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摄影测量学

 

摄影测量学是测绘学的分支学科,研究利用摄影或遥感的手段获取被测物体的信息(影像的或数字式的),进行分析和处理,以确定被测物体的形状、大小和位置,并判断其性质的一门学科。

1.内容和特点 

摄影测量学包括航空摄影航天摄影航空摄影测量地面立体摄影测量等。航空摄影测量是摄影测量学的主要内容。

摄影测量的特点是通过图像对被摄目标进行间接量测,无须接触被摄物体本身。这一间接量测的特点,以及摄影构像的几何特性和物理特性,使摄影测量具有如下优点:①量测工作绝大部分在室内进行,可以不受自然地理等条件的限制;②量测工作和信息获取在时间和空间上是独立的;③机械化和自动化程度较高;④从所获信息中可以任意选择所需要测量和处理的对象;⑤全部信息都可以作为文献储存。遥感的信息资料还具有覆盖面积大,不受地区、国界的限制;信息获得快,能及时反映地面的动态变化等特点。

摄影测量主要用于测制地形图,但它的原理和基本技术也适用于非地形测量。自从出现了影像的数字化技术以后,被测对象可以是固体、液体,也可以是气体;可以是微小的也可以是巨大的;可以是瞬时的也可以是变化缓慢的;只要能够被摄得影像,就可以使用摄影测量的方法进行量测。这些特性使摄影测量方法得到广泛的应用。

2.简史 

19世纪50年代,摄影技术一经问世,便应用于测量。当时采用地面摄取的成对像片使用同名射线逐点交会的方式进行测量,称为交会摄影测量。那时摄影机物镜的视场角仅有30°,一个像对所能测绘的面积很小,是地面摄影测量的初始形式。20世纪初,物镜的视场角有所扩大,并发明了立体观测法,摄影测量进入了新的发展阶段。1901年德国的普尔弗里希(C.Pulfrich)制成了立体坐标量测仪,1911年德国蔡司光学仪器厂制造出了由奥地利的奥雷尔(E.von Orel)设计的地面立体测图仪,从此便形成了比较完备的地面立体摄影测量。

19世纪末至第一次世界大战之前,很多学者进行了空中摄影的试验,理论和设备方面都有了初步的发展。例如,德国的S.芬斯特瓦尔德在理论上使用投影几何原理,解析地处理空间后方交会,根据3个地面控制点解算空间摄影站点的坐标;提出了像片核线的定义以及像对的相对定向绝对定向的概念。奥地利的山甫鲁(T.Scheim-pflug)首先提出像片纠正、双像投影测图和辐射三角测量的概念,并于1900年研制出八物镜航空摄影机。第一次世界大战期间,飞机制造和航空摄影技术有了飞速的发展,到30年代,逐步形成并完善了航空摄影测量的理论、仪器设备和测图方法。如德国的O.von格鲁贝尔于 1929年提出了在立体测图仪上进行相对定向和绝对定向的理论。以后为了减少在业内测图方面所需要的地面控制点,又提出了利用立体测图仪进行单航线空中三角测量的理论。1930年,德国制造了比较完善的光学投影的立体测图仪。1935年,瑞士制造了第一台机械投影的立体测图仪。此后,立体测图仪型式繁多,但逐渐都采用了机械投影的方式。

20世纪30年代,苏联发展了微分法测图理论和技术。这是一种把测定高程和勾绘等高线同测定平面位置分别求解的测图方法。这种方法用立体量测仪来测地形点高程和勾绘等高线,用单个投影器来纠正和转绘,也可采用具有两种改正功能的立体视差仪。

在欧洲发展立体测图仪的同时,美国丘奇 (E.Chu-rch)根据空间光线束锥体原理,在空间前方交会、后方交会和双点交会方面发展了解析算法。他用手摇计算机进行迭代运算,成为测图和控制点加密的一种解析方式。

计算机技术的发展和应用,促使摄影测量学迅猛发展。在50年代里,德国施密特(H.Schmidt)建立了解析摄影测量的基本理论。他曾使用两架摄影机在地面上对飞行中的导弹以恒星为背景进行同步摄影。根据天文年历中恒星的方位和摄影像片上星体像点的量测,计算出该两摄影机的内、外方位元素,从而进行空间前方交会,解算出导弹的位置。这种方法随即用于空中三角测量,称为解析空中三角测量。初期用于单条航线,随后用于多条航线的共同运算,发展成为区域网平差的航带法、独立模型法和光线束法,在计算机上进行迭代运算。

60年代初期,解析测图仪试制成功。它由一台高精度立体坐标量测仪和一台小型计算机组成。解析测图仪在测图过程中的作用与立体测图仪基本相同,但由于立体模型的形成是根据解析的数学原理,这就使解析测图仪易于保证精度,并可以改正各种像差。这类仪器能够处理各种摄影主距、倾角大小和摄影方式的像片资料,还可以用于空中三角测量数字地形模型以及同正射投影仪联机或脱机晒印正射影像图。

测绘学从平板仪测量到航空摄影测量是一个极大的飞跃。60年代后,以人造卫星作运载工具,使用各种传感器从宇宙空间对地球进行遥感(见航天摄影),获取各种像片或其他形式的(数字式的)信息资料,是测绘学的又一重大发展。

航天摄影获得的地面资料,特别有利于地图修测。应用航天像片可以编制 1:250000~1:1000000大区域的各种比例尺影像地图和专题地图。利用航天摄影资料进行摄影测量,加密和绘制较大比例尺的地形图正处于研究和实验阶段。在摄影测量理论方面,已经建立了非传统的摄影系统(全景式摄影系统,多光谱扫描系统和侧视雷达成像系统等)的基本关系式,即像点坐标同地面坐标变换的严密的数学关系式。摄影测量原理的进一步发展,便形成了航天摄影测量。

3.发展趋势 

随着计算机技术的发展和微处理机的广泛应用,摄影测量技术正朝着自动化的方向发展。在空中三角测量方面,目前正研究在平差过程中剔除粗差的理论,以及引入附加参数顾及残余系统误差的理论和技术(称为自检校法)。此外,为了提高区域网加密的精度,还发展了把高差仪记录以及地面上角度和长度等已知数据纳入区域网加密整体平差的办法。

在摄影测量测图从以立体测图仪为主的模拟方式转为解析方式的同时,影像数字化自动测图的方式已经有了萌芽。影像数字化就是首先把摄影获取的影像信息,通过数字化,即采样和量化的过程,变成为大量的密集的灰度数字,并记录、存储在磁带中,用以完全代替原始的像片。然后,直接利用这些灰度数字,通过计算机的控制和运算,找点、像片定向和测图等处理过程,并在专门的设备上自动形成带有等高线的正射影像地图,使摄影测量测图过程自动化。这项工作目前还处在研究试验阶段。

在航天遥感数据的获取方面,原始信息大部分都是数字的,这就使遥感技术和摄影测量的解析处理手段更相接近。用解析摄影测量的方法来解决遥感图像的几何问题,称为遥感图像的几何改正。几何改正分为两个步骤:第一步把可以估计到的误差加以改正;第二步利用地面控制点(影像上和地图上的共同点)采用最小二乘准则进行纠正计算,从而得到精确的改正。此外,应用密度分割,图像分类和自动判读等技术,以判定被测物体的性质,这些工作都需要计算机提供大量的存储和高速的运算能力。

 
 

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