數字攝影測量-全85集 | 易學族自學網

定義

英文：Basic concept of digital photogrammetry

世界上對於數字攝影測量的定義，主要有兩種觀點。

a. 數字攝影測量是基於數字影像和攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數字影像處理、影像匹配、模式識別等多學科的理論與方法，提取所攝對像以數字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量學的分支學科。

美國等國稱之為軟拷貝攝影測量（Softcopy Photogrammetry），我國王之卓教授稱為全數字攝影測量（Full Digital Photogrammetry）.這種定義認為，在數字攝影測量過程中，不僅產品是數字的，而且中間數據的記錄以及處理的原始資料均是數字的。

b. 另一種定義，則只強調其中間數據記錄及最終產品是數字形式的，即數字攝影測量是基於攝影測量的基本原理，應用計算機技術，從影像（包括硬拷貝，數字影像或數字化影像）提取所攝對像以數字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量分支學科。

這種定義的數字攝影測量，包括計算機輔助測圖（常稱為數字測圖）與影像數字化圖。

影像數字化測圖，是利用計算機對數字影像或數字化影像進行處理，用計算機視覺（其核心是影像匹配與影像識別）代替人眼的立體量測與識別，完成影像幾何與物理信息的自動提取。

還有一種類型稱之為混合數字攝影測量，通常是在解析測圖儀上安裝一對CCD數字相機，對要量測的局部影像進行數字化，有數字相關（匹配）獲得點的坐標。

各種數字攝影測量系統

V-STARS攝影測量系統

V-STARS系統概況

V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系統是美國GSI公司研製的工業數字近景攝影三坐標測量系統。該系統主要具有三維測量精度高（相對精度可達1/20萬）、測量速度快和自動化程度高和能在惡劣環境中工作（如熱真空）等優點，是目前國際上最成熟的商業化工業數字攝影測量產品。

該系統是基於數字攝影的大尺寸三坐標測量系統，也稱為工業攝影測量系統（Industrial Photogrammetry System）、數字近景攝影測量系統、數字近景攝影視覺測量系統、數字攝影三維測量系統、三維光學圖像測量系統（3D Industrial Measurement System）。

它通過V-STARS軟件(如圖3)處理採集好的照片來得到待測點的三維坐標，而這些照片是用一個高精度的專業相機（如美國GSI公司的INCA3相機），通過在不同的位置和方向，對同一物體進行拍攝所獲取的， V-STARS軟件會自動處理這些照片，通過圖像匹配等處理及相關數學計算後得到待測點精確的三維坐標。一旦處理完畢,被測對象的三維數據將會進入到坐標系統中,就好像以前測量過或者處理過一樣。如果需要的話,V-STARS 軟件還內置了分析工具,三維數據可以被輸出。這些被測量的物體一般是事先手動貼上回光反射標誌，或者是通過投點器投射上點，或者是探測棒上的點。

V-STARS系統技術特點

（1）高精度：單相機系統在10m範圍內測量精度可以達到0.08mm，而雙相機系統則可以達到0.17mm；

（2）非接觸測量：光學攝影的測量方式，無需接觸工件；

（3）測量速度快：單相機幾分鐘即可完成大量點雲測量，雙相機實時測量；

（4）可以在不穩定的環境中測量（溫度，震動）：測量時間短受溫度影響小，雙相機系統可以在不穩定環境中測量；

（5）特別適合狹小空間的測量：只要0.5m空間即可拍照、測量；

（6）數據率高，可以方便獲取大量數據：像點由計算機軟件自動提取並量測，測量1000個點的速度幾乎與10個點的一樣；

（7）適應性好：被測物尺寸從0.5m到100m均可用一套系統進行測量；

（8）便攜性好：單相機系統1人即可攜帶到現場或外地開展測量工作。

V-STARS系統分類

V-STARS系統可採用脫機和聯機二種測量方式，即單相機系統和雙（多）相機系統，如圖4。根據採用不同的相機又可以分為V-STARS/S（智能單相機系統）、V-STARS/E（經濟型單相機系統）和V-STARS/M（智能多相機系統）

1 智能單相機系統V-STARS/S

智能單相機系統主要特點是，它不僅提供高精度的測量，而且便攜。

目前的最新型號為V-STARS/S8，主要包括1台測量型數碼相機INCA3、1台筆記本電腦（含系統軟件）、1套基準尺、1根定向棒、1組人工特徵標誌點（定向反光標誌）。

