实时摄影测量

在极短的时间内，完成从数字图像获取到取得所摄物体形状和位置信息全过程的测量技术

实时摄影测量是指在极短的时间内，完成从数字图像获取到取得所摄物体形状和位置信息全过程的测量技术。实时摄影测量技术最突出的优点是能迅速获取现场信息和识别物体。

简介

实时摄影测量则是快速提供测量结果的技术。按21世纪的科技水平，实时摄影测量是一种响应时间为一个视频周期(如1/30秒)的非接触性的三维量测技术。实时摄影测量最突出的优点是能迅速获取现场信息和识别物体。从摄影到目标位置获取，传统摄影测量是分步完成的，而实时摄影测量是一步完成的，其处理时间不大于1/30秒。

实时摄影测量的主要思想是在图象获取之后，没有任何耽搁，立即提供有关控制过程的测量数据。可借助微机通过在线分析的数字化的视频图象来实现这个目的。目前已研发出的基于卫星精确制导下的实时摄影测量战场评估系统，可以让指挥机关在打击后的数十秒内获得毁伤图像，以便确定射击是否转移、停止以及联合行动是否按计划推进等基本问题。

测量步骤

实时摄影测量过程的基本步骤是：图象获取、图象数字化、影象点定位、物体三维坐标的计算。有关实时摄影测量工作站的技术要求是测量时间和所达到的测量精度。

图象获取

所用的摄影机是普通的摄象机，它可以通过一个固态的扫描器芯片，不停地记录图象。该芯片可以保证所记录图象的高度的几何稳定性。虽然所有直接存取式的数字摄影机对于时摄影测量处理是可用的，但是摄象机还是最合适的，因为它能较好地适应其他标准化系统元件。

每个工作站至少要有两台摄象机，但是为了避免交会过程中可能产生的未能检测到的粗差，应该使用更多的摄象机。由于使用的摄象机增加，相对于所测物体的大小，人们可以灵活地布设摄象机。这不仅可以改善交会图形，而且还可以提高分辨率和所测物体坐标的精度。

如果使用各种不同的摄影机来记录影象，那么，使用摄象机则是合情合理的。普通摄象机的影象频率是25赫兹，而且其图象芯片对可见光和近红外光是敏感的。依据所摄和被测对象，还可以使用装备有远红外线、热敏元件、高速电子快门或带有水下防护罩的摄象机。

图象的数字化

视频图象是按512×512个象素数字化，每个象素具有8个存储单元，即256个灰度级。分辨率的高低与图象芯片中传感元件的多少有关，这也成为一种度量标准。数字化后的物体影象细部的分辨率在垂直方向上是400~500个竖线，在水平方向上要稍低一些。

影响摄影测量内部符合精度的几何分辨率是比较高的。当图象以1：500比例的分辨率初步数字化时，在图面上实际量测的分辨率从1：10000到1：20000成比例地扩张。这是由于扫描器芯片的几何稳定性和单个传感元件辐射集成的8比特数字化的的缘故。

象点定位

从原理上讲，有两种不同的象点定位方法，即使用主动式目标或使用被动式目标。主动式目标法是依靠物理性目标，比如反射目标或投射激光点。被动式目标法使用预先确定、储存的图象模片，它是由参考图象截取的许多“小窗口”。图象模片则包含有足够的物方信息，以供随后的实际量测影象点中，研究和匹配该点之用。反目十目标可以用来首次检校和定位特征点或其他明显目标点。当无特征点的物体表面需要完全数字化时歧者侧站用来放样时，一般使用投射激光点。影象模片最适合于重复控制的目的，例如生产过程的控制和测站自身捡校控制的更新。

在一些“机器视觉”的应用中，物空间、物体自身和其方位被视为未知数和不设任何坐标的情况下，来进行物方点的定位。这时，匹配过程直接涉及到物空间信息，诸如特征乃至不同的面元素，同时也受到共线方程的约束。

所有定位过程都充分利用了辐射图象的信息，在内插和相关之后，形成了上述测量结果。

物方点坐标计算

在图象上的点被定位后，就要计算其三维物方坐标。利用测站实际检校的数据，完成物空间交会。

摄站建立以后，首先要对其进行检校。如果必要的话，在作业周期间，反复地控制和更新检校。更新和控制是以包含有一系列控制点的存储影象模片为基础的：这些控制点位于首次检校后正确的测量环境内和其周围。此后，这些影象模片，即控制点在影象上不断地被重新定位，位移向量实际控制着幢校。通常，工作站指的就是起始的检校数据。

