航空攝影測量

航空攝影測量單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，立體測圖的基本原理是投影過程的幾何反轉。航空攝影測量的作業分外業和內業。

外業包括：

①像片控制點聯測，像片控制點一般是航攝前在地面上佈設的標誌點，也可選用像片上明顯地物點（如道路交叉點等），用測角交會、測距導線、等外水準、高程導線等普通測量方法測定其平面座標和高程。

②像片調繪，在像片上通過判讀，用規定的地形圖符號繪注地物、地貌等要素；測繪沒有影像的和新增的重要地物；註記通過調查所得的地名等。

③綜合法測圖，在單張像片或像片圖上用平板儀測繪等高線。

內業包括：

①加密測圖控制點，以像片控制點為基礎，一般用空中三角測量方法，推求測圖需要的控制點、檢查其平面座標和高程。

②測制地形原圖。

單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，而攝影過程的幾何反轉則是立體測圖的基本原理。廣義來説，前一情況的基本原理也是攝影過程的幾何反轉。

20世紀30年代以後，攝影過程的幾何反轉都是應用各種結構複雜的光學機械的精密儀器來實現的。

50年代，開始應用數學解析的方式來實現。假設兩張相鄰的航攝像片覆蓋了同一地面AMDC，它們在左片P₁上的構像為ɑ₁m₁d₁c₁，右片P₂上的構像為ɑ₂m₂d₂c₂，兩攝站點S₁和S₂間的距離為基線B。如將這兩張像片裝回與攝影鏡箱相同的投影器內，後面用聚光器照明，就會投射出同攝影時相似的投影光束。再把這兩個投影光束安置在與攝影時相同的空間方位，並使兩投影中心間的距離為b（b為按測圖比例尺縮小的攝影基線），此時所有的同名投影光線都應成對相交，從而得出一個地面的立體模型A'M 'D 'C '。這時，用一個空間的浮游測標（可作三維運動）去量測它，就可畫得地形圖。 ^[2] 

航空攝影具有以下優點：

（1）可以居高臨下地觀察；

（2）航片能把觀察到的各種地面特徵在同一時間裏客觀地記錄下來；

（3）記錄動態現象；

（4）航片是現狀的永久性記錄，且有充裕時間來仔細研究，可將外業現場搬至室內探討；

（5）提高空間分辨率。 ^[1] 

航空攝影測量的主題，是將地面的中心投影（航攝像片）變換為正射投影（地形圖）。這一問題可以採取許多途徑來解決。解法、光學機械法（亦稱模擬法）和解析法等。在每一種方法中還可細分出許多具體方法，而每種具體方法又有其特有的理論。其中有些概念和理論是基礎性的，帶有某些共性，如像片的內方位元素和外方位元素，像點同地麪點的座標關係式，共線條件方程，像對的相對定向，模型的絕對定向和立體觀測原理等。

內方位元素用以確定攝影物鏡後節點（像方）同像片間的相關位置。利用它可以恢復攝影時的攝影光線束。內方位元素係指攝影機主距 f和攝影機物鏡後節點在像平面的正投影位於框標座標系中的座標值（x₀,у₀）。這些數值通過對航攝機鑑定得出，故內方位元素總是已知的。確定攝影光線束在攝影時的空間位置的數據，叫做像片或攝影的外方位元素。外方位元素有6個數值，包括攝影中心S在某一空間直角座標系中的3個座標值Xs、Ys、Zs和用來確定攝影光線束在空間方位的3個角定向元素，如φ、ω、k角。這些外方位元素都是針對着某一個模型座標系O－XYZ而定義的。模型座標系的X座標軸近似地位於攝影的基線方向，Z座標軸近似地與地面點的高程方向相符。在模型座標系內所建立的立體模型必須在其後經絕對定向的過程才能取得立體模型的正確方位。

像點ɑ在以攝影中心S為原點，攝影主光軸z座標軸的像空間座標系（S-xуz）中的座標為x_ɑ、у_ɑ、z_ɑ=-f。此時以S為原點再建立一個輔助座標系（S-uvw）其中3個座標軸u、v、w分別與模型座標的3個座標軸X 、Y、Z相平行。ɑ點在此輔助座標系中的座標設為u_ɑ、v_ɑ、w_ɑ，則其變換關係式為：

R為旋轉矩陣，它是由像空間座標系與輔助座標系的相應座標軸間夾角的餘弦（稱方向餘弦）組成，而這些方向餘弦都是像片的3個角定向元素的函數。這是一個重要的基本公式，因為有很多理論公式或作業公式就是在此基礎上進一步演化得出的。例如，在解析攝影測量中有廣泛應用的“共線條件方程式”，就是根據它的反算式作進一步演化得出。

