作者：杨春生

一、 前言

　　三峡工程一开工就应用了摄影测量技术，由于三峡工程施工区域面积有15.28平方公里，工程规模比已建成的龙羊峡和水口等大型水电站有十倍之大。随着施工项目的增多和施工进度的加快，传统的摄影测量设备很难满足三峡工程施工测量的需要。三峡工程基本上每年要进行一次航飞。为了尽快将航飞资料进行处理，及时为工程设计、施工提供地形图等资料，提供快速准确的土石方量成果，在三峡工程开发总公司各级领导的大力支持下，总公司测量中心购置了一套具有国际先进水平的全数字摄影测量工作站（VirtuoZo）。经过这几年的应用，不但生产出合格的测绘产品，而且加快了摄影测量内业处理的速度，为三峡工程的施工测量作出了贡献，并且为该技术在水利水电工程施工测量中的推广应用积累了丰富的经验。

全数字摄影测量技术具有以下特点：

　　1． 自动化程度高，便于操作

　　自动影像相关代替了人眼观测。除像控点手工加入、数字影像模型编辑（对水面、树丛、房屋等）外，内定向、相对定向、核线影像生成影像匹配、DTM和DEM数据、等高线图、正射影像图等均能自动生成。

　　2． 功能强大，速度快

　　全数字摄影测量技术不但包含了传统摄影测量内业处理设备的所有功能，而且具有传统摄影测量设备不具有的一些功能，例如：所测图形在影像模型里面显示，以便检查与修改等。由于自动化程度高，先进的算法和高性能计算机平台的支持，因而处理速度加快。

　　3． 信息量大，成图精度高

　　对1318幅面摄影干板按15um分辨率扫描，采样间隔为5个像元时，可得到四百多万个离散点。由于数据量大，所生成的等高线能逼真的反映其地形地貌，因而整体成图精度相应提高。

　　4． 成果多样化和信息化

　　产品多样化是全数字摄影测量的又一个重要特点，能生产出地形图，正射影像地图，DTM和DEM数据等。所生产的成果都是信息化产品，便于修测、复制、存档、资源共享和综合利用。

二、 数字摄影测量在三峡工程中的应用

　　数字摄影测量 在三峡工程中的应用，大大加快了摄影测量的内业处理速度，从而改变了摄影测量内业处理设备落后的面貌。经过这几年的应用实践看，在精度方面都能满足工程大比例尺测图的要求，而且应用范围不断扩大。生产出的测绘产品，目前在国内处于领先水平。

　　1． 利用航空摄影资料制作各种比例尺地形图

　　三峡工程每年进行一次航摄，根据工程的需要每年利用航摄资料测制了1：1000地形图100多幅，1：1000正射影像地图20余幅，1：500地图30余幅以及1：2000、1：5000等地形图若干幅。检验证明它的精度与解析测图仪相当或略高，但效率高，而且操作简便。

　　2． 用于制作建基岩面影像图

　　由于三峡工程的重要性，地质专家及有关部门希望能将开挖竣工后的建基岩面地形保留下来存档，或者提供给地质部门进行地质素描及判读各种地质影像，我们采用该技术制作的左厂坝、泄洪坝段以及永久船闸直立墙影像图起到了重要的作用，现已向地质部门及有关部门提供了各种影像图200余幅。

　　3． 用于近景摄影，制作大比例尺地形图

　　VirtuoZo不但能处理航空摄影和陆地摄影量测相机所摄影的资料，而且能处理非量测相机所拍摄的像片资料。在制作大比例尺地形图的同时，还可以提供影像图。这对于研究塌方，处理事故提供了强有力的工具，也为陡坡地带进行地形测量添加了新的手段。我们对永久船闸出口洞内塌方事故，永久船闸二闸室外南北两线的两次塌方都及时制作等高线图和影像图，快速精确地计算出了塌方量受到了有关部门的认可。

