近景摄影测量

近景摄影测量摘要：阐述了近景摄影测量技术中常用坐标系统和各种解析处理方法，尤其是基于共面条件方程式下的处理方法，并在古文物、生物学、交通事故现场、相似模拟实验等个方面详细介绍了近景摄影测量的应用，同时简要列述了其所需的几种常用摄影摄像设备。

关键词：近景摄影测量，立体像对，解析法0、引言：近景摄影测量是通过摄影和随后的图像处理以获取被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。

凡可摄取影像的目标，均可作为近景摄影测量的对象，以获得目标上点群的三维空间坐标，以及基于这些三维空间坐标的长度、面积、体积、等值线（剖面线）等。

在同时记载时间信号的情况下，还可获取运动目标的运动状态，即获取运动目标（点）的速度、加速度和运动轨迹等。

数十年来世界各国的研究与实践表明，几乎所有民用或军用部门均使用过近景摄影测量技术。

目前此技术已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、航空航天技术、船舶制造、汽车制造、城市区域规划、地质、采矿、冶金、化工、医学、生物、古建筑与古文物研究、考古乃至音乐器材、美术作品研究等国民经济部门。

1、近景摄影测量系统的建立1.1近景摄影测量中常用的坐标系统(1)物方空间坐标系D-XYZ，用于形容被测目标的空间形状或运动状态，例如某物方点A的空间坐标（X，Y，Z）；(2)像空间坐标系S-xyz，用于形容像点a的空间坐标（x，y，-f）；(3)辅助空间坐标系S-XYZ。

是像空间坐标系S-xyz与物方空间坐标系D-XYZ之间的某种过度性坐标系，常依需要而有不同的定义。

1.2近景摄影测量试验场的建立（1）试验场的设计（2）相对控制条件的安量。

一、距离相对控制的设置较易，只要用精密丈员工具高精度地阅出两个控制点标志点中心的距离即可。

二、铅垂线相对控制，采用两台经纬仪，精确整平后，各自利用望远镜十字丝中心精确照准同一摄影标志中心，固定水平螺旋，然后酗心调整其它各个标志点的上下左右前后空间位置，使各点均落在两台经纬仪望远镜上下旋转所形成的两个铅垂面的交线上，可把各点定在同一铅垂线上。

三、竖宜平面相对控制的确定，首先定出各预定垂直面在水平面(地面)上的摄影经，然后把经纬仪中心精确设置在该线上，并使望远镜十字丝小心落在该线上，固定水平创动螺旋，仔细调整各点的前后位置，使各控制点均落在望远镜上下旋转所形成的铅垂面内，最后用线纹米尺对各面上的点进行检核。

四、水平线相对控制，利用水准仪与钢片尺相结合的方法，首先整平水准仪定出一条水平视线和水平视面，然后上下移动标志点，并用钢片尺切于标志点上，使水准仪中钢片尺的读数相等为止。

五、水平相对控制，设置方法与水平线相对控制相同。

（3）基线直角坐标系统在离试验场控制点中部适当距离处，平行控制场设立两个经纬仪测站12S S 和如图1。

假如两个经纬仪望远图1镜中心间的水平距离为D ，竖直距离为V ，现以左经纬仪站1S 为坐标系的原点；X 轴为12S S 、连线的水平投影，向右为正，Y 轴为在原点所在水平面内垂直于X 轴的直线，向后为正，Z 轴为望远镜的竖轴，向上为正；建立基线直角坐标系。

在该系统内，1S 的坐标分别为(0，0，0)和2S 〔D ，0，V 〕，为起算数据。

其中水平距离D 和竖直距离V 既可实地直接精确量取，也可由其它简单方法获得。

（4）试验场控制点的外业观测。

在基线直角坐标系中，为求得各控制点的三维坐标，除观测水平角和竖直角外，还须首先精确测定12S S 、间的水平距离D 和铅垂距离V 。

（5）坐标计算及精度评定 2、近景摄影测量的解析处理方法 2.1基于共面条件方程式的近景摄影测量解析处理方法近景摄影测量中，基于“立体像对摄影基线及同名光线应位于同一平面”原理而进行的处理方法，称为近景摄影测量的共面条件方程式解法。

