衛星攝影測量

衛星攝影測量是套用航天飛行器（人造地球衛星、宇宙飛船和軌道空間站）從宇宙空間對地球環境進行攝影。又稱航天攝影測量。主要使用各種焦距的可見光照相機、紅外照相機和多光譜照相機對地球進行攝影，以取得大量有研究價值的地球照片和資料，根據獲取的圖像和信息進行分析、判釋和幾何處理，繪成地圖或提供地球資源、地球環境保護和軍事情報等方面的信息。

基本介紹

• 中文名：衛星攝影測量
• 外文名：satellite photogrammetry
• 又稱：航天攝影測量
• 主要使用：可見光、紅外、多光譜照相機
• 套用：地形圖、影像地圖的修編與更新
• 內容：衛星攝影定位和衛星測圖

基本介紹

攝影測量是一門研究利用影像重建物體空間的幾何和物理模型的科學和技術。即利用攝影和感測器獲得被研究對象的影像和數字信息，經圖像處理、幾何信息的量測和物理信息的提取過程，求得物體大小、形狀、空間位置和判斷其性質等的技術。其特點是不觸及被研究物體，而是通過像片或數字信息的研究達到目的，並可在信息中任意選擇研究對象。攝影測量可採用多種手段、方法和材料獲取固體、液體、氣體、靜態、動態、瞬間、微小或巨大物體等的影像信息。並促使套用與研究領域不斷擴大。攝影測量的作用有：為測繪地形圖或地理信息系統採集數據；為工程或工業設計提供數據。攝影測量主要有航天、航空、地面和水下攝影等。因其套用範圍、獲取信息的方式與傳統不同，又稱為航天、航空和地面遙感。

發展簡史

攝影測量發展已有150年的歷史。從1839年法國發表第一張航空像片起，經歷了從地面攝影測量發展到航空與航天攝影測量的過程。19世紀50年代，採用地面攝影手段獲得成對像片，利用同名射線逐點交會的方法進行測量。20世紀初（1911年）奧雷爾（E.VonOrel）設計了地面立體測圖儀。30年代在理論與測圖方法上逐步完善，主要還是套用于軍事偵察和地形測繪試驗。1935年瑞士製造了第一台機械投影立體測圖儀，前蘇聯發展了微分法測圖技術，以後出現了空中三角加密技術與模擬測圖儀器，使成圖速度和精度得到提高，且節省了大量野外作業工作量，推動了攝影測量的前進。60年代解析測圖儀問世，又由人造衛星等航天運載工具獲取影像和數字信息，使攝影測量含義與作用發生了新的變化，不再是單一地測繪線劃地形圖。1988年第16屆國際攝影測量與遙感會議提出定義，並指明發展方向，“攝影測量和遙感是一門通過記錄、測量和對影像進行判讀的過程，來獲得物理對象和環境的可靠信息以及由非接觸式感測器系列產生的信息，進行數字表達的工藝、科學和技術”和“數字攝影測量、遙感技術和地理信息系統合成為一個整體”。

攝影測量經歷了由模擬攝影測量、解析攝影測量到當今的數字攝影測量階段，由人工作業發展到實現半自動化作業的過程。

地面攝影測量

用地面攝影經緯儀在選定的基線兩端，按一定方式攝影，獲得被攝物體的立體像對，再在立體測圖儀上進行測繪地形圖的技術。當不以測繪地形圖為目的，為測繪其他目標物的形態等所進行的地面攝影測量，稱為非地形攝影測量，其中近景攝影測量（縱距小於100m）較成熟，也較普遍。當採用多光譜等攝取地面物理信息和幾何信息時，又稱為地面遙感。

