水下攝影測量簡介

水下攝影測量技術(shù)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(biāo)幾何特性的技術(shù)。它是近景攝影測量中一種特殊的測量技術(shù)，被廣泛應(yīng)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(jī)在空中而目標(biāo)物在水中；另一類是采用水下拍攝，即攝影機(jī)和目標(biāo)物均在水中。目前水下攝影測量技術(shù)采用水上拍攝方式進(jìn)行精密測量缺乏深入的理論研究，尚無實(shí)際應(yīng)用 。

由于水面折射的存在，物點(diǎn)A 經(jīng)過折射成像于像點(diǎn)a，成像光線中物點(diǎn)A、攝影中心O及像點(diǎn)a這3點(diǎn)不再共線。設(shè)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(diǎn)改正法模型

該方法模型考慮折射改正，分別通過像點(diǎn)的光學(xué)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(diǎn)到介質(zhì)面的距離h。然而在實(shí)際工程應(yīng)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(shí)時獲取。因此，像點(diǎn)改正法模型在實(shí)際測量中很難得到應(yīng)用。

2　物方點(diǎn)改正法模型

該方法模型通過建立虛擬物方點(diǎn)，實(shí)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(diǎn)與實(shí)際物方點(diǎn)的幾何函數(shù)關(guān)系；然后通過對虛擬物方點(diǎn)的3維坐標(biāo)測量實(shí)現(xiàn)對實(shí)際物方點(diǎn)的3維坐標(biāo)測量。

但是該模型建立的前提是，假設(shè)物方坐標(biāo)系在水面上。這需要已知各物方點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中是不能或很難實(shí)現(xiàn)的。

3 界面法構(gòu)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(chǔ)，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(biāo)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(gòu)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(gòu)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(biāo)志點(diǎn)（一般6個即可），使其漂浮固定在水面上。通過解算出該標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而擬合出水面作為一個幾何平面在水下坐標(biāo)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(diǎn)坐標(biāo)初值的獲取

空氣中進(jìn)行近景攝影測量處理解算得到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，可以作為水下測量目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)初值。對于水下目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行水上拍攝，暫不考慮折射改正。通過解算處理，獲得不準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了迭代收斂，解算出的外方位元素值精度較高 。

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(jìn)行。試驗對口徑為36cm的鋁合金制試驗用天線進(jìn)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(biāo)志點(diǎn)和45個回光反射標(biāo)志。它們都是用高亮反光材料制成，可以產(chǎn)生“準(zhǔn)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(jī)進(jìn)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(jìn)行攝影測量，并加入基準(zhǔn)尺，通過V－STARS系統(tǒng)解算出天線上所有標(biāo)志點(diǎn)的物方3維坐標(biāo)，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(jī)在空氣中進(jìn)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(zhǔn)確的物方點(diǎn)3維坐標(biāo)，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(jìn)行相應(yīng)的折射改正。首先通過空間后方交會，迭代解算出準(zhǔn)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(zhǔn)確的物方點(diǎn)位3維坐標(biāo)（X，Y，Z）。

3　試驗結(jié)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(jié)果進(jìn)行換算，得到天線各點(diǎn)位在空氣中測量和水下測量時的坐標(biāo)變化值。

在攝影距離2m 的范圍內(nèi)，V－STARS系統(tǒng)單相機(jī)測量的點(diǎn)位精度優(yōu)于0.02mm，并且試驗用天線是剛體結(jié)構(gòu)的，放入水下測量時不變形。經(jīng)過公共點(diǎn)換算，二者的點(diǎn)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。

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(diǎn)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(jìn)行水下攝影測量的測量精度可以接近或達(dá)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(diǎn)考慮相機(jī)的水下標(biāo)定和加入界面參數(shù)的自檢校光束法整體平差，以進(jìn)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(jìn)行研究分析，推導(dǎo)界面法構(gòu)像方程模型；經(jīng)過試驗獲得點(diǎn)位精度為0．94mm 的測量精度。結(jié)果表明利用界面法構(gòu)像方程模型可以有效實(shí)現(xiàn)折射改正 。2100433B

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

19世紀(jì)中葉，法國陸軍上校勞塞達(dá)利用所謂“明箱”裝置，測制了萬森城堡圖。勞塞達(dá)被公認(rèn)為“攝影測量之父”。航空技術(shù)發(fā)達(dá)之后，攝影測量學(xué)被稱作航空攝影測量學(xué)。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(shù)的迅速發(fā)展，1980年，國際攝影測量學(xué)會改稱為“國際攝影測量與遙感學(xué)會”。攝影測量進(jìn)人到遙感這個新的歷史時期。

攝影測量就是利用攝影技術(shù)(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?jǐn)z影測量。

攝影測量三個發(fā)展階段從時間上來看沒有嚴(yán)格準(zhǔn)確的劃分，但基本上，在50年代早期，沒有計算機(jī)，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(shù)來實(shí)施。60年代早期出現(xiàn)第一批數(shù)字式計算機(jī)，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(biāo)志著解析攝影測量時代的到來。當(dāng)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(yán)格地考慮硬件，這種情況持續(xù)了10年。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字制圖和計算機(jī)圖形學(xué)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?jǐn)z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(xué)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(fù)制等。

工業(yè)攝影測量可用于汽車外殼形狀的測定，大型機(jī)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(xué)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(xué)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(shù),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(lǐng)域最新數(shù)字近景攝影測量應(yīng)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(jī)視覺替代傳統(tǒng)的人眼雙目視覺原理而獲得實(shí)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(jī)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(jī)所獲的近景影像進(jìn)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(bǔ)了國內(nèi)國際近景攝影測量技術(shù)五十多年無實(shí)質(zhì)性發(fā)展的空白，是一項應(yīng)用前景遠(yuǎn)大的測量新技術(shù)。