近景摄影测量的共面条件方程式解法，本质上就是摄影测量的独立模型法在近景摄影测量中的移植应用。

此种解法的具体作业步骤包括：（1）相对定向：按共面条件方程式原理，完成相对定向，以形成一个个的单个模型：（2）模型连接：通过比较各个单模型公共点的模型坐标，将各个模型连接起来，以形成统一坐标系的自由网模型；（3）按前方交会法解求所有待定点的摄影测量坐标；（4）整体平差：各单元模型同时实施空间相似变换，以使各控制点的摄测坐标与相应的物空间坐标相逼近，并使不同模型里同一公共点上的摄测坐标相逼近。

当仅处理一个像对时，则作业步骤仅包括相对定向形成模型，前方交会解算模型坐标以及将模型纳入物方坐标系的绝对定向。

下面将本解法中的相对定向步骤作一下介绍，在选定的某过渡摄影测量坐标系1S -XYZ 内，若左像片1P （左光束）的位置已确定，而在右光束的位置与朝向也已正确的情况下，应满足三矢量b ，111222()()s m R s m R 和共面的条件，即应满足此三矢量的混合积（数量矢量积）为零的条件，如图1-5-1。

相应行列式的表达式是：1111122222xy zb b b v w F u v w bx by v w u v w ==-112122220u w u v byu w u v +=式中（111,,u v w ）、（222,,u v w ）分别为左右像点的摄影坐标。

2.2 基于角锥体原理的空间后方交会——前方交会解法基于“以摄影中心为顶点的两根沟像光线的像方角应与其物方角相等”原理的空间后交前交解析处理方法，称之为角锥体原理的空间后方交会——前方交会解法。

此法有个基本运算步骤，即摄影中心与空间坐标的确定'0'0'0s s s X X X Y Y Y Z Z Z ⎫=+∆⎪=+∆⎬⎪=+∆⎭，旋转矩阵的确定以及待定点空间坐标的确定如000XX XY Y Y ZZ Z∆⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+∆⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥∆⎣⎦⎣⎦⎣⎦2.3基于平行线的相对控制的空间后方交会解法分为三个步骤：摄影中心S 与已知点间距离L 的计算、外方位直线元素之解求与外方位角元素的解算。

2.4 移位视差法移位视差（motion parallax ）法是一种用于被测物体二维变形测量的近景摄影测量方法。

移位视差因引起视差的原因是移位（变形）而得名，移位视差又称为作伪视差（pseeudo parallax ）。

移位视差法是一种基于单张像片的用于变形测量的近景摄影测量解析处理方法。

只有被测物体的变形确属二维性质，且能安置量测摄影机光轴垂直于此二维平面的情况下，才能使用此种方法。

3、近景摄影测量的应用 3.1 在古文物方面的应用3.11西夏王陵位于宁夏回族自治区的银川市郊，它是我国现存西夏王的古墓遗址，它被列为世界文化遗产，为了对这一人类珍贵文物作进一步考察、维护，急需该景区工程用图。

利用近景摄影测量方法获取陵墓侧面的立体像对。

采用JX4ADPS 全数字摄影测量工作站获取的立体像对进行数据采集，成图速度快，数据精度高，取得喜人成果。

立体像对的摄取过程包括摄影和测量两部分：摄影工作，在地面选定摄影基线的两端点（12A A 、）上用正直摄影方式，在墓表面的立体覆盖。

4条摄影基线应尽量保持相互垂直的关系，基线长度12A A =物体到镜头÷4，如图2所示。

测量工作,一，控制基线图2的测量，采用全站仪测定每个基线点的坐标值，4条控制基线也应尽量保持相互垂直，并与摄影基线保持平行，另外控制基线应选择合适，使观测像控点的夹角大于30，度，控制点的数目不应少于5个，如图3所示；二，像图3控点的测量，利用全站仪在摄影基线点上，采用前方交会的方法测定每个像控点的坐标（X 、Y 、Z ）。