地面攝影測量根據地形測圖及其他測量的精度要求，外業需在實地選定攝影控制點及基線端點，並測定其平面坐標和高程。攝影時當攝影機光軸保持水平的情況下，有下列方式獲取立體像對：即光軸與基線垂直的攝影，為正直攝影；光軸與基線向左或向右偏同一角度的攝影，為等偏攝影；光軸相交的攝影，為交向攝影。其他還可採用攝影光軸上仰或下傾某一角度的傾角攝影和為攝取動態時瞬間立體像對的同步攝影。內業成圖根據光學反轉的交會原理在地面立體測圖儀、模擬或解析測圖儀上進行，求出立體模型上各點的坐標及高程。測繪地形圖、立面圖或斷面圖等。

地面攝影存在前後景物遮擋和遠近景物在像片上的比例尺不等等缺點，但作業靈活、操作方便，作業條件比較簡單、經濟，適於水電站建設中陡峻的高山深谷地區的測圖，且與工程地質配合，採用多光譜攝影等，可獲得更多的地質信息，還可測制地質地形圖與地質立面圖，減少了測繪人員與地質人員的野外工作量，提高了精度與速度。由於地面攝影測量具有不觸及被研究物體的優越性。在水電建設中還可用於大壩合龍時的水舌與流速攝影測量；對水輪機葉片、大壩壩面破損等的攝影測量；在水工模型試驗中對沖刷、淤積及流態等的攝影測量，以及對煙霧、水霧、污染等的攝影測量。在其他部門如生物學、古建築文物，工業農業及環境監測等方面，也已廣泛套用。

航空攝影測量

航空攝影測量亦稱“航空測量”。簡稱“航測”。攝影測量方法的一種。測繪地形圖的主要方法。其過程是在飛機上用航攝儀對地面連續攝取像片，然後，通過控制測量、調繪和測圖等步驟，測繪成地形圖。可分為綜合法測圖、微分法測圖和全能法測圖。它可以將地形測量的大部分外業工作轉移到室內進行，克服了不易到達地區野外測量的困難，並能真實詳細地反映地物、地貌。它廣泛套用於測繪地形圖、地質勘探、線路勘測、森林調查和軍事偵察等方面。

航天攝影測量

航天攝影測量即衛星攝影測量，以航天運載工具衛星、宇宙飛船和太空梭作平台，利用攝影機、多譜段掃瞄器和雷達等獲取地球及其他星球的圖像。所以人們又稱之為航天遙感。由於獲取了地面從紫外到遠紅外之間各個譜段的圖像信息（膠片記錄）和數字信息（磁帶記錄），地面解析度從幾十米到幾米，覆蓋地面的周期短。優越性更為突出。如覆蓋度寬、面大，套用時便於巨觀控制與判斷；時相多，波段多，信息量大，便於影像合成，增強與提取信息；覆蓋周期短，便於提供地面動態信息。這一技術已廣泛套用於資源調查、氣象、環境信息及1：50000比例尺地形圖的修測等。遙感可從高空觀測地面，並以圖像和磁帶記錄信息，使人們獲知在地面上無法感知的大批信息，從而引起人們的極大重視，為人類認識與改造自然創造了新的條件。

其他攝影測量

其他攝影測量有雙介質與水下攝影測量，主要用於測制海底地圖，為水下考古和其他科學提供量測手段。攝影方式一類是被攝目標物與攝影機均在水下；一類是被攝目標在水下，攝影機在空中，成像光線穿過兩個不同介質，成圖時必須考慮各個介質的光學特性、介質分界面的位置與形狀等特殊問題，用解析法或解析測圖儀進行測量處理。此法技術要求比較複雜，實際套用較少。