確定像片對相互位置關係的過程。模擬法相對定向是在立體測圖儀上進行。其理論基礎是使空間所有的同名光線都成對相交。當同名光線不相交時，則在儀器的觀測系統中可以觀察到上下視差（常用 Q表示）。上下視差就是兩條同名射線在空間不相交時在垂直於攝影基線方向中存在的距離。此時將投影器作微小的直線移動或轉動，就可以消除這個距離。理論上只要能夠在適當分佈的 5個點處同時消除該點處的上下視差，就認為已經獲得在這個立體像對內全部上下視差的消除，從而完成了相對定向，得出立體模型。相對定向的解析法是在像片上量測各同名像點的像點座標，例如對左像片為x₁、у₁，對右像片為x₂、у₂。根據同名射線共麪條件的理論可以推導出這些量測值與相對定向元素的關係式。理論上測得5對同名像點的像點座標值，就能夠解算出該像片對的 5個相對定向元素。同名點在左右像片上的縱座標差（у₁-у₂）習慣上也稱之為上下視差，用符號q 表示。

在攝影測量中，相對定向所建立的立體模型常處在暫時的或過渡性的模型座標系中，而且比例尺也是任意的，因此必須把它變換至地面測量座標系中，並使符合規定的比例尺，方可測圖，這個變換過程稱為絕對定向。絕對定向的數學基礎是三維線性相似變換，它的元素有7個，3個座標原點的平移值，3個立體模型的轉角值和1個比例尺縮放率。

立體觀察的原理是建立人造立體視覺，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差後得出的立體視覺。得到人造立體視覺須具備3個條件：①由兩個不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片（稱為立體像對或像對）；②兩隻眼睛分別觀察像對中的一張像片；③觀察時像對上各同名像點的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點間的距離一般要小於眼基線（或擴大後的眼基距）。若用兩個相同標誌分別置於左右像片的同名像點上，則立體觀察時就可以看到在立體模型上加入了一個空間的測標。為便於立體觀察，可藉助於一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對於那種利用兩個投影器把左右像片的影像同時疊合地投影在一個承影面上的情況，可採用互補色原理或偏振光原理進行立體觀察，並用一個具有測標的測繪台量測。

20世紀30年代以來，航空攝影測量的測圖方法主要有3種，即綜合法、全能法和分工法（或稱微分法）。

航空攝影測量的綜合法是攝影測量和平板儀測量相結合的測圖方法。地形圖上地物、地貌的平面位置由像片糾正的方法得出像片圖或線劃圖，地形點高程和等高線則用普通測量方法在野外測定。它適用於平坦地區的大比例尺測圖。

航空攝影測量的全能法是根據攝影過程的幾何反轉原理，置立體像對於立體測圖儀內，建立起所攝地面縮小的幾何模型，藉以測繪地形圖的方法。在立體測圖儀上安置像片時依據內方位元素，目的是使恢復後的投影光束同攝影光束相似（也可在一定條件下變換投影光束）。由於像對的相對定向過程中並未加入控制點，只利用了像對內在的幾何特性，所以建立的幾何模型的方位是任意的，模型的比例尺也是近似值，因此必須通過絕對定向才能據以測圖。

全能法測圖的儀器是立體測圖儀。這類儀器形式繁多，根據投影系統的結構可分為3種類型：

①建立實際投影光線束的光學投影式的；

②從投影中心至像點一方為實際的投影光線，而從投影中心至模型點一方則用方向導杆代替的光學機械投影式的；

③用一根貫穿3個萬向關節（它們分別代表像點、投影中心和模型點）的方向導杆來代替投影光線的機械投影式的。前兩種型式的儀器現已基本淘汰了。立體測圖儀的結構均須有投影系統、觀測（觀察和量測）系統和繪圖系統等幾個主要部分。使用立體測圖儀進行相對定向和絕對定向，是通過兩個投影器的角運動（少數儀器也有直線移動）和測標架上測標的安置動作來實現的。定向之後，可以通過立體觀測，利用儀器上的測標點在地面的立體模型上進行地物和地貌的測繪。有的儀器還可以處理地面攝影的像片，有的可在儀器上作空中三角測量。

立體測圖儀自1930年問世以來，發展到60年代達到高峯，以後主要是發展儀器外圍設備，例如電子繪圖桌、正射投影裝置（見正射影像技術）以及座標記錄裝置等。電子繪圖桌有多種功能，可以自動地做某些內容的繪圖工作。

