数字摄影测量
Basic concept of digital photogrammetry
1．数字摄影测量的定义 Definition of digital photogrammetry
目前，世界上对于数字摄影测量的定义，主要有两种观点。
a. 数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。
美国等国称之为软拷贝摄影测量（Softcopy Photogrammetry），我国王之卓教授称为全数字摄影测量（Full Digital Photogrammetry）.这种定义认为，在数字摄影测量过程中，不仅产品是数字的，而且中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的。
b. 另一种定义，则只强调其中间数据记录及最终产品是数字形式的，即数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术，从影像（包括硬拷贝，数字影像或数字化影像）提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量分支学科。
这种定义的数字摄影测量，包括计算机辅助测图（常称为数字测图）与影像数字化图。
影像数字化测图，是利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理，用计算机视觉（其核心是影像匹配与影像识别）代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何与物理信息的自动提取。
还有一种类型称之为混合数字摄影测量，通常是在解析测图仪上安装一对ＣＣＤ数字相机，对要量测的局部影像进行数字化，有数字相关（匹配）获得点的坐标。
v-stars 数字摄影测量系统V-STARS摄影测量系统
V-STARS系统概况
V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系统是美国GSI公司研制的工业数字近景摄影三坐标测量系统。该系统主要具有三维测量精度高（相对精度可达1/20万）、测量速度快和自动化程度高和能在恶劣环境中工作（如热真空）等优点，是目前国际上最成熟的商业化工业数字摄影测量产品。
该系统是基于数字摄影的大尺寸三坐标测量系统，也称为工业摄影测量系统（Industrial Photogrammetry System）、数字近景摄影测量系统、数字近景摄影视觉测量系统、数字摄影三维测量系统、三维光学图像测量系统（3D Industrial Measurement System）。
它通过V-STARS软件(如图3)处理采集好的照片来得到待测点的三维坐标，而这些照片是用一个高精度的专业相机（如美国GSI公司的INCA3相机），通过在不同的位置和方向，对同一物体进行拍摄所获取的， V-STARS软件会自动处理这些照片，通过图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。一旦处理完毕,被测对象的三维数据将会进入到坐标系统中,就好像以前测量过或者处理过一样。如果需要的话,V-STARS 软件还内置了分析工具,三维数据可以被输出。这些被测量的物体一般是事先手动贴上回光反射标志，或者是通过投点器投射上点，或者是探测棒上的点。
V-STARS系统技术特点
（1）高精度：单相机系统在10m范围内测量精度可以达到0.08mm，而双相机系统则可以达到0.17mm；
（2）非接触测量：光学摄影的测量方式，无需接触工件；
（3）测量速度快：单相机几分钟即可完成大量点云测量，双相机实时测量；
（4）可以在不稳定的环境中测量（温度，震动）：测量时间短受温度影响小，双相机系统可以在不稳定环境中测量；
（5）特别适合狭小空间的测量：只要0.5m空间即可拍照、测量；
（6）数据率高，可以方便获取大量数据：像点由计算机软件自动提取并量测，测量1000个点的速度几乎与10个点的一样；
（7）适应性好：被测物尺寸从0.5m到100m均可用一套系统进行测量；
（8）便携性好：单相机系统1人即可携带到现场或外地开展测量工作。
V-STARS系统分类
