攝影測量技術(shù)發(fā)展趨勢研究

　　【摘要】攝影測量的主要任務(wù)是利用攝影片上的影像信息來(lái)測制各種比例尺地形圖,建立地形數據庫,并為各種地理信息系統提供基礎數據。攝影測量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數字化三個(gè)階段。當今,數字攝影測量系統已普遍應用于大面積地形測量,隨著(zhù)計算機技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展,數字攝影測量的應用范圍不斷擴展,本文重點(diǎn)探討了攝影測量學(xué)的發(fā)展現狀以及其在各領(lǐng)域的應用。

　　論文關(guān)鍵詞：攝影測量,發(fā)展,應用

　　攝影測量就是對研究對象進(jìn)行攝影,根據所獲得的構像信息,從幾何和物理方面進(jìn)行分析研究,從而對所攝對象的本質(zhì)提供各種資料,是一門(mén)以影像信息重建三維空間中物體幾何表面的科學(xué)。其實(shí)質(zhì)是要根據像點(diǎn)的位置推求出物點(diǎn)的位置。為了能夠利用相片上像點(diǎn)的坐標確定其所對應的空間物點(diǎn)的確切位置,必須進(jìn)行立體攝影測量。所謂立體攝影測量,就是在不同的攝影站上對同一研究目標拍攝兩張相片,構成立體像對;測量時(shí),根據攝影過(guò)程的幾何反轉理論,由兩張相片上同名像點(diǎn)的坐標求出它們所對應的空間物點(diǎn)的三維坐標。攝影測量測定點(diǎn)位空間位置的特點(diǎn)在于:不觸及被測目標,可在大范圍內同時(shí)進(jìn)行,不受地面通視條件的限制,區域內平差結果的精度相當均勻,且不受區域大小的限制。所有這些決定了攝影測量的行業(yè)優(yōu)勢地位,使其占據了廣泛的應用領(lǐng)域。

　　1 攝影測量發(fā)展的三個(gè)階段

　　攝影測量學(xué)是一門(mén)研究利用影像重建物體空間的幾何和物理模型的科學(xué)和技術(shù)[2]。但是,在攝影測量不同的發(fā)展階段,其研究的內容、特點(diǎn)、生產(chǎn)所使用的儀器設備、組織方式等,各具有不同的特點(diǎn),甚至具有較大的差別。

　　自1839年攝影技術(shù)發(fā)明以后,便用于測量,這可以說(shuō)是攝影測量的開(kāi)端。至1900年為止,所用的方法還只是交會(huì )攝影測量,即是將攝影機安置在一條基線(xiàn)的兩端進(jìn)行攝影,然后量測像點(diǎn)在像片上的位置,求其方向線(xiàn)再作交會(huì )計算,以求其大地位置和高程。至廿世紀初,發(fā)明了立體觀(guān)測方法后,德國人普夫銳士(Pulfrich )制成了立體坐標量測儀,歐瑞(Orel )又發(fā)明了自動(dòng)立體測圖儀,于是開(kāi)始形成了地面立體攝影測量。但是,地面上進(jìn)行攝影,存在著(zhù)視界不廣,前景遮蔽后景,精度不均勻等不可克服的缺點(diǎn),于是很自然地,人們就在解決空中攝影方面進(jìn)行了巨大努力。第一次世界大戰中,航空技術(shù)有了迅速的發(fā)展,同時(shí)由于軍事上的需要,促使航空攝影測量有了很大發(fā)展。其發(fā)展大致可分為三個(gè)階段:模擬攝影測量,解析攝影測量,數字攝影測量。