航空攝影測量的分工法（微分法）是按照平面和高程分求的原則進行測圖的一種方法。使用的主要儀器是立體量測儀。它是根據豎直攝影像對，量測左右視差較和在右方像片上勾繪等高線的一種儀器。一個地面點在左、右兩張像片上構像點的橫座標 x的差值稱左右視差p，而兩個地面點的左右視差之差則稱之為左右視差較Δp，這個 Δp是該兩點的高程差所引起的。

在量測左右視差較Δp的過程中，藉助儀器上的改正機件，自動改正由攝影外方位元素帶來的影響，使之等於理想像對的左右視差或左右視差較；而用高差公式計算高程差；然後用投影轉繪儀把在像片上勾繪的等高線以及調繪的地物，進行分帶投影轉繪成地形圖。中國設計製造的X－2型視差測圖儀是在立體量測儀的基礎上，另加平面改正機件，改進後的儀器，在使用中可把分工法測圖中的兩個步驟一次解決，從而提高了作業效率。意大利、聯邦德國也有類似的儀器。

航空攝影測量的成圖方法和儀器正在向着半自動化和自動化方向發展，在這方面解析測圖儀已經有了相當的成就。

航空攝影測量需要進行外業和內業兩方面的工作。

航測外業工作包括：

①像片控制點聯測。像片控制點一般是航攝前在地面上佈設的標誌點，也可選用像片上的明顯地物點（如道路交叉點等），用普通測量方法測定其平面座標和高程。

②像片調繪。是圖像判讀、調查和繪注等工作的總稱。在像片上通過判讀，用規定的地形圖符號繪注地物、地貌等要素；測繪沒有影像的和新增的重要地物；註記通過調查所得的地名等。通過像片調繪所得到的像片稱為調繪片。調繪工作可分為室內的、野外的和兩者相結合的3種方法。

③綜合法測圖。主要是在單張像片或像片圖上用平板儀測繪等高線。

航測內業工作包括：

①測圖控制點的加密。以前對於平坦地區一般採用輻射三角測量法，對於丘陵地和山地則採用立體測圖儀建立單航線模擬的空中三角網，進行控制點的加密工作。20世紀60年代以來，模擬法空中三角測量逐漸地被解析空中三角測量代替（見空中三角測量）。

②用各種光學機械儀器測制地形原圖。

攝影測量引入我國以來, 國內在數字攝影測量領域的理論研究也取得了較大的進步。在王之卓先生於1978 年提出“全數字自動化測圖系統概念” 指導下, 北京四維遠見公司的JX4DPW, 武漢適普公司的VirtuoZo 這兩套DPW 都於1998年通過了國家測繪局的鑑定。這兩套系統集成了攝影測量數據後處理的大部分工作, 空三測量、4D(DEM, DigitalElevation Model; DLG, Digital Linear Graphy;DOM, Digital OrthoPhotomap , DTM, Digital Terrain Model)產品生產等工作都能在該系統上完成。國內外數字攝影測量工作站的湧現極大地促進了攝影測量在各個方面的應用,同時這些數字攝影測量工作站都極好地提供了完備的膠片像片數字化後各種影像處理方式, 吸收了大量的圖像處理領域的先進技術和理論,如圖像檢測、圖像匹配等, 極大地促進了攝影測量系統的發展。

我國在數字攝影測量工作站和其他航空攝影測量的理論進展並不能掩蓋在航空攝影儀的落後。我國在機載POS 系統, 光學成像鏡頭、CCD製作工藝和水平等方面還有較長的路要走。因此,我國航空攝影測量發展的一個重要內容就是研發具有自主知識產權的數字航空攝影儀。沒有自己的數字航空攝影儀這個航空攝影最前端的產品,數字航空攝影的各個方面如攝影規範的制定、全自動/半自動數字攝影測量工作站、數字航空攝影的應用等都會受到限制。中國科學院光機研究院、中國測繪科學研究院、武漢大學都在這方面進行了許多卓有成效的研究工作。正是在這些科研成果的支持下,2007 年由中國測繪科學研究院、北京四維遠見公司、首都師範大學等幾家單位聯合研製的國產數字航空攝影儀SWDC- 4通過了國家測繪局組織的產品鑑定會, 結束了我國沒有國產數字航空攝影儀的現狀。