在测量空间中，总是有两个不同的坐标系。一个是在检校过程中，由工作站自身所确定的坐标系；另一个是相对于广商所设计的模型而言的特定的物空坐标系。仅仅当需要将所测得的坐标归化到设计模型中去时，才有必要将工作站相对特定的物空坐标系进行绝对定向。借助物体上一系列名义上已计算出来的连接点，通过相似变换，可以求得物点的绝对坐标。

最简单的检校上述装置的方法是自由网检校方法，它不需要任何外部控制测量(Haggren等，1989)。工作站完全依靠由于多重图象观测值引起超定来确定自身检校，仅仅需要提供比例尺。

操作规范

对实时摄影测量站的用户而言，操作规范是重要的。主要的技术要求是测量时间和所能达到的测量精度。而这两项指标随着应用场合的不同而不同。为了实现对生产过程的控制，一次所测量的点数总是要受到限制。这样，相应的测量时间就比较短——几秒之内。在这段时润内。要完成记录目标物、象点定位、空间交会和物空坐标的相似变换。

对一个由4台摄象机组成的工作站而言，相对于每台摄象机所摄场景的大小，三维测量的相对精度为1/10000～1/15000。如果将几台摄象机围绕着所摄物体跨接在一起，相对于整个物体的尺寸而言，相对精度要高一些，这是由于影象比例尺增大的缘故。

实时摄影测量系统

实时摄影测量系统一般应包括:一个或两个固态摄影机(以获取影象的电信号)、模数转换装置、数字图象处理设备(影象处理器、在高速度下实现影象增强、边缘探测、特征提取、目标识别、影象匹配和摄影测量计算等)、控制装置和各种输出设备。如果再添加机器人及机器人的发令设备，则可以构成图1所示的一种“自动驾驶系统”，这是一种为广大工业界所梦寐以求的自动化系统。

一般估计，这种系统可用于工业生产过程、质量控制和生物立体测量，还可用于自动化生产线上非规格产品的自动剔除和分类，并为危险空间或遥远距离空间作业的机器人提供实时而准确的空间信息。此类系统的实现对工业生产和科技方面都有重要意义。

工程建筑应用

在建筑工程领域中，有两个工程测量项目可以使用实时摄影测量来实现，两者都是与建筑构件预制有关的。第一个是类似于房架的单个或小型术制构架的生产放样工作，第二个是预制混凝土构件的空间质量的控制。

设计尺寸的放样如图2所示，利用扫描激光，根据设计数据将设计点标定出来，而激光则是由计算机精确控制的。通过测定投射激光点的瞬时位置，摄影测量工作站自动地依执指示激光点指向每个点的设计位置。

空间质量控制如图3所示，混凝土构件在浇铸后，由工作站进行控制。利用标准化模片将构件额定的边缘和角点标定出来，并指出实际位置的偏离值。为了发现超过限差的由于制作造成的变形，要计算实际点的三维坐标，并与设计值相比较。

在现代建筑工业领域中，我们应该迅速将实对摄影测量应用于新的和潜在的应用场合。虽然上述两个例子都是初步概括的，但是还是比较实际的，并且针对需要，给出了解决的方法，成功地完成了适用于两项任务所要求的作业规范。

研究现状及发展趋势

目前，在一些国家出现的机器视觉(MachineVision)如图4，虽然它与实时摄影测量在本质上有紧密的联系，但它所引用的技术还停留在单个影象的比例尺归化，最多的也只是二维变换与最简易的立体视觉上。这些设备大多用于工业方面，以进行对产品的检查、分类、导向和控制。所以，把此类视觉系统称之为实时摄影测量的初级阶段。从这个观点出发，将来的实时摄影测量则是计算机视觉系统的高级阶段。

实时摄影测量现在正处于向高级阶段转变的时期。其中主要表现是:固态摄影机、影象处理硬件以及微型计算机的进展；摄影机的精度与稳定性得到快速改善；图象处理硬件的发展，使计算速度较软件快十倍到百倍；微型计算机的速度和功能也在稳定增长。所有这些，连同正在下跌的价格，使实时摄影测量的前景确实变得大有希望。

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