V-STARS系统可采用脱机和联机二种测量方式，即单相机系统和双（多）相机系统，如图4。根据采用不同的相机又可以分为V-STARS/S（智能单相机系统）、V-STARS/E（经济型单相机系统）和V-STARS/M（智能多相机系统）
1智能单相机系统V-STARS/S
智能单相机系统主要特点是，它不仅提供高精度的测量，而且便携。
目前的最新型号为V-STARS/S8，主要包括1台测量型数码相机INCA3、1台笔记本电脑（含系统软件）、1套基准尺、1根定向棒、1组人工特征标志点（定向反光标志），见图5。
（a）INCA3相机 （b）软件与附件
图5 V-STARS/S8系统 图6 单相机测量过程
INCA（INteligent CAmera）是GSI公司自主研制的测量型智能相机，它采用高分辨的CCD芯片获取图像，内置单片机可以实时对所拍摄的像片进行无损压缩、标志点识别等处理工作，稳固的整体机身专为工业现场而设计，表1是最新型号INCA3a的主要技术参数。
表1 INCA3a相机技术参数
该系统主要用于对静态物体的高精度三维坐标测量，测量时只需要手持相机距离被测物体一定距离从多个位置和角度拍摄一定数量的数字像片（图7），然后由计算机软件自动处理（标志点图像中心自动定位、自动匹配、自动拼接和自动平差计算）得到特征标志点的X、Y、Z坐标。
V-STARS/S8系统的典型测量精度（1倍sigma）由原来的5um＋5um/m（采用INCA3相机）已提高到4um＋4um/m（采用INCA3a相机），即10m范围的测量精度达到0.044mm。
需要重点提出的是，该系统的主要优势是其便携和高精度，整个系统（包括一个电脑，一个相机和其附件）可以被装在两个箱子中，你可以随身携带，为你的工作提供极大的方便。
2经济型单相机系统V-STARS/E
V-STARS/E是GIS公司入门级的单相机系统。对测量精度要求不是很高，而又求比较经济的测量用户来说，该系统是比较好的选择。
经济型单相机系统目前最新型号为V-STARS/E4X，除相机采用尼康D2X之外，其余配置与V-STARS/S8完全一样，图7。但对于V-STARS/E4X系统，它不能升级为双相机系统。
V-STARS/E4X系统的测量精度为10um＋10um/m。
图7 V-STARS/E4X系统
经济型单相机系统由于采用一般商用相机、测量精度相对较低，主要应用于对静态物体的中等精度测量工作。
该系统的主要特点是简单便携，而且相对于价格昂贵的V-STARS/S8系统来说，该系统具有绝对的价格优势，另外，用我们的尼康D2X相机拍摄的照片，V-STARS软件可以直接识别，不但方便而且精度高。
3智能多相机系统V-STARS/M
该系统主要用于在不稳定的测量条件下提供实时测量。
智能多相机系统目前的最新型号为V-STARS/M8，它可以采用2台或2台以上的INCA相机，其最为常用的是双相机系统，主要包括：2台测量型数码相机INCA3、1台笔记本电脑（含系统软件）、1套基准尺、1根定向工棒、1套辅助测棒、1组人工特征标志点和1套联机附件（相机脚架、电缆线和控制器）。如图8。
V-STARS/M8双相机测量时通过软件控制相机拍摄像片，可以同时测量被测物体上的特征标志点集、也可以通过辅助测量棒实现单点测量，尤其适合隐藏点测量。
V-STARS/M8系统配合投点器（图11）使用，则可以实现真正意义上的非接触式测量。
图11 双向＋投点器 实现非接触式大量点云测量
由于是通过控制器控制相机同步曝光，故该系统尤其适合动态物体的测量，包括变形测量。另外，采用了整体光线束法平差技术，当相机脚架处于不稳定环境（如振动）中时也可以实现高精度测量。在动态测量模式下，每移动一次相机，就对被测物体上的标志点拍摄一组照片，但是，这些点必须是在物体上一些稳定控制点，这样，相机的移动对测量产生的影响就可不计。而一般的，这个稳定的控制场是用单相机系统建立的。
V-STARS/M8（双相机）系统的典型测量精度为10um＋10um/m。
V-STARS系统的应用
V-STARS系统在国外航空航天、天线制造，汽车、造船、核工业等诸多领域均有广泛应用。如图12。
国内代理
V-STRAS系统由郑州辰维科技有限公司代理，负责产品推广与销售。该系统是基于数字摄影的大尺寸三坐标测量系统，也称为工业摄影测量系统、数字近景摄影测量系统、数字近景摄影视觉测量系统、数字摄影三维测量系统、三维光学图像测量系统。