SWDC- 4 寬像幅面陣數字航空相機,在高程精度、旁向視場角、重量體積比、可更換鏡頭、降低航高等技術指標上取得了突破。採用的大視場角、大象元角、大基高比技術顯著地提高了成圖效率與高程精度。SWDC進行5000H 飛行時旁向覆蓋寬度近9 公里, 航向覆蓋近8 公里, 60%重疊時基高比近0.59/0.89。SWDC- 4的作業效率和高程精度都高於DMC等國外數字航空相機, 在進行中小比例成圖航空拍攝時, SWDC- 4 具有更高的實用價值。SWDC獨有的組件式自供電結構和有無攝影員兩種工作方式可以適應各種飛行平台、具有極大的適應性。SWDC- 4 能夠進行1 ∶500 到1∶10000 的成圖比例尺的航空攝影, 其作業精度遠高於國家規範所規定的作業精度, 高程精度達到1/10000 航高。 ^[3] 

1、綜合數字航空攝影儀

儘管數字航空攝影儀能夠克服常規航空攝影的種種弊端, 消除高空間分辨率傳感器和LIDAR技術將取代航空攝影測量的認識。但是在國家基礎地形資料逐漸完備、航空攝影數據應用逐漸多元化的趨勢下,單一的黑白或者真彩色航空攝影儀不能完全滿足這種航空攝影多元化應用的需要。國外面陣數字航空攝影儀,如DMC 和UCD就已經具有全色和彩紅外兩種波段, 是因應這一形勢的典型代表。但是,這種波段組成也只是將常規航空攝影的彩紅外相機和黑白相機做了一個集成,還達不到多光譜航空攝影的要求。數字航空攝影儀在不斷提升自身基本功能和性能穩定性基礎上, 將多光譜傳感器集成到數字航空攝影儀中,使數字航空攝影不僅能夠滿足傳統測繪的需要, 而且可以為不斷深入的遙感應用提供更豐富的機載數據。

2、自動或半自動全數字攝影測量工作站

數碼航空相機及其近地輕型數碼航空攝影測量系統的應用將對攝影測量的工作流程和後續數據處理產生巨大的影響,有可能產生革命性的變革。數碼航空相機應用到整個攝影測量過程中後,攝影測量與其他非測圖用遙感數據獲取將可能更加集成。考慮到攝影測量影像較高的幾何精度,與之一起獲取非測圖用遙感數據將可能避免與空間矢量數據精度不匹配、空圖2SWDC- 4數字航空攝影儀間位置不匹配等遙感數據處理經常遇到的問題。數碼航空相機影像獲取的成本和影像存儲的成本將大大降低,常規航空攝影測量要求的航向重疊60%以上、旁向重疊30%以上將不會成為數碼航空攝影測量的制約,航向重疊80%以上、旁向重疊60%以上高冗餘航空攝影測量將可能取代低重疊度常規航空攝影測量。相同的地物點將被更多的影像所反映,攝影測量的立體像對數將大大增加,常規數字攝影測量工作站的影像處理方法將被更多的全自動、半自動處理方法所替代。全自動數字攝影測量工作站將會成為數字測量工作站的下一個發展階段,大量的新技術、新方法將應用到全自動數字攝影測量工作站中。數字航空攝影系統的採用及大量的圖像匹配、模式識別、計算機視覺技術、並行計算技術、網格計算技術的引入使大量的原來需要人機交互的工作可以全自動工作,這將大大地提升航空攝影數據處理的效率。基於高性能台式機的全自動數字攝影測量工作站的研製將成為攝影測量領域的另一研究焦點。其中基於多目視覺的影像匹配及方位元素解算技術、高程精度的大比例尺地圖快速成圖與更新技術、高冗餘網狀航空攝影處理技術、面向區域自動“跨像對” 的數字成圖技術等將會成為自動或半自動全數字攝影測量工作站的關鍵技術。

3、數字攝影測量網格和準實時攝影測量

航空攝影測量其旺盛的生命力就在於其不斷地吸收相關領域的最新理論和技術,局域網、萬維網、網格技術的發展必然使得數字攝影測量會引進最新的理論研究成果,將計算機網絡、集羣處理、並行處理等最新技術應用到航空攝影測量後處理中。數字攝影測量網格將單個數字攝影測量工作站、集羣處理系統、網格處理系統等集成在一起,有可能實現實時或準實時攝影測量。我們相信再經過幾年或者十幾年的發展, 航空攝影空中作業完成後, 一天之內數字正射影像就可以提供給用户,數字攝影測量也會迎來發展和應用的又一個高峯。 ^[3]