（a）INCA3相機（b）軟件與附件

圖5 V-STARS/S8系統圖6 單相機測量過程

INCA（INteligent CAmera）是GSI公司自主研製的測量型智能相機，它採用高分辨的CCD芯片獲取圖像，內置單片機可以實時對所拍攝的像片進行無損壓縮、標誌點識別等處理工作，穩固的整體機身專為工業現場而設計，表1是最新型號INCA3a的主要技術參數。

表1 INCA3a相機技術參數

該系統主要用於對靜態物體的高精度三維坐標測量，測量時只需要手持相機距離被測物體一定距離從多個位置和角度拍攝一定數量的數字像片（圖7），然後由計算機軟件自動處理（標誌點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算）得到特徵標誌點的X、Y、Z坐標。

V-STARS/S8系統的典型測量精度（1倍sigma）由原來的5um+5um/m（採用INCA3相機）已提高到4um+4um/m（採用INCA3a相機），即10m範圍的測量精度達到0.044mm。

需要重點提出的是，該系統的主要優勢是其便攜和高精度，整個系統（包括一個電腦，一個相機和其附件）可以被裝在兩個箱子中，你可以隨身攜帶，為你的工作提供極大的方便。

2 經濟型單相機系統V-STARS/E

V-STARS/E是GIS公司入門級的單相機系統。對測量精度要求不是很高，而又求比較經濟的測量用戶來說，該系統是比較好的選擇。

經濟型單相機系統目前最新型號為V-STARS/E4X，除相機採用尼康D2X之外，其餘配置與V-STARS/S8完全一樣，圖7。但對於V-STARS/E4X系統，它不能升級為雙相機系統。

V-STARS/E4X系統的測量精度為10um+10um/m。

圖7 V-STARS/E4X系統

經濟型單相機系統由於採用一般商用相機、測量精度相對較低，主要應用於對靜態物體的中等精度測量工作。

該系統的主要特點是簡單便攜，而且相對於價格昂貴的V-STARS/S8系統來說，該系統具有絕對的價格優勢，另外，用我們的尼康D2X相機拍攝的照片，V-STARS軟件可以直接識別，不但方便而且精度高。

3 智能多相機系統V-STARS/M

該系統主要用於在不穩定的測量條件下提供實時測量。

智能多相機系統目前的最新型號為V-STARS/M8，它可以採用2台或 2台以上的INCA相機，其最為常用的是雙相機系統，主要包括：2台測量型數碼相機INCA3、1台筆記本電腦（含系統軟件）、1套基準尺、1根定向工棒、1套輔助測棒、1組人工特徵標誌點和1套聯機附件（相機腳架、電纜線和控制器）。如圖8。

V-STARS/M8雙相機測量時通過軟件控制相機拍攝像片，可以同時測量被測物體上的特徵標誌點集、也可以通過輔助測量棒實現單點測量，尤其適合隱藏點測量。

V-STARS/M8系統配合投點器（圖11）使用，則可以實現真正意義上的非接觸式測量。

圖11 雙向+投點器實現非接觸式大量點雲測量

由於是通過控制器控制相機同步曝光，故該系統尤其適合動態物體的測量，包括變形測量。另外，採用了整體光線束法平差技術，當相機腳架處於不穩定環境（如振動）中時也可以實現高精度測量。在動態測量模式下，每移動一次相機，就對被測物體上的標誌點拍攝一組照片，但是，這些點必須是在物體上一些穩定控制點，這樣，相機的移動對測量產生的影響就可不計。而一般的，這個穩定的控制場是用單相機系統建立的。

V-STARS/M8（雙相機）系統的典型測量精度為10um+10um/m。

V-STARS系統的應用

V-STARS系統在國外航空航天、天線製造，汽車、造船、核工業等諸多領域均有廣泛應用。如圖12。

主要處理過程

空中三角測量內定向相對定向絕對定向數字地面模型生成（數字地形模型產生）正射影像生成等高線測繪地物測繪

數字攝影測量實用系統

適普軟件有限公司（中國） AICON 3D Systems GmbH CorrelatedSolutions Inc.（美國） Geodetic Services Inc. (GSI) GOM mbH Imetric GmbH LIMESS GmbH Leica Photogrammetry Suite (LPS) Rollei Fototechnic GmbH 近景攝影測量軟件Lensphoto

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