近景攝影測量的發展與應用

于光濤 王滿才

馬鋼集團設計研究院 安徽馬鞍山市 243000

摘要：簡要說明數字攝影測量的發展歷史，理論方法與實際應用，特別是數字近景攝影測量已經成為數字攝影測量發展的重要方向，提出數字近景攝影測量技術將在經濟建設、國防建設和科學研究中有廣泛的用途，尤其用于解決工程現場的空間信息快速獲取、自動化處理、可視化分析應用等技術難題，有著無比廣闊的應用前景。

關鍵詞：數字近景攝影測量、滅點理論、線特征理論

一、數字近景攝影測量的分類

近景攝影測量可劃分為建筑攝影測量、工業攝影測量和生物醫學攝影測量等。建筑攝影測量包括亭臺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掘和歷史文物的復制等。工業攝影測量可用于汽車外殼形狀的測定，大型機械部件加工質量和裝配質量的檢查，水利工程模型的量測，爆破量的計算，爆破過程的演示，各類建筑物的變形觀測等。生物醫學攝影測量包括動物軀體的外形測量，生物發育過程的記錄，以及對醫學內科、外科、牙科、眼科、骨傷科、矯形科的臨床診斷提供量測技術，配合X光立體攝影量測體內異物或病灶的位置等。

二、數字近景攝影測量的理論方法

1、傳統攝影測量的理論方法

傳統的攝影測量是一個基于點狀目標量測的過程，該量測過程要求在一張影像上量測一個像點，同時在另一張對應影像上或物方空間識別相對應的同名點。其對應的數學公式為傳統的共線條件方程或者對于立體像對的共面條件方程。

2線特征理論方法及其應用

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；建筑物量測中的直線、圓弧；工業攝影測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，完成攝影測量諸多任務，可大大增加攝影測量系統的性能和自動化程度，具有重要的理論和現實意義。

線特征理論優點：

線狀特征的自動提取較點特征的提取更為容易

同名直線上的點不要求一一對應（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算的觀測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，線特征具有點特征所沒有的優點。

3線特征理論的應用

線特征空間后方交會：只含有內外方位元素、像點坐標、控制點物方坐標，可進行單像空間后方交會的解算。

線特征相機檢校：可加入直線幾何約束，采用自檢校光束法解算。利用量測相機德國的Rollei進行了實驗，表中內容表示其標定的結果與已知相機內外方位元素的比較。

線特征相對定向：利用物方直線約束和共線方程進行像對的定向，其采用的同名直線上的點不要求一一對應，可避開同名像點匹配，許多應用條件下優于傳統相對定向。

線特征遙感影像配準：

由于具有點特征不可比擬的優勢，線特征已在數字攝影測量的諸多方面有了初步的應用，并提高了攝影測量系統的性能和自動化程度。而在線狀地物的自動提取及利用線特征進行三維重建等方面，還可有進一步更加深入的研究

4滅點理論與應用

滅點是空間一組平行線的無窮遠點在影像上的構像及該組平行線在影像上的直線影像的交點。我們可以認為該空間的無窮遠點與對應的滅點是一對“對應點”。它們滿足共線方程。在模擬解析攝影測量中，滅點不可能有任何實用意義。除了其定義外，它的理論也沒有多少研究。在數字攝影測量，計算機圖形學中，對空間平行線的自動分類、滅點的提取、應用是一個重要的研究方向，它不僅僅是利用單張非量測相機所獲得的影像建筑物三維重建的基礎而且它將成為城市利用大比例尺地形圖進行空中三角測量進行控制的信息，并被用于城市大比例尺地形圖的更新。

5多基線近景攝影測量系統

多基線數字近景攝影測量系統（Lensphoto）屬于地理信息系統領域最新數字近景攝影測量應用軟件。它是近幾十年來首次在理論上突破了傳統近景攝影測量原理，以計算機視覺替代傳統的人眼雙目視覺原理而獲得實質性發展的一套全數字近景攝影測量系統.它能對普通單反數碼相機獲得的影像，完成從自動空三測量到測繪各種比例尺的線劃地形圖的生產，及對普通數碼相機所獲的近景影像進行快速精密三維重建；并可作為直接由地面攝影的數字影像中獲取測繪信息的軟件平臺。它填補了國內國際近景攝影測量技術五十多年無實質性發展的空白，是一項應用前景遠大的測量新技術。