特徵和套用

衛星攝影測量是對地球表面進行空間遙感與圖像處理的航天攝影測量。在製圖中的套用，主要是用於地形圖的修編與更新、影像地圖的製作和專題地圖的編制。

衛星攝影測量用太空飛行器進行測繪的攝影測量，亦稱“航天攝影測量”。攝影測量的一種，是隨航天技術、圖像處理技術而迅速發展的一門新科學。航天攝影運載工具有：測圖衛星、偵察衛星、太空梭和宇宙飛船等。航天攝影測量主要包括衛星攝影定位和衛星測圖兩方面工作。前者確定目標點的坐標，後者從航天像片中提取地物的形狀、大小和位置等幾何空間信息，進行地圖製圖。由於航天像片比例尺小，地面分辨力較低，現只能測制小比例尺的平面圖和地形圖。航天攝影測量是航空攝影測量的發展和飛躍，其特點是獲取資料迅速。覆蓋面積大，不受地區和國界限制，使全球測圖具有可能性。

衛星攝影測量主要套用於地球資源勘查和軍事偵察、環保監測、測繪小比例尺地形圖、月球圖或其他天體圖。

發展歷史

衛星攝影測量是利用地球衛星或其他航天飛行器上的攝影機，對地球或其他天體表面拍攝影像和測制地圖的技術。主要用於1∶25萬～1∶100萬比例尺地圖的測繪。1959年，蘇聯“月球”3號衛星首次拍攝月球背面的像片。1971～1972年，美國“阿波羅”宇宙飛船上的攝影系統，拍攝了符合攝影測量要求的月球表面像片。1973年5月美國發射的“天空實驗室”，其上的S190B高解析度地形攝影機，具有焦距457mm的鏡頭，能拍攝114mm×114mm的像幅，覆蓋面積109km×109km，攝影比例尺為1∶95萬。1983年11月由美國哥倫比亞號太空梭攜帶的歐洲航天局研製的空間實驗室，其上安裝的蔡司RMKA30/23型測量攝影機，具有30.5cm的鏡頭焦距，像幅23cm×23cm，覆蓋地面190km×190km，比例尺為1∶82萬，可連續拍攝1800～2300km（航向重疊60%～80%），工作波段為0.4～0.95μm，可使用黑白、彩色和彩色紅外膠片。1984年10月美國挑戰者號太空梭攜帶的大像幅攝影機，像幅為23cm×23cm，鏡頭焦距為305mm。1982年4月，前蘇聯發射的禮炮6—7號飛船，所載多光譜攝影機，具有焦距125mm的鏡頭，像幅55mm×81mm，覆蓋地面114.4km×168.5km，地面解析度在可見光波段為16～22m。航天攝影的圖像記錄形式有攝影膠片、模擬磁帶和高密度數字磁帶攝影等。2000年2月，美國“奮進”號太空梭實施的全球地形測繪計畫，採用C/X波段載星成像雷達和SIR—C/X—SIR合成孔徑雷達，分別置於飛船貨艙和與其相距60m的天線桿末端，從而使過去需要在相同路徑上飛行兩遍的測量，縮減為一次飛行而完成任務。這次飛行共獲取332盒高密度數字磁帶攝影，完成全球地形數據的99.98%，預計2年時間完成覆蓋地球表面80%的陸地的高精度三維地圖。2001年8月3日美國航天局公布了部分地圖測繪成果，稱其精度為迄今最精確的全球地圖測繪，全部地圖的信息量達1萬億位元組。

衛星大地測量

衛星大地測量是研究利用人造地球衛星進行地麵點定位以及測定地球形狀、大小和地球重力場的理論方法的科學。其方法分為幾何法和動力法。前者是將衛星作為高空觀測目標，由幾何地面站同步觀測，即可按三維三角測量法計算這些站的相對位置，實現遠距離的大地聯測，此法不涉及衛星的軌道運動。後者是根據衛星在軌道上受攝動力的運動規律，利用地面站對衛星的觀測數據，可以同時計算衛星的軌道根數、地球引力場參數和地面觀測站的地心坐標。