　　1.1模擬攝影測量

　　所謂模擬攝影測量,即是利用幾何反轉的特性(攝影可逆性),設法把航攝時(shí)獲得的無(wú)數對同名點(diǎn)的兩張相鄰像片,保持航攝瞬間的相對狀態(tài)來(lái)進(jìn)行投影,此時(shí)各同名點(diǎn)的攝影光線(xiàn)必然仍對應相交于地面某相應的地物點(diǎn)上[4]。顯然,由無(wú)數對同名光線(xiàn)交點(diǎn)組成的立體模型與所攝地區的地表面完全吻合。利用這一原理,德國、蘇聯(lián)、瑞士等國先后制成了多倍投影測圖儀、立體量測儀、精密立體測圖儀 A8、A10、B8、D2、СПР等等,由于這些儀器均采用光學(xué)投影器、機械投影器或光學(xué)—機械投影器來(lái)模擬攝影過(guò)程,所以我們稱(chēng)之為模擬攝影測量?jì)x器。這一發(fā)展時(shí)期也就稱(chēng)為模擬攝影測量時(shí)代。至六、七十年代這種類(lèi)型的儀器發(fā)展到了頂峰。

　　1.2解析攝影測量

　　電子計算機和計算技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)辟了解析攝影測量的新紀元。1957 年美國人海拉瓦提出了攝影測量的新概念,就是用“數字投影來(lái)代替光學(xué)的、機械的或光學(xué) —機械的模擬投影。所謂數字投影就是利用計算機實(shí)時(shí)地進(jìn)行共線(xiàn)方程的計算,從而交會(huì )被攝物體的空間位置。六十年代初,意大利的 OMI公司與美國的 Bendix 公司合作,制成了世界上第一臺解析測圖儀AP-1。其后,特別是七十年代,解析測圖儀有了較快的發(fā)展,德國、美國、瑞士等都先后生產(chǎn)了 P2、C100、BC1等新型的解析測圖儀。解析測圖與模擬測圖的主要區別在于前者使用數字投影方式,后者使用模擬投影方式;前者為由計算機控制的坐標量測系統,后者使用純光學(xué)的、機械的或光學(xué) —機械的模擬測圖裝置;前者是計算機輔助的人工操作,后者是完全的手工操作。

　　1.3數字攝影測量

　　1996 年的維也納 ISPRS 大會(huì )上,展出了眾多的數字攝影測量系統,它表明數字攝影測量已經(jīng)步入實(shí)用階段。所謂數字攝影測量就是以數字影像為基礎,用電子計算機進(jìn)行分析和處理,確定被攝物體的形狀大小和空間位置及其性質(zhì)的技術(shù)[5]。數字攝影測量與模擬、解析攝影測量的區別在于:它處理的原始信息不僅可以是像片,也可以是數字化影像。同時(shí),影像匹配技術(shù)代替了雙眼觀(guān)測,實(shí)現了真正意義的自動(dòng)測圖,它所使用的儀器最終將只是運用計算機及相應的外圍設備。

　　1.4攝影測量三個(gè)發(fā)展階段的比較

　　為了更清晰的認識攝影測量的三個(gè)發(fā)展階段，我們從它的原始資料、投影方式、儀器、操作方式、產(chǎn)品5個(gè)方向對其進(jìn)行比較，如表1：