三、近景攝影測量技術的實際應用

1 數碼影像的工程外部監測關鍵技術

對邊坡、基坑、大壩、道路等，以立體監測為主，獲得工程三維空間形態、位移和變形、工程土石方量、地質結構面信息、對象屬性等。對硐室、隧道、豎井、斜井、地下廠房等，以單片監測為主，獲得工程二維形態、位移和變形等。在設計參數輔助下，同樣可得到工程土石方量、地質結構面信息、對象屬性等。工程原型監測的研究關鍵是精度，工程模型監測的研究關鍵是自動化。應用不同的量測算法、像方控制、定向重復拍攝技術、各類定制標志點、專用數字近景攝影機、長焦拍攝、多基線攝影、平行攝影、斷裂影像自動匹配、斷面成像、自由網平差、影像數據實時傳輸等技術方法。

2數碼影像的工程真實紋理三維定量建模及分析技術

普通數碼影像在大范圍、控制弱的高山峽谷地區采集表面數據點，將采用引入自由網平差、多基線攝影、預處理畸變差、精化構像模型、虛擬大幅面影像提供初始計算等的光束法解決。相應的外業工作量少、作業速度快，特別是在陡峭地區有利于保障工作人員的安全。

從像點構像精度、像點在目標面的投影精度、目標影像展示圖的精度、像對立體定點精度、展示影像測定地質結構面信息精度等方面，研究像方控制影像的普通數碼影像測控精度估計方法。從影像外方位元素的精度、影像幾何糾正的精度、像對定向、立體定點及測定地質結構面信息精度等方面，探討物方控制的普通數碼影像測控精度估計方法。

3攝影測量在古建筑物重建中的應用

在古文物、古建筑領域，自動的或班自動的數字近景攝影測量系統是一個強有力的工具，可用于古文物、古建筑物的重建、維護、修復、研究和資料記錄等。

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

4.影像地質編錄技術方法體系及信息系統

影像地質編錄技術方法體系及信息系統，以數字攝影測量、數字圖像處理、地理信息系統等技術為手段，以多學科技術集成為特色，實現了工程地質編錄方法的手工作業向計算機輔助作業與信息化管理的轉換。全面提高了工程地質編錄在數據采集、數據處理與管理方面的技術水平和工作效率。

系統結合多個重大水電工程的建設開展研究及應用，并被交通工程、采礦工程等行業所重視和采用。成果具有顯著的特色、原創性和先進性，獲獎多項專利和多種獎勵。

5.數字礦山系統

該系統通過省國土資源廳的評審，并得到國土資源部的認可。系統被寫入《南京市國土資源局2007年工作總結和2008年主要任務 》。系統通過2007年度江蘇省國土資源科技創新獎評審。系統在國土資源報得到報道，并在“全面開展礦山儲量動態監測管理”中推廣應用。

系統功能模塊

系統特點

3S集成

普通數碼相機量測化

簡單易用、作業強度低、速度快

自動影像匹配，自動化程度高

全數字化處理，儲量計算精度高

采用三維可視化技術，產品直觀

數據庫技術實現多期數據管理、數據分析

6.高山峽谷影像量測系統

高山峽谷數碼影像測量系統是高效、便捷、低成本、高精度的攝影測量專門系統。

它是以數字攝影測量、數字圖像處理和GIS技術為基礎，以普通數碼相機作為野外數據采集工具，以實現DTM數據快速采集為主要目標，以高山峽谷的形態測繪、三維建模、4D產品輸出及可視化分析為基本功能的先進的影像信空間息系統。

四、結束語

綜上所述，數字近景攝影測量應該是一門相對年輕的學科，由于它利用計算機替代“人眼”，使得數字攝影測量無論在理論上還是其實踐都將得到迅速發展。它對國家基本地形圖圖更新與其現勢性將會顯得愈來愈重要。

參考文獻：

[1]黃桂平.數字近景工業攝影測量關鍵技術研究與應用.天津：天津大學博士論文，2005