攝影測量

攝影測量是利用光學攝影機獲取的像片，經過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關係。

攝影測量的主要任務是用於測制各種比例尺的地形圖，建立地形數據庫，為各種地理信息系統、土地信息系統以及各種工程應提供空間基礎數據，同時服務於非地形領域，如工業、建築、生物、醫學、考古等領域。 ^[1] 

傳統的攝影測量學是利用光學攝影機攝取像片，通過像片來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置和相互關係的一門科學技術。它包括的內容有：獲取被攝物體的影像，研究單張像片或多張像片影像的處理方法，包括理論、設備和技術，以及將所測得的結果以圖解的形式或數字形式輸出的方法和設備。其主要任務是測制各種比例尺的地形圖、建立地形數據庫，為地理信息系統、各種工程應用提供基礎測繪數據。

從1839年尼普斯和達意爾發明攝影術算起，攝影測量已有170多年的歷史。但將攝影術真正用於測量的是法國陸軍上校勞賽達特，他在1851~1859年提出和進行了交會攝影測量。由於當時飛機尚未發明，攝影測量的幾何交會原理僅限於處理地面的正直攝影，主要是用來進行建築物攝影測量，而不是用來進行地形測量。

從空中拍攝地面的照片，最早是1858年納達在氣球上拍攝的。1903年萊特兄弟發明飛機後，才使航空攝影測量成為可能。在第一次世界大戰時期，第一台航空攝影機問世。由於航空攝影比地面攝影有明顯的優越性（如視場開闊、無前景擋後景現象、可快速獲得大面積地區的像片等），使得航空攝影測量成為20世紀以來大面積測制地形圖的最有效方法。1901年研製了立體座標量測儀，1909年研製了1318立體自動測圖儀，這些儀器主要用於地面攝影測量。從20世紀30年代到50年代末，各國主要測量儀器廠針對航空地形攝影測量研製和生產了各種類型的模擬測圖儀器。這個時期是模擬航空攝影測鼙的黃金時期。在我國，模擬航空攝影測量一直延續到20世紀70年代末。

模擬航空攝影測量指的是用光學或機械方法模擬攝影過程，使兩個投影器恢復攝影時的位置、姿態和相互關係，構成一個比實地縮小了的幾何模型，即所謂攝影過程的幾何反轉，在此模型上的量測即相當於對實地的量測，量測的結果是通過機械或齒輪傳動等方法直接在繪圖桌上繪出，如地形圖或各種專題圖。

由於計算機及計算技術的發展，人們開始使用計算機來完成攝影測量中複雜的幾何解算和大量的數值計算。這便出現了始於20世紀50年代末的解析空中三角測量儀、解析測圖儀與數控正射投影儀，開闢了解析攝影測量的新紀元。1957年，海拉瓦博士提出了利用計算機進行解析測圖的思想，限於當時計算機的發展水平，解析測圖儀經歷了近20年的研製和試用階段。到了20世紀70年代中期，計算機技術的發展才使解析測圖儀進入了商用階段。

解析攝影測量的進一步發展是數字攝影測量。從廣義上講，數字攝影測量指的是從攝影測量和遙感所獲取的數據中，採集數字化圖形或數字化影像，在計算機中進行各種數值、圖形和影像處理，研究目標的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數字產品和可視化產晶。這裏的數字產品包括數字地圖、數字高程模型、數字正射影像、測量數據庫、地理信息系統和土地信息系統等。這裏的可視化產品包括地形圖、專題圖、縱橫剖面圖、透視圖、正射影像圖、電子地圖、動向地圖等。對數字/數字化影像在計算機中進行全自動化數字處理的方法稱為全數字化攝影測量，它包括自動影像匹配與定位、自動影像判讀兩大部分。自動影像匹配與定位是對數字影像進行分析、處理、特徵提取和影像匹配，然後進行空間幾何定位．建立數字高程模型和獲得數字正射影像。所獲得的可視化產品則為等高線圖和正射影像圖等。由於自動影像匹配與定位能代替人眼立體觀測的過程，故而是一種計算機視覺方法。自動影像判讀是解決對數字影像的定性描述，並稱為數字圖像分類。數字圖像低級的分類方法是基於灰度、特徵和紋理等，多用統計分類方法；數字圖像高級的分類則基於知識，構成分類專家系統。