　　發(fā)展階段

　　原始資料

　　投影方式

　　儀器

　　操作方式

　　產(chǎn)品

　　模擬

　　像片

　　光學(xué)投影;機械投影;光學(xué)-機械投影

　　模擬測圖儀

　　作業(yè)員手工

　　模擬產(chǎn)品

　　解析

　　像片

　　數字投影

　　解析測圖儀

　　計算機輔助作業(yè)員

　　模擬產(chǎn)品

　　數字產(chǎn)品

　　數字

　　像片;數字化影像;數字影像

　　數字投影

　　計算機及相應的外圍設備

　　自動(dòng)化操作+作業(yè)員干預

　　模擬產(chǎn)品

　　數字產(chǎn)品

　　2 攝影測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　攝影測量測定點(diǎn)位空間位置的特點(diǎn)在于:不觸及被測目標,可在大范圍內同時(shí)進(jìn)行,不受地面通視條件的限制,區域內平差結果的精度相當均勻,且不受區域大小的限制。所有這些決定了攝影測量的行業(yè)優(yōu)勢地位,使其占據了廣泛的應用領(lǐng)域。房屋和道路的提取是非常復雜的問(wèn)題,即使是人工測繪,有時(shí)還必須依賴(lài)于外業(yè)的調繪片。又如,道路的半自動(dòng)提取,多數還限于小比例尺影像或航天影像上的研究試驗。但是,房屋和道路的自動(dòng)或半自動(dòng)提取對提高數字攝影測量工作站的作業(yè)效率是非常重要的。對于GIS 數據更新,特別在我國,城市發(fā)展變化很快,GPS這項研究顯得尤為重要。例如,利用車(chē)載加電子地圖進(jìn)行城市交通管理是當前熱門(mén)話(huà)題。但是,數據獲取、怎樣快速更新電子地圖、確保城市道路的現勢性是其中的一個(gè)瓶頸。又如,城市公安、消防、通信以及城市規劃等,都需要城市的三維信息。所有這些都涉及到從航空、航天影像上自動(dòng)或半自動(dòng)的提取房屋和道路信息,實(shí)現地圖和GIS的快速更新。因此,特征提取已經(jīng)成為當前非�；钴S的研究領(lǐng)域,世界上很多國家對此非常重視。例如,在美國有一個(gè)很大的稱(chēng)為“Radius項目和McKeown的實(shí)驗室,在瑞士有“Amobe”項目和ETH,還有德國的波恩大學(xué)、奧地利的格拉茨大學(xué)和法國的地理院,都在這方面作了很多工作,作出了很多貢獻。

　　2.1數字攝影測量系統(DPS)與“3S”集成

　　從總的方面來(lái)說(shuō),進(jìn)入了數字攝影測量時(shí)代,用于攝影測量、遙感、GPS和GIS的數據處理平臺都是計算機。特別是對于一般的操作而言,DPS要比傳統的攝影測量的過(guò)程要簡(jiǎn)單,更易于推廣。甚至有人認為:操作專(zhuān)業(yè)的DPS并不需要攝影測量的理論知識。因此,它們之間的集成是完全可能的�！　�3.2 攝影測量與遙感(RS)的集成

　　攝影測量與遙感是研究“由影像到重建空間物體”的科學(xué)與技術(shù),但前者著(zhù)重于物體的幾何屬性,后者則偏重物體的物理屬性。但是由于兩者所用的手段不同,前者主要使用光機儀器,后者主要使用計算機，所以長(cháng)期以來(lái),雖然兩者是同一門(mén)學(xué)科,也難以集成在一起。但是進(jìn)入DPS 時(shí)代,情況就發(fā)生了根本的變化攝影測量與遙感完全能夠真正的集成為一個(gè)系統,例如著(zhù)名的遙感軟件Erdas ER Maper等多在致力于發(fā)展DPS。[8]隨著(zhù)高分辨率的遙感影像的發(fā)展,DPS與RS將越來(lái)越不可分。

　　2.3 攝影測量與GPS的集成

　　原來(lái)GPS用于空三平差,主要是為了減少野外控制點(diǎn)。但是GPS在數字自動(dòng)化空中三角測量中的作用,可用于從頭到尾的全過(guò)程,從區域的建立、連接點(diǎn)的轉刺,直到網(wǎng)的平差。美國Ohio大學(xué)和加拿大的Calgary大學(xué)所研制“測量汽車(chē)”,將GPS/ INS 和CCD立體相機安裝在汽車(chē)上;也有的將它們安裝在無(wú)人駕駛飛機上,組成低空攝影測量系統,這些都是GPS與DPS集成的明顯例子。

　　2.4 攝影測量與GIS 集成

　　原來(lái)攝影測量只是作為GIS的數據采集手段,數據的流向是單向的,即只能從攝影測量到GIS。但是,對于數字攝影測量而言,兩者的數據流可以是雙向的,即GIS 數據也很容易進(jìn)入,DPS這就給GIS的數據更新提供了極大的方便,也為從攝影測量的數據更新GIS數據的自動(dòng)化和半自動(dòng)化的途徑提供了可能性。例如,由地圖數字化所獲得的GIS數據和航空影像如何自動(dòng)地獲取房屋的高度,以獲取城市的三維信息,便是一個(gè)明顯的例子。

