水下攝影測量

水下攝影測量技術就是利用物方空間在水中、像方空間在空氣中所拍攝的圖像，確定被攝目標幾何特性的技術。它是近景攝影測量中一種特殊的測量技術，被廣泛套用在海底測圖、水深測量、水下考古、水生物研究、海洋工程、氣泡室和零重力環境下星載柔性天線型面精度測量等。

基本介紹

• 中文名：水下攝影測量
• 外文名：underwater photogrammetry
• 學科：測繪科學與技術
• 作用：確定被攝目標幾何特性
• 套用：海底測圖、水深測量等
• 特點：特殊測量技術

簡介

水下攝影測量技術就是利用物方空間在水中、像方空間在空氣中所拍攝的圖像，確定被攝目標幾何特性的技術。它是近景攝影測量中一種特殊的測量技術，被廣泛套用在海底測圖、水深測量、水下考古、水生物研究、海洋工程、氣泡室和零重力環境下星載柔性天線型面精度測量等。

水下攝影測量按照其攝影方式可分為兩類：一類是採用水上拍攝，即攝影機在空中而目標物在水中；另一類是採用水下拍攝，即攝影機和目標物均在水中。目前水下攝影測量技術採用水上拍攝方式進行精密測量缺乏深入的理論研究，尚無實際套用。

已有理論模型分析

由於水面折射的存在，物點A 經過折射成像於像點a，成像光線中物點A、攝影中心O及像點a這3點不再共線。設α和β分別為成像光線在水面的入射角和折射角。水下攝影測量時，成像光線穿過兩種不同的介質，在介質分界面處產生折射。此時常規近景攝影測量中的共線方程理論模型不能適用，因此需要從折射改正入手來重新建立測量模型。

1　像點改正法模型

該方法模型考慮折射改正，分別通過像點的光學位移、投影器主距的改變以及投影高度的改變，這3種途徑來建立水下攝影測量歸化模型。其主要思想是：將入射線的光束轉變到物體的一個透視射線束，使得雙介質攝影測量的問題轉化為一般的單介質攝影測量問題。

歸化模型存在的問題是：解算要求已知各攝站S 到介質分界面的距離H 和各物點到介質面的距離h。然而在實際工程套用中獲取這兩類距離值或者是有很大的困難，或者是根本無法實時獲取。因此，像點改正法模型在實際測量中很難得到套用。

2　物方點改正法模型

該方法模型通過建立虛擬物方點，實現傳統近景攝影測量的共線方程理論。

首先確定虛擬物方點與實際物方點的幾何函式關係；然後通過對虛擬物方點的3維坐標測量實現對實際物方點的3維坐標測量。

但是該模型建立的前提是，假設物方坐標系在水面上。這需要已知各物方點距水面的距離Z和各攝站距離ZS，而且在具體解算時需要求出每條成像光線的入射角α。這些問題在實際套用中是不能或很難實現的。

3 界面法構像方程模型

通過引入介質分界面方程式，將折射改正和幾何約束作為模型建立的基礎，避開了傳統近景攝影測量共線方程。其主要思想為：將物方坐標系O －XYZ 建立在水下，引入介質分界面方程，加入折射改正，建立構像方程式；將入射光向量和折射光向量以及分界面的法向量這3個向量共面作為幾何約束條件來建立構像方程式。

1）界面參數精確值的確定

將微小厚度的塑膠平板如光碟上面貼適量的標誌點（一般6個即可），使其漂浮固定在水面上。通過解算出該標誌點的坐標，進而擬合出水面作為一個幾何平面在水下坐標系下的平面方程。試驗表明，該方法簡單可靠，並且擬合出的平面精度較高，可以作為精確值。

2）外方位元素初值和待測點坐標初值的獲取

空氣中進行近景攝影測量處理解算得到的目標點坐標，可以作為水下測量目標點的坐標初值。對於水下目標點進行水上拍攝，暫不考慮折射改正。通過解算處理，獲得不準確的外方位元素作為水下攝影測量外方位元素的初值。試驗表明，該初值實現了疊代收斂，解算出的外方位元素值精度較高。

試驗與結果

1　試驗條件

水下攝影測量試驗是在一個直徑為1.3m，高為1m的試驗用桶中進行。試驗對口徑為36cm的鋁合金制試驗用天線進行了測量。該天線近似為拋物面形，在其上面貼了5個編碼標誌點和45個回光反射標誌。它們都是用高亮反光材料製成，可以產生“準二值影像”。試驗的攝影環境正常。桶中注水80cm，採用尼康D700相機進行水上拍攝獲得相片數據。

2　試驗過程

試驗可以分為以下3個步驟。

第1步，在空氣中對天線進行攝影測量，並加入基準尺，通過V－STARS系統解算出天線上所有標誌點的物方3維坐標，並將其保存。為下一步水下測量解算提供初始值。

第2步，天線置於水深80cm的試驗用桶中，相機在空氣中進行拍攝，獲得15張相片，相片質量合格，與步驟1的解算相同。由於折射存在的影響，得到不準確的物方點3維坐標，同時也獲得了各攝站的姿態6參數的近似值。為步驟3解算提供初始值。

第3步，利用由步驟2解算所得到的初始值，根據線性化公式編寫水下攝影測量程式並進行相應的折射改正。首先通過空間後方交會，疊代解算出準確的各攝站的外方位元素；然後再通過空間前方交會，疊代解算出準確的物方點位3維坐標（X，Y，Z）。

3　試驗結果

利用工業攝影測量系統V－STARS將步驟1和步驟3的解算結果進行換算，得到天線各點位在空氣中測量和水下測量時的坐標變化值。

在攝影距離2m 的範圍內，V－STARS系統單相機測量的點位精度優於0.02mm，並且試驗用天線是剛體結構的，放入水下測量時不變形。經過公共點換算，二者的點位誤差分別是：X 軸方向為0.905mm；Y 軸方向為0.203mm；Z 軸方向為0.179mm；測量精度為0.94mm。

總結

1）X 軸方向精度較低，原因是X 軸方向為攝影距離方向，即深度方向，根據多重交向攝影的精度估算公式，像點的量測精度對攝影距離方向的精度影響最大。

2）採取水上拍攝方式進行水下攝影測量的測量精度可以接近或達到空氣中的測量精度。採用後方－前方法平差解算，界面參數沒有參與平差，影響試驗的成果精度。下一步將重點考慮相機的水下標定和加入界面參數的自檢校光束法整體平差，以進一步提高水下測量成果精度。

3）對水下近景攝影測量理論模型進行研究分析，推導界面法構像方程模型；經過試驗獲得點位精度為0．94mm 的測量精度。結果表明利用界面法構像方程模型可以有效實現折射改正。