼影像在大范圍、控制弱的高山峽谷地區(qū)采集表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將采用引入自由網(wǎng)平差、多基線攝影、預(yù)處理畸變差、精化構(gòu)像模型、虛擬大幅面影像提供初始計(jì)算等的光束法解決。相應(yīng)的外業(yè)工作量少、作業(yè)速度快，特別是在陡峭地區(qū)有利于保障工作人員的安全。

從像點(diǎn)構(gòu)像精度、像點(diǎn)在目標(biāo)面的投影精度、目標(biāo)影像展示圖的精度、像對(duì)立體定點(diǎn)精度、展示影像測(cè)定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息精度等方面，研究像方控制影像的普通數(shù)碼影像測(cè)控精度估計(jì)方法。從影像外方位元素的精度、影像幾何糾正的精度、像對(duì)定向、立體定點(diǎn)及測(cè)定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面信息精度等方面，探討物方控制的普通數(shù)碼影像測(cè)控精度估計(jì)方法。

3攝影測(cè)量在古建筑物重建中的應(yīng)用

在古文物、古建筑領(lǐng)域，自動(dòng)的或班自動(dòng)的數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，可用于古文物、古建筑物的重建、維護(hù)、修復(fù)、研究和資料記錄等。

該技術(shù)完成了包括88米高的無錫靈山大佛在內(nèi)的多個(gè)特大型青銅佛像的近景攝影測(cè)量數(shù)字化造型工程，獲得了江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。開展了文物研究、保護(hù)和復(fù)原的近景攝影測(cè)量和三維建模工作，承擔(dān)了南京猿人考古、棲霞山六朝佛教遺存修復(fù)、明孝陵世界文化遺產(chǎn)申報(bào)等的攝影測(cè)量工作。

4.影像地質(zhì)編錄技術(shù)方法體系及信息系統(tǒng)

影像地質(zhì)編錄技術(shù)方法體系及信息系統(tǒng)，以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、數(shù)字圖像處理、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)為手段，以多學(xué)科技術(shù)集成為特色，實(shí)現(xiàn)了工程地質(zhì)編錄方法的手工作業(yè)向計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)與信息化管理的轉(zhuǎn)換。全面提高了工程地質(zhì)編錄在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與管理方面的技術(shù)水平和工作效率。

系統(tǒng)結(jié)合多個(gè)重大水電工程的建設(shè)開展研究及應(yīng)用，并被交通工程、采礦工程等行業(yè)所重視和采用。成果具有顯著的特色、原創(chuàng)性和先進(jìn)性，獲獎(jiǎng)多項(xiàng)專利和多種獎(jiǎng)勵(lì)。

5.數(shù)字礦山系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過省國土資源廳的評(píng)審，并得到國土資源部的認(rèn)可。系統(tǒng)被寫入《南京市國土資源局2007年工作總結(jié)和2008年主要任務(wù) 》。系統(tǒng)通過2007年度江蘇省國土資源科技創(chuàng)新獎(jiǎng)評(píng)審。系統(tǒng)在國土資源報(bào)得到報(bào)道，并在“全面開展礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理”中推廣應(yīng)用。

系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)特點(diǎn)

3S集成

普通數(shù)碼相機(jī)量測(cè)化

簡(jiǎn)單易用、作業(yè)強(qiáng)度低、速度快

自動(dòng)影像匹配，自動(dòng)化程度高

全數(shù)字化處理，儲(chǔ)量計(jì)算精度高

采用三維可視化技術(shù)，產(chǎn)品直觀

數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)多期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析

6.高山峽谷影像量測(cè)系統(tǒng)

高山峽谷數(shù)碼影像測(cè)量系統(tǒng)是高效、便捷、低成本、高精度的攝影測(cè)量專門系統(tǒng)。

它是以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、數(shù)字圖像處理和GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，以普通數(shù)碼相機(jī)作為野外數(shù)據(jù)采集工具，以實(shí)現(xiàn)DTM數(shù)據(jù)快速采集為主要目標(biāo)，以高山峽谷的形態(tài)測(cè)繪、三維建模、4D產(chǎn)品輸出及可視化分析為基本功能的先進(jìn)的影像信空間息系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

綜上所述，數(shù)字近景攝影測(cè)量應(yīng)該是一門相對(duì)年輕的學(xué)科，由于它利用計(jì)算機(jī)替代“人眼”，使得數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量無論在理論上還是其實(shí)踐都將得到迅速發(fā)展。它對(duì)國家基本地形圖圖更新與其現(xiàn)勢(shì)性將會(huì)顯得愈來愈重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃桂平.數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.天津：天津大學(xué)博士論文，2005