凡可摄取其影像的目标,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。它的优点是像片信息量大,摄影与摄影测量处理可分阶段进行,不受时间的限制。适合于不规则物体的外形测量、动态目标的测量,以及燃烧、爆炸等不可接触物体的测量。
对近距离(一般指小于100米)非地形目标进行摄影/摄像,经图像和摄影测量处理而获取被摄目标的形状、大小和运动状态等特性的摄影测量学分支。
凡可摄取其影像的目标,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。它的优点是像片信息量大,摄影与摄影测量处理可分阶段进行,不受时间的限制。适合于不规则物体的外形测量、动态目标的测量,以及燃烧、爆炸等不可接触物体的测量。
起源于19世纪50年代法国学者A.洛瑟达(Aimé Laussedat)的地面摄影测量,其中的很多原理至今还应用在近景摄影测量中。1885年德国建筑学家A.梅登鲍尔(Albrecht Meydenbauer)首先在建筑学中应用摄影测量方法来建立文物档案,1889年用来测量冰川,1898年用来测定医用X光影像。第一次世界大战后,近景摄影测量在非地形测绘领域中的应用日益增加;1939年国际摄影测量协会(ISP)第V届大会在罗马召开,摄影测量应用组和近景摄影测量、X光摄影测量组分别对各自的研究发表论文,显示了近景摄影测量的优越性和潜力。
1940~1960年,使用立体量测摄影机(如Zeiss SMK-40)加正直摄影立体测量仪系统,促进了建筑、考古、生物立体量测、土木工程、工业、前沿科学和其他非地形摄影测量方面的发展。然而,由于当时的测量仪器、量测技术及计算技术不够先进,只局限于模拟方法,难以取得足够精确的数据以满足多方面非地形测量的要求,因而在漫长的年代中进步滞缓。随着电子学、计算机技术,以及数理统计及现代平差方法等其他科学技术的发展,为旧日难以付诸实用的解析方法提供了可行性。20世纪60年代后期,数据获取仪器、解析数据转换技术、计算机技术,使得专为非地形领域服务的近景摄影测量以前所未有的速度飞速发展,产生了一次飞跃。
1966~1976年,近景摄影测量的应用日益扩大,特别是在建筑、生物医学及工业摄影测量方面的应用有显著的增长,与摄影测量其他分支同步由模拟近景摄影测量阶段进入解析近景摄影测量阶段。近景量测摄影机和地面量测摄影机并用,1970年专为近景摄影设计的量测摄影机Zeiss Jenoptic通用量测摄影机UMK10/1318问世,并付诸应用,更加广泛地适应多方面的需求;1971年,著名的直接线性转换法(DLT)发表,建立了新的解析数据转换方法并得到不断的改进;非量测摄影机、数据转换技术大大扩大了近景摄影测量应用的范围,使数据获取更加便捷,并填补了中小像幅摄影的空白。在此期间,X射线摄影用于生物医学及冶金学,扫描电子显微镜开始用于立体显微摄影测量,光断面法测绘等高线,全息摄影及莫尔条纹技术绘制等值线方法的研究等非常规图像技术的应用取得进展,获得初步成就。
1976~1986年,在精度和可靠性的预估及物空间控制网系的优化设计方面,近景摄影测量的研究取得进展;非量测摄影机已被广泛应用于影像获取;以小型飞机、风筝、气球和空中吊钩等进行低空摄影测量的研究取得进步;非常规摄影的探索与应用增加了高速摄影、水下摄影测量、快速立体测图和固态成像系统的研究和应用,比前十年有了进一步的发展;近景摄影测量在工业建设领域中开始作为日常记录和量测的工具;在工业及工程质量控制及变形研究,特别是在结构力学和土木工程方面的应用,占统治地位;近海国家越来越多地采用近景摄影测量作为水下和在国家领海洋面的测量工具,而且也作为造船和模型海港设计的辅助工具。这十年期间,在精度与速度方面都有很大的提高,揭开了从解析时期进入数字化、自动化时期的序幕。
1986~1988年,数字近景摄影测量进入逐步发展期,开始逐渐研发出许多数字近景摄影测量系统,尽管很少是实用的,但在系统的设计、开发、标定等方面为后续的研发奠定了基础。1986年6月在加拿大渥太华召开的国际摄影测量与遥感大会(ISPRS)的年会上,数字近景摄影测量成为第Ⅴ委员会的主题之一;1987年6月在瑞士因特拉肯召开的ISPRS年会,是第一次单独以数字摄影测量为主题的国际会议;1988年在日本京都召开的第16届ISPRS大会上,第Ⅴ委员会被正式改名为近景摄影测量与机器视觉(Close Range Photogrammetry and Machine Vision)。
1988~1992年,数字近景摄影测量步入全面发展时期,越来越多的研究者在此方向进行研究和系统开发,出现了许多成功的应用报道,应用领域大大拓宽,与计算机视觉等其他学科的交流开始变多,相互间在学术会议及论文出版等方面互为支持。