3.12近景摄影测量用于直接生成塑像施工图纸。

位于广东省南海市西礁山的南海观音铜制塑像高61.9m ，是世界上坐像最高的雕像。

塑像表面以3mm 厚的铜板锻制，塑像内以严谨合理的钢结构支撑，铜板表面处理以及雷击防护技术亦采用了最新科技成果。

使用近景摄影测量手段，直接生成施工图纸是此项工程的重要技术保证。

塑像制作经历了小稿、中稿和实体的3个过程，它们的高度顺次为0.619m,6.19m 和61 .9m 。

小稿与中稿由雕塑家汇同相关人士制作。

比例尺为1：10的中稿，有近两层楼房高，玻璃钢制，表面呈纹理纤弱的灰白色。

按近景摄影测量方法，测定了它的纵断面117个和横断面190个，采集点总数近8万个。

基于这些数据，直接绘制了锻造塑像铜板表面的施工图纸；统计了塑像所用铜板的数量；由钢结构专家设计并制造了塑像内复杂的钢结构。

此近景摄影测量工程，以建立特高精度工业控制网，在解析测图仪上同时处理4个像对、进行表面处理、统计塑像耗铜两特别是直接提供塑像施工图纸并根据以设计制造钢支撑结构等为其技术特点。

它的基本处理方案：将高6.19m 的中稿模型置放于武汉测绘科技大学礼堂内，如图4所示，其周围实现建图4 工业控制冈与摄影方式略图立了由1234Z Z Z Z 、、、四个测墩组成的高精度工业控制网。

对塑像进行了环绕式摄影，共十余个像对，其中最主要的是4个像对，即（11~12，21~22，31~32，41~42）像对。

在塑像上均匀布置有人工标志，这些用于各像对绝对定向的像控点，其精确的空间坐标由相应测墩以前方交会和间接高程的方式测定。

在解析测图仪上，同时处理这4个像对，可快速地获取横断面H1（a,b,c,…..,h,i ）各点的空间坐标，并编辑在同一文件中，省去事后繁琐的数据编辑工作，并能及时发现误差。

横断面H1与相邻横断H7的有关数据，经处理后提供给工厂，直接作为施工图纸。

3.2近景摄影测量在生物学中的应用 3.21人体骨架模型。

在建立人体运动的动力学模型中，首先必须知道人体骨骼肌的形态特性（如：人的身高，体重，肢体长度，肌肉-肌腱的形态，肌肉类型及肌肉附着点位置）。

一般的测量方法只能获取有限点的坐标，不能模拟出整个人体的结构，数字近景摄影测量就很好地解决了这个问题。

从16个不同的位置对人体骨架进行拍摄，保证它的每一部分都至少被一个像对观测到，物距基本上都在4m 左右，所需的控制点采用活动控制架系统，控制点固定分布在活动控制架上，用电子全站仪对控制点观测一次就可以了，对不同的模型这些控制点仍保持不变。

一、控制框架和标本固定夹具的制作。

在近景摄影测量中自行设计了正四棱柱状控制框架(如图5所示)，其图5 框架示意图上均匀对称地布置了16个控制点。

人体骨架模型标本固定夹具与控制框架连为一体，用于调节和固定标本，使之处于近景摄影测量所需要的拍摄位置。

二、摄影过程及三维生标原始数据的获得。

(1)控制点三维坐标致据的获得，为了精确测定16个控制点的空间坐标，采用电子全站仪测定，点位精度可以达到土1mm 。

(2)拍摄场地的图6 摄站俯视图布置及拍摄，在地板上作一半径为4m 的因，将框架置于圆心，标本固定于框架中央，沿逆时针方向在圆周上o 。