　　4． 利用近景像片制作立面图

　　在工程开挖施工中，对开挖质量超欠挖的检查，通常是由断面图检查。一般工程竣工断面大都在5米左右，对于整个开挖面质量不能全面地反映出来。在混凝土浇筑期间，由于欠挖绑不上钢筋，立不上模板的事常有发生，采用该技术制作的立面等值线图，能解决一些很难用人工测量方法对陡坡地段进行开挖面的质量检查。我们对三峡工程永久船闸一～三闸室南北两线大部分直立墙都用非量测相机进行摄影，制作了1：100的立面等值线图60余幅。经检查精度可以达到10cm左右，能满足对工程开挖质量检查的要求。工程项目部和有关领导对这一成果给予了肯定，并决定，今后将永久船闸直立墙的竣工图都制作成立面等值线图。

　　5． 用于制作景观影像图

　　由于三峡工程施工进度很快，施工场面宏大，我们不失时机的拍摄了工程进展的像片，制作成景观影像图，供有关领导使用，深受各方好评。有的景观图已作为各种会议的讲解展图，或把它作为礼品送给台湾同胞和国际友人。

三．非量测相机的应用

　　我们在三峡工程中大量应用非量测相机摄影测量，并获得成功。采用非量测相机摄影制作1：100、1：200等大比例尺地形图和立面等值线图。制作建基岩面影像图和景观影像图。从大量的应用实践证明，精度方面能满足施工测量的要求。

　　1． 非量测相机的优点

　　方便灵活，摄影时省工省时。既可选配短焦距镜头进行近景摄影，也可选配长焦镜头进行远景摄影。摄影胶片的购买和冲洗也非常方便。

　　2． 非量测相机的配置

　　(a) 用较大幅面的相机，建议用120型相机。

　　(b) 定焦镜头。因为定焦镜头畸变差小。

　　(c) 应选用长、中、短不同焦距的镜头，保证较为合适的摄影比例尺

　　3． 像控点的布设

　　像控点是有三维坐标的标志点。对非量测相机摄影测量时需要六个以上的像控点，像控点的布设在满足解算条件的前提下，要确保能控制整个测区，使像对所建立的立体模型的几何关系牢固些。

　　4． 摄影方式及方法

　　非量测相机摄影方式可以说是任意的。因为非量测相机在摄影时不像量测相机（如：陆摄仪）那样用定向角来控制正直、等偏等方式的摄影，所以用非量测相机摄影时只要保持所摄像对的两张片子基本对称，摄影比例尺基本一致，不要有太大的旋角即可。

　　5． 摄影基线

　　摄影基线的长度不但对量测精度有影响，而且对立体效果和影像匹配也有影响。摄影基线长一些，对地面摄影来说，摄影纵距方向上的量测精度高一些，对空中摄影来说，则高程方向上的量测精度高一些。对于数字摄影测量则基线过长会降低影像匹配效果。经过实践，对于景深长的地段一般为 ，对于景深短的陡崖地段为 ，式中Y为摄影纵距。

四、应用实例

　　现以永久船闸北线南坡所摄影的资料为例，简要说明作业步骤如下：

　　1． 摄影相机

　　 用玛米亚（miamya RB67型）相机，65mm定焦镜头，幅面为6cm*7cm，柯达120彩卷。

　　2． 外业摄影作业

　　首先布设像控点。在直立墙上下布设两层，而每层前后布设两排。非量测相机摄影没有内外方位元素和摄影站坐标，对于摄影像对所建立的数学模型的正确性全靠像控点来约束控制，所以像控点分布很重要。在布设像控点时一边布设一边用全站仪进行测量像控点的三维坐标，共布设了像控点13个，像控点布好后进行摄影。

　　3．内业处理

　　设A1、A2、A3为摄影站，分别对被摄影区拍摄有较大重叠度的三张片子，分别组成A1A2和A2A3两个独立的像对分别进行处理分析。

　　对所拍摄的胶片冲洗后进行数字化。用Vexcel3000高精度影像扫描仪对底片进行扫描。为了减少数据量，把彩色底片按黑白方式扫描，扫描分辨率为8.5μm。对A1、A2、A3摄影站拍摄的三张底片进行扫描分别建立YA1.TIF、YA2.TIF和YA3.TIF数字影像文件，然后按作业顺序进行定向处理。

　　(a) 首先进行坐标转换，从坝轴坐标系转换成船闸坐标系，建立像控点坐标文件。

　　(b) 建立测区模型。也就是说，建立一个测区目录和一些相关的参数文件，如：像控点文件、摄影比例尺、成图比例尺、等高线间距、DEM间距等等，以便在建立像对独立模型和多模型 DEM合并成图时自动启用这些参数。

