水下攝影測量試驗與結果

1　試驗條件

水下攝影測量試驗是在一個直徑為1.3m，高為1m的試驗用桶中進行。試驗對口徑為36cm的鋁合金制試驗用天線進行了測量。該天線近似為拋物面形，在其上面貼了5個編碼標志點和45個回光反射標志。它們都是用高亮反光材料制成，可以產(chǎn)生“準二值影像”。試驗的攝影環(huán)境正常。桶中注水80cm，采用尼康D700相機進行水上拍攝獲得相片數(shù)據(jù)。

2　試驗過程

試驗可以分為以下3個步驟。

第1步，在空氣中對天線進行攝影測量，并加入基準尺，通過V－STARS系統(tǒng)解算出天線上所有標志點的物方3維坐標，并將其保存。為下一步水下測量解算提供初始值。

第2步，天線置于水深80cm的試驗用桶中，相機在空氣中進行拍攝，獲得15張相片，相片質(zhì)量合格，與步驟1的解算相同。由于折射存在的影響，得到不準確的物方點3維坐標，同時也獲得了各攝站的姿態(tài)6參數(shù)的近似值。為步驟3解算提供初始值。

第3步，利用由步驟2解算所得到的初始值，根據(jù)線性化公式編寫水下攝影測量程序并進行相應的折射改正。首先通過空間后方交會，迭代解算出準確的各攝站的外方位元素；然后再通過空間前方交會，迭代解算出準確的物方點位3維坐標（X，Y，Z）。

3　試驗結果

利用工業(yè)攝影測量系統(tǒng)V－STARS將步驟1和步驟3的解算結果進行換算，得到天線各點位在空氣中測量和水下測量時的坐標變化值。

在攝影距離2m 的范圍內(nèi)，V－STARS系統(tǒng)單相機測量的點位精度優(yōu)于0.02mm，并且試驗用天線是剛體結構的，放入水下測量時不變形。經(jīng)過公共點換算，二者的點位誤差分別是：X 軸方向為0.905mm；Y 軸方向為0.203mm；Z 軸方向為0.179mm；測量精度為0.94mm。

由于水面折射的存在，物點A 經(jīng)過折射成像于像點a，成像光線中物點A、攝影中心O及像點a這3點不再共線。設α和β分別為成像光線在水面的入射角和折射角。水下攝影測量時，成像光線穿過兩種不同的介質(zhì)，在介質(zhì)分界面處產(chǎn)生折射。此時常規(guī)近景攝影測量中的共線方程理論模型不能適用，因此需要從折射改正入手來重新建立測量模型。

1　像點改正法模型

該方法模型考慮折射改正，分別通過像點的光學位移、投影器主距的改變以及投影高度的改變，這3種途徑來建立水下攝影測量歸化模型。其主要思想是：將入射線的光束轉(zhuǎn)變到物體的一個透視射線束，使得雙介質(zhì)攝影測量的問題轉(zhuǎn)化為一般的單介質(zhì)攝影測量問題。

歸化模型存在的問題是：解算要求已知各攝站S 到介質(zhì)分界面的距離H 和各物點到介質(zhì)面的距離h。然而在實際工程應用中獲取這兩類距離值或者是有很大的困難，或者是根本無法實時獲取。因此，像點改正法模型在實際測量中很難得到應用。

2　物方點改正法模型

該方法模型通過建立虛擬物方點，實現(xiàn)傳統(tǒng)近景攝影測量的共線方程理論。

首先確定虛擬物方點與實際物方點的幾何函數(shù)關系；然后通過對虛擬物方點的3維坐標測量實現(xiàn)對實際物方點的3維坐標測量。

但是該模型建立的前提是，假設物方坐標系在水面上。這需要已知各物方點距水面的距離Z和各攝站距離ZS，而且在具體解算時需要求出每條成像光線的入射角α。這些問題在實際應用中是不能或很難實現(xiàn)的。

3 界面法構像方程模型

通過引入介質(zhì)分界面方程式，將折射改正和幾何約束作為模型建立的基礎，避開了傳統(tǒng)近景攝影測量共線方程。其主要思想為：將物方坐標系O －XYZ 建立在水下，引入介質(zhì)分界面方程，加入折射改正，建立構像方程式；將入射光向量和折射光向量以及分界面的法向量這3個向量共面作為幾何約束條件來建立構像方程式。

1）界面參數(shù)精確值的確定

將微小厚度的塑料平板如光盤上面貼適量的標志點（一般6個即可），使其漂浮固定在水面上。通過解算出該標志點的坐標，進而擬合出水面作為一個幾何平面在水下坐標系下的平面方程。試驗表明，該方法簡單可靠，并且擬合出的平面精度較高，可以作為精確值。