1992~1996年,数字近景摄影测量的研究和开发进入稳步的发展阶段,业内更加关注拓展应用和成型系统的市场推广。已有的老公司推出新的数字化产品,也新出现了许多很专业化的小公司和新系统。一系列的会议论文集公开出版,表明数字近景摄影测量技术和研究已趋于成熟。
1996年之后,数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期。它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求,可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等。研究的重点从几何量测精度转为实时性、全自动化和测量结果的深加工(三维建模与虚拟现实)等,尤其是激光扫描技术的发展,使得多传感器数据采集及数据融合等问题备受关注,从而也使数字近景摄影与计算机视觉的关系越发密切。
近景摄影测量是不接触被摄目标的近距离测量手段,可用于物体空间信息提取(非地形摄影测量),其技术优势包括:①近景摄影测量能够在瞬间获取被测目标的大量几何和物理信息,适合于测量点数众多的目标;②利用非接触的测量手段,可在恶劣条件下作业;③近景摄影测量适合于动态目标测量;④有严谨的理论和现代化的设备,可提供高精度和高可靠性的测量手段;⑤产品形式多样化:数据、图形、图像、数字表面模型、立体模型、三维动态序列影像等。
近景摄影像片的处理方法分为模拟法立体测图、解析法立体测图和数字化测图。模拟法立体测图是由作业员手工操作模拟立体测图仪来测制被摄影物体的等值线图、立面图,其成果形式单一;解析法立体测图是利用计算机辅助作业员操作解析测图仪来绘制等值线图、断面图以及立体透视图,还可用数字形式或图解形式输出工程设计人员所需要的各类参数,如面积、体积、周长、曲率、半径、速度、加速度、轨迹和质量分布等。解析法立体测图能处理各类摄影机所摄的像片,提供较高精度的成果,但是无法处理数字影像且自动化程度不高。数字化测图是利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理,由计算机视觉(其核心是影像匹配和影像识别)代替人眼的立体量测与识别,完成影像信息的自动提取。
近景摄影测量所使用的摄影机大体可分为专用量测用的摄影机和非量测用的摄影机两类。量测用的摄影机按结构又可分为单个使用的摄影机和具有定长基线的立体摄影机。其物镜畸变一般控制在数微米内,并能准确记载内方位元素。有些摄影机还备有外部定向设备、同步摄影设备以及连续摄影设备等。非量测用摄影机包括普通照相机、电影摄影机和一般高速摄影机等。这类摄影机一般成像质量不高,内方位元素未知,没有外部定向设备。用于测量目标时,定向、定位主要是依靠数量较多、分布较好的控制点,或视情况预先进行必要的检定。
近景摄影测量的应用领域包括:①古建筑摄影测量。对古建筑、古文物实施摄影和摄影测量处理,以获取其形状、大小的过程。对古建筑物常测制1∶10~1∶200的立面线画图、立面影像图、局部结构图、数字表面模型、古街区立面线画图、内部结构图和古城轴侧鸟瞰图等。②工业摄影测量。对各工业部门涉及研究、设计、生产、试验、监测、修复、重建各环节中,测定工业目标外形、变形和运动状态的技术。测量对象可为静态、动态的,或为固态、液态、气态的。③生物医学摄影测量。用于生物形态空间分析或器官时空分析的摄影测量技术。获取生物体三维空间描述的基本技术除常规摄影测量技术外,还包括全息摄影、X射线立体摄影测量、核磁共振、计算机X射线体层成像(CT)、电子显微镜摄影测量等。④建筑物形变及边坡稳定性监测。数码影像的工程外部监测关键技术对边坡、基坑、大坝、道路等,以立体监测为主,获得工程三维空间形态、位移和变形、工程土石方量、地质结构面信息、对象属性等。对硐室、隧道、竖井、斜井、地下厂房等,以单片监测为主,获得工程二维形态、位移和变形等。⑤三维重建与虚拟现实。利用非量测普通数码相机采集目标物体的二维影像,由二维影像经过特征提取、图像匹配等技术来恢复物体的三维模型,并对三维模型进行三维动态浏览显示。在古文物数字化、建模、恢复等应用中尤其广泛突出。
近景摄影测量,以其高速、精确甚至有时无法用其他量测途径所取代的特点,已经在多学科领域内解决了许多特定的问题。尤其与计算机视觉、计算机图形学等相关学科的结合,将其发展推向了一个新的高度。数字近景摄影测量的发展对物体视觉所带来的新的方式,将逐步渗透并影响着人们的生活。
虽然近景摄影测量发展迅速,但是依然存在着一些问题:相机的标定精度影响着测量结果的精度,多相机标定的理论方法和技术还不是很完善;在特征点极少的情况下,如何快速高效地进行图像匹配;实时摄影测量还处在发展阶段等。在近景摄影测量不断发展的过程中,实时摄影测量将是一个发展趋势,将把近景摄影测量带入一个新的发展时代。