衛星大地影測量研究始於60年代中期，先進行衛星攝影測量，以恆星為背景，用特製攝影機拍攝衛星的空間位置，確定測站至衛星的空間方向，以推算測站坐標。70年代中期，利用此法在中國西沙群島永興島上與紫金山、雲南兩天文台的固定衛星攝影儀作同步觀測，以優於20米的定位精度將陸地大地坐標系傳遞到遠海島嶼上。衛星大地測量中，以衛星都卜勒接收機接收美國子午衛星的都卜勒頻移來求定測站的位置開展最早，自1975年起陸續在全國多個大地點上試測，取得了較好成果，並求得1954年北京坐標系與地心坐標系之間的轉換參數，由於獲取衛星的信號系廣播星曆，精度不高，因此求得的測站位置及轉換參數的精度也受到一定的影響。70年代末起，中國的幾個科研單位又聯合布測了37個點的衛星都卜勒網，經平差計算，獲得了點距符合精度優於30萬分之一的第一個全國衛星測量網，並提供了更為準確的地心坐標轉換參數，同時編制出了短弧法定位計算機軟體以供處理都卜勒網套用。80年代起，有更多的部門在全國各不同地區開展了衛星都卜勒聯測定位，精度已逐步提高到米級。但由於都卜勒衛星少且軌道偏低使接收衛星信號受到一定限制，在國內要大規模迅速開展和長期使用都有不便。鑒於美國所研究的全球定位系統（GPS）已廣泛使用，中國在1987年也開始引進GPS接收機。GPS系統，是由空間部分、地面控制部分和用戶接收機三大部分組成。空間部分包括高度約2萬千米的24顆衛星分布在傾角為55度的6個近圓軌道上，使得地面上無論何時何地都能同時觀測到至少4顆以上衛星，每顆衛星以兩個L波段頻率發射載波無線電信號，信號又分精碼和粗碼兩種，僅粗碼可供全球接收。地面控制部分由統一衛星操控中心（包括注入站）和若干監測站組成，將跟蹤衛星的數據傳至主控站經處理後注入衛星貯存。接收機部分則是接收衛星發播的信號經自動處理後獲得測站的三維位置、三維速度和時間信息。根據用戶需求，可有多種不同的測量方法。GPS系統的主要優點是，無須在地上建造覘標，通視快速、全天候求得測點的地心坐標。中國在引進該系統接收機後，開展了研究試驗，根據試測經驗制定了中國GPS測量規範、GPS測量型儀器檢定規程，並建立了中國第一個GPS儀器檢定場，隨後又制定了GPS定位軟體、網平差軟體和快速靜態定位軟體。90年代初，研究設計了全國高精度GPS網，分為A級網和B級網兩個層次，1995年完成了布測。1991年起，開始研究建立全國範圍內的試驗性GPS跟蹤網，用以計算GPS衛星精密星曆。1998年，在多年研究試驗和局域差分GPS系統的基礎上，又初步建立了廣域差分GPS系統，可以在較廣闊地域裡用GPS求得較為精密的定位成果，並著手建立中國地殼形變的GPS監測網。從70年代起，中國又開展了空間干涉技術和人衛雷射測距等新技術手段試驗。1978年，提出在國內建立三個甚長基線干涉測量（VLBI）觀測站的構想。現已建成或在建，並與國外台站成功地進行了聯測，獲得較好的效果。

1972年，開始對人衛雷射測距（SLR）的研究。到1981年，國內先後有6個台站建立了第一代人衛雷射測距系統，測距精度達1～2米，其間6個站台相互測定弦長及台站地心坐標。70年代末開始第二代SLR的研製，1983年安裝於上海天文台，同年11月首次觀測到相距6～7000千米的LAGEOS衛星，其後又參加了MERIT聯測，經處理表明達到約15厘米精度，至1984年中國的各站SLR技術已達到第二代水平。此後上海、長春以及武漢地震所等站，對SLR繼續改進，使測距精度提高到5厘米左右。同時，電子部門與測繪部門合作研製出第三代人衛雷射測距系統，經鑑定達到了國際第三代系統的運行水平。