數字攝影測量的發展還推動了實時攝影測量的問世。所謂實時攝影測量是用CCD多數字攝影機直接對目標進行數字影像獲取，並直接輸入計算機系統中。在實時軟件作用下，立刻獲得和提取需要的信息，並用來控制對目標的操作。這種實時攝影測量系統主要用於醫學診斷、工業過程控制和機器人觀察方面。在陸地車載或空中機載、星載系統中，利用GPS定位技術和CCD影像技術可以實時地直接為GIS採集所需要的數據和信息，對軍用和民用都有極大的意義。

綜上所述，攝影測量經歷了模擬法、解析法和數字化三個發展階段。 ^[2] 

攝影測量儘管有各種各樣的分類，但它們的基本理論依據是共同的，就是攝影構像的數學模型。對單張像片而言，這個數學模型是基於攝影時物點、鏡頭中心、像點三點位於同一直線上，由此建立的方程稱之為共線條件方程或構像方程。對於一個立體像對（由不同攝影站攝取的、具有一定影像重疊的兩張像片），則又可引申出能夠表明內部和外部幾何關係的數學模型，具體到實際作業中，這些數學模型構成了單像攝影測量和雙像（立體）攝影測量的理論基礎。 ^[3] 

採用攝影測量方法測制地形圖，必須對測區進行有計劃的空中攝影。將航攝儀安裝在航攝影機上，從空中一定的高度對地面物體進行攝影，取得航攝像片。運載航攝機的飛機飛行的穩定性要好，在空中攝影過程中要能保持一定的飛行高度和航線飛行的直線性。

飛機的飛行航速不宜過大，續航的時間要長，實施飛行直至把整個航攝區域攝影完畢，經過室內攝影處理（顯影、定影、水洗、晾乾等），從而得到了覆蓋整個航攝區域的航攝像片。所採用的像幅大小有兩種：一種是18 cm×18 cm的像片，另一種是23 cm×23 cm的像片（也稱大像幅的像片）。

以測繪地形為目的的空中攝影多采用豎直攝影方式，要求攝影機在曝光的瞬間物鏡主光軸保持垂直於地面、實際上，由於飛機的穩定性和攝影操作的技能限制，航攝機主光軸在曝光時總會有微小的傾斜，按規定要求像片傾角應小於2°~3°，這種攝影方式稱為豎直攝影。豎直航空攝影可分為面積航空攝影、條狀地帶航空攝影和獨立地塊航空攝影i種。面積航空攝影主要用於測繪地形圖，或進行大面積資源調查；條狀地帶航空攝影主要用於公路、鐵路、輸電線路定線和江、河流域的規劃與治理工程等，它與面積航空攝影的區別一般只有一條或少數幾條航帶；獨立地塊航空攝影主要用於大型工程建設和礦山勘探部門，只拍攝少數幾張具有一定重疊度的像片 ^[4] 

攝影測量的主要特點為：

(1)無需接觸物體本身獲得被攝物體信息。

(2)由二維影像重建三維目標。

(3)面採集數據方式。

(4)同時提取物體的幾何與物理特性。

影像獲取的手段有框幅式攝影機、光機掃描儀、全景攝影機、CCD固態掃描儀、合成孔徑側視雷達等。 ^[5] 

按距離遠近分為航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量、近景攝影測量、顯微攝影測量。

按用途分為地形攝影測量與非地形攝影測量，地形攝影測量主要用來測繪國家基本地形工業、建築、考古、地質工程及生物和醫學等各方面的科學技術問題。

按處理手段分為模擬攝影測量、解析攝影測量和數字攝影測量，模擬攝影測量的結果通過機械或齒輪傳動方式直接在繪圖桌上繪出各種圖件來，如地形圖或各種專題圖，它們必須經過數字化才能進入計算機；解析和數字攝影測量的成果是各種形式的數字產品和目視化產品，數字產品包括數字地圖、數字高程模型、數字正射影像圖、測量數據庫、地理信息系統和土地信息系統等。這裏的可視化產品包括地形圖、專題圖、縱橫剖面圖、透視圖、正射影像圖、電子地圖、動畫地圖等。 ^[6]