2）外方位元素初值和待測點坐標初值的獲取

空氣中進行近景攝影測量處理解算得到的目標點坐標，可以作為水下測量目標點的坐標初值。對于水下目標點進行水上拍攝，暫不考慮折射改正。通過解算處理，獲得不準確的外方位元素作為水下攝影測量外方位元素的初值。試驗表明，該初值實現(xiàn)了迭代收斂，解算出的外方位元素值精度較高 。

水下攝影測量技術就是利用物方空間在水中、像方空間在空氣中所拍攝的圖像，確定被攝目標幾何特性的技術。它是近景攝影測量中一種特殊的測量技術，被廣泛應用在海底測圖、水深測量、水下考古、水生物研究、海洋工程、氣泡室和零重力環(huán)境下星載柔性天線型面精度測量等。

水下攝影測量按照其攝影方式可分為兩類：一類是采用水上拍攝，即攝影機在空中而目標物在水中；另一類是采用水下拍攝，即攝影機和目標物均在水中。目前水下攝影測量技術采用水上拍攝方式進行精密測量缺乏深入的理論研究，尚無實際應用 。

1）X 軸方向精度較低，原因是X 軸方向為攝影距離方向，即深度方向，根據(jù)多重交向攝影的精度估算公式，像點的量測精度對攝影距離方向的精度影響最大。

2）采取水上拍攝方式進行水下攝影測量的測量精度可以接近或達到空氣中的測量精度。采用后方－前方法平差解算，界面參數(shù)沒有參與平差，影響試驗的成果精度。下一步將重點考慮相機的水下標定和加入界面參數(shù)的自檢校光束法整體平差，以進一步提高水下測量成果精度。

3）對水下近景攝影測量理論模型進行研究分析，推導界面法構像方程模型；經(jīng)過試驗獲得點位精度為0．94mm 的測量精度。結果表明利用界面法構像方程模型可以有效實現(xiàn)折射改正 。2100433B

攝影測量學距今以有二百多年的歷史了。最初叫圖像量測學(據(jù)Ieonometry而來，或譯作量影術)。1837年，發(fā)明攝影技術后，才叫攝影測量學。數(shù)學家勃蘭特早在18世紀就論述了攝影測量學的基礎—透視幾何理論。1839年，法國報導了第一張攝影像片的產(chǎn)生后，攝影測量學開始了它的發(fā)展歷程。

19世紀中葉，法國陸軍上校勞塞達利用所謂“明箱”裝置，測制了萬森城堡圖。勞塞達被公認為“攝影測量之父”。航空技術發(fā)達之后，攝影測量學被稱作航空攝影測量學。1975年，衛(wèi)星上天后，航空測量發(fā)展到了航天測量，再隨著遙感技術的迅速發(fā)展，1980年，國際攝影測量學會改稱為“國際攝影測量與遙感學會”。攝影測量進人到遙感這個新的歷史時期。

攝影測量就是利用攝影技術(主要是航空攝影，也可是地面攝影)攝取物體的影像，從而識別此物體并測求其形狀及位置。攝影測量的發(fā)展可分為三個階段，即模擬攝影測量、解析攝影測量、數(shù)字攝影測量。

攝影測量三個發(fā)展階段從時間上來看沒有嚴格準確的劃分，但基本上，在50年代早期，沒有計算機，那時的攝影測量就是要避免計算，對于制圖和影像輸出都采用模擬技術來實施。60年代早期出現(xiàn)第一批數(shù)字式計算機，但攝影測量還是沒能跳出傳統(tǒng)攝影測量的范圍。因此，以上時期屬于模擬攝影時期。到了70年代，正射影像和解析測圖儀的出現(xiàn)，標志著解析攝影測量時代的到來。當時的攝影測量儀器制造業(yè)沒有參與軟件的研制而且沒有嚴格地考慮硬件，這種情況持續(xù)了10年。隨著計算機技術的發(fā)展，促進了數(shù)字制圖和計算機圖形學的發(fā)展，同時遙感也逐漸發(fā)展，最終到了80年代左右，開始了數(shù)字攝影測量的發(fā)展。

近景攝影測量可劃分為建筑攝影測量、工業(yè)攝影測量和生物醫(yī)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(fā)掘和歷史文物的復制等。

工業(yè)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(zhì)量和裝配質(zhì)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(yī)學攝影測量包括動物軀體的外形測量，生物發(fā)育過程的記錄，以及對醫(yī)學內(nèi)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(nèi)異物或病灶的位置等。

多基線數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)（Lensphoto）屬于地理信息系統(tǒng)領域最新數(shù)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(tǒng)近景攝影測量原理，以計算機視覺替代傳統(tǒng)的人眼雙目視覺原理而獲得實質(zhì)性發(fā)展的一套全數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)。

它能對普通單反數(shù)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(chǎn)，及對普通數(shù)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(shù)字影像中獲取測繪信息的軟件平臺。它填補了國內(nèi)國際近景攝影測量技術五十多年無實質(zhì)性發(fā)展的空白，是一項應用前景遠大的測量新技術。