　　(c) 建立独立模型。首先将数字影像文件YA1.TIF、YA2.TIF和YA3.TIF转换成YA1.VZ、YA2.VZ和YA3.VZ "VirtuoZo" 的格式。用YA1.VZ-YA2.VZ和YA2.VZ-YA3.VZ组成两个独立模型，其主要参数为：DEM为0.1米，等值线间距为0.1米，摄影比例为600分之一，成图比例尺为100分之一,采样间隔为15个像元。经计算在摄影投影面上平均0.077米就有一个分布均匀的离散三维坐标点。

　　(d) 相对定向。对于非量测相机摄影，不用进行内定向。

　　(e) 绝对定向。绝对定向必须用手工或半自动手工加入。对于非量测相机摄影，在输入六个像控点后其它点的像片坐标位置就可预测出来。对十三个控制点加完后进行立体观测调整，然后进行绝对定向的计算，并且得出残差数据表。

　　(f) 对所建立的模型进行核线影像生成，经过影像匹配后生成数字影像模型。

　　(g) 对数字影像模型进行编辑。打开编辑模块对数字影像模型只进行轻柔平滑调整，因为该摄影区域是陡峭开挖的岩石，岩石纹理清晰，无遮挡，所以不需要大量编辑。

　　(h) 生成DTM和DEM数据，然后生成等值线图。打开测图模块，加入等值线，进行碎部点测量和四个防塌锚固敦测量。

　　(i) 加入图廓成为栅格图，再转换成TIF或JPEG格式，并在Photoshp图像处理软件中进行编辑输出。或把所测的矢量图形文件换成DXF格式文件，在CAD中进行编辑成图输出。

　　(j) 对成果进行分析

　　图1、图2分别是用YA1.VZ-YA2.VZ和YA2.VZ-YA3.VZ两个独立模型制作完成的立面等值线图。从两图看等值线所反映的地形很相似，对约50cm的锚固墩能逼真的反映出来。若用其它测量手段制作这样的成果很费工费时。

　　从两个像对的绝对定向残差和对4个锚固点进行量测所得的三维坐标中，其最大误差为51mm，两像对定向中误差最大为29mm；两像对对锚固点进行量测所得坐标最大误差为90mm。完全能满足开挖精度小于200mm的测图要求。

船闸坐标系XY，吴淞高程系Z
　　图示横坐标为-X，纵坐标为Z，注记点为Y
　　基本等值距为0.1米
　　1999年5月14日摄影，全数字摄影测量成图

五、数字摄影测量中的几个重要参数

　　1.扫描分辨率的确定
　　
　　扫描分辨率是数字摄影测量影像数字化的一个重要参数。从理论上讲，扫描分辨率应由取样定理确定，即 （式中S为扫描孔径，R为底片分辨力）。

　　在放宽测量精度的条件下，扫描分辨率可用下面公式表示：

　　式中Dxy为影像扫描分辨率，mk为摄影比例尺分母，Dmm为地物影像的分解力，一般取图上0.1mm。例如：摄影比例尺为1：1000，成图比例尺为1：200。根据以上公式确定扫描分辨率为：
 

　　2.扫描分辨率与影像匹配

　　数字摄影测量影像匹配率的大小主要是由影像纹理来决定。如果左右影像上的同名像点的影像纹理不清晰就会影响匹配效果。扫描分辨率高，则会把像片上的全部影像纹理信息反映出来，反之则扫描的数字影像会丢失影像纹理信息，从而降低匹配率。

　　3.扫描分辨率与影像放大倍数

　　在制作影像图时，原始像片的尺寸与输出的影像图之间有一个放大倍数关系。一般影像图的分辨率为0.1mm。根据经验一般放大倍数小于10倍较为合适。

　　4.扫描分辨率与匹配间隔的关系

　　数字摄影测量离散点采集是自动化的，离散点间距大小取图上1～2mm较为合适。为此匹配间隔用以下公式表示：

　　式中Dnm为匹配间隔，Dxy为影像扫描分辨率，mk为摄影比例尺分母，Dl为离散点间距。例如：摄影比例尺为1：1000，测图比例尺为1：200，扫描分辨率为20μm。根据以上公式确定匹配间隔为：

注：匹配间隔一般取奇数。

　　5. DEM间隔的确定

　　 DEM为数字高程模型，间隔大小应取决于应用领域。

　　(a).测地形图时，DEM间隔由工程摄影测量规范确定。

　　(b).概略计算工程量时，DEM间隔一般为2～5米，精确计算工程量时DEM间隔一般为0.5～1米。

　　(c).测量1：100、1：200等大比例尺地形图和立面等值线图时，则DEM间隔一般为0.2～0.5米。

六、数字摄影测量在水利水电工程中的发展

　　数字摄影测量在水利水电工程施工测量中的应用日趋成熟，并不断完善。由于该技术有很多优点，在今后水利水电工程建设中有很大的应用与发展前途，是工程摄影测量发展的主要方向。

1． 制作影像地图

　　影像地图是数字摄影测量的重要测绘产品，其它测绘手段难以生产该产品。影像地图是由影像图加坐标格网、等高线和各种注记的一种专题图，该图对规划设计、工程管理部门很有应用价值。

2． 建立影像数字地面模型和虚拟现实

　　数字影像地面模型是由三维坐标数字加数字影像，影像数字地面模型的应用非常广泛，如：制作影像地图；在计算机以及相关软件的支持下进行测量、选线设计等；在计算机以及相关软件的支持下进行虚拟现实，进行漫游，如同在现场踏勘一样。

3． 对工程开挖施工质量进行捡控

　　在水利水电工程开挖施工阶段，高边坡的质量检查比较困难，用常规测量手段进行测量则费力费时，又不安全。数字摄影测量在这方面有独特的优势，它可获得单位面积上的三维坐标点的密度很高，十几公分或几公分就有一个点，能全面反映地形地貌。把获取的坐标数据与设计坐标进行计算处理，用图表等形式反映出超欠挖，还可以叠加或标注在影像图上，很直观的反映欠挖部位，供有关部门使用。

4． 利用DEM或DTM数据进行工程量的计算

　　计算土石方量方法有多种，但在水利水电工程施工开挖阶段，工程量的计算常用断面法。断面法有其优点，用断面图能反映工程开挖质量及现状，又能作为工程量计算的依据。但是断面间距的大小对计算土石方量的精确度有很大影响，尤其是地形复杂地段。利用数字摄影测量所产生的DEM 或DTM 数据这一资源进行工程量的计算，可以大大提高精度，是今后精确计算工程量的一个补充。

5． 为水利水电工程向数字工程发展服务

　　数字化、信息化、网络化是二十一世纪各行各业应用与发展的一个方向。水利水电工程建设必然也向数字方向发展。数字工程的主要特点是：工程在建设过程中，从勘测、设计、施工和运营等阶段进行数字化、信息化、网络化的管理。数字摄影测量为水利水电工程向数字工程发展可以做以下方面的服务工作：

　　（a）在工程规划设计阶段
用高分辨率遥感图像、航空摄影和陆地摄影等资料生产制作不同比例尺的影像地图、地形图和其它专题图。生产0.5-1米分辨率的三维影像地面模型数据库，建立原始地貌信息库并存储在光盘或磁带上，为工程规划设计以及相关部门提供信息产品。

　　（b）在工程施工阶段
用航空摄影、陆地摄影资料制作大比例尺影像图、地形图、立面图、等值线图和断面图图库，建立DTM（数字地面模型）和DEM（数字高程模型）模型数据库，建立高分辨率建基面三维影像数字地面模型数据库。记录工程在施工过程中各个项目地理地貌信息，制做成施工过程所需的各种数字信息产品，通过网络方便快捷、及时的提供给各个部门使用。

6． 数码相机的应用

　　相机是获取地貌信息的摄影设备。目前摄影测量获取的原始影像资料有：胶片、干板等媒介材料。通过扫描仪数字化获得数字影像。数码相机的应用可大大缩短摄影与影像处理之间的时间，因为数码相机可直接获取数字影像，省去了冲洗和扫描等环节，可实现实时摄影测量。目前数码相机应用于数字摄影测量还存在一些问题，如：分辨率不高、焦距短、摄影范围小等诸多问题。随着专业数码相机的开发与应用必将推动今后数字摄影测量的更大发展。