　　2.5 DPS 與CAD 的集成

　　攝影測量的作用有二: 一是為了測繪地圖或GIS采集數據;二是為工程或工業(yè)設計提供數據。隨著(zhù)CAD技術(shù)的廣泛應用,怎樣將GPS 、DPS、 RS、 CAD以及GIS集成在一起,進(jìn)行線(xiàn)路(公路、鐵路和輸電線(xiàn)路等)設計、施工和管理,以及在大規模的工程建設中,應用數字近景攝影測量進(jìn)行土方工程的計算等,都越來(lái)越受到重視。同DPS 與GIS 一樣,DPS 與CAD的集成,其數據流向也是雙向的,CAD 的結果可以返回DPS,產(chǎn)生三維景觀(guān),這是很有意義的。

　　2.6 DPS與計算機視覺(jué)

　　正如前面所述,DPS本身就是攝影測量與計算機視覺(jué)的交叉學(xué)科,兩者的研究領(lǐng)域和內容是一致的,它們之間的學(xué)科交流也越來(lái)越頻繁。雖然計算機視覺(jué)更側重于工業(yè),而攝影測量偏重于地學(xué)。但是,隨著(zhù)數字攝影機的廣泛應用和數字近景攝影測量的發(fā)展,兩者的距離將越來(lái)越靠近。

　　2.7 DPS、可視化與虛擬現實(shí)

　　攝影測量本身就是重建三維物體的科學(xué)。隨著(zhù)計算機三維可視化技術(shù)的迅速發(fā)展,由攝影測量重建的三維物體模型,完全可以在計算機上三維逼真地再現。它也必將成為虛擬現實(shí)的重要組成部分。再加上三維動(dòng)畫(huà)技術(shù),將CAD的結果迭置在由DPS所獲得的三維現實(shí)空間上,就能顯示三維虛擬現實(shí)空間。它在建筑設計、城市規劃、管理、各種工程設計均有非常誘人的應用前景。

　　2.8 變化檢測(ChangeDitection)與地圖修測

　　所謂變化檢測就是根據不同時(shí)間的觀(guān)測來(lái)確定一個(gè)物體的狀態(tài)變化或確定現象的變化過(guò)程。一個(gè)有效的檢測方法和流程可以很好地指導人們的工作,提供及時(shí)可靠的信息,并可有效地進(jìn)行現有的數據庫的更新。目前變化檢測技術(shù)已被廣泛用于土地使用的變化分析,農作物估產(chǎn),災害監測,城區變化以及其他環(huán)境的變化檢測中。概括說(shuō)來(lái),利用遙感(包括航測)進(jìn)行變化檢測大致需要下述步驟: 1.對不同時(shí)相圖像進(jìn)行配準; 2.對圖像進(jìn)行輻射校正; 3.進(jìn)行變化檢測(包括變化區域確定和識別變化類(lèi)型)、對圖像進(jìn)行幾何糾正、大氣糾正和地形糾正后,便可以利用糾正后的圖像探測不同時(shí)期發(fā)生的變化�，F存的變化檢測方法存在著(zhù)以下的問(wèn)題,現有的方法很少提供或者根本沒(méi)有提供地物究竟發(fā)生了什么變化的信息。在許多變化檢測的方法中,需要確定閾值,而閾值往往由人們的經(jīng)驗所決定。因為還沒(méi)有一個(gè)完備的理論來(lái)指導人們如何選定閾值;大多的方法是半自動(dòng)的,需要人工干預;許多的方法沒(méi)有考慮所檢測的兩幅或多幅影像之間的相互關(guān)系。這樣就造成在檢測中往往將兩幅影像所有的像素都拿來(lái)做比較運算。這其實(shí)是不必要的。因為通常情況下有很多的地物其實(shí)沒(méi)有發(fā)生變化,可以在檢測之前將這些像素濾除掉;絕大多數的分類(lèi)方法對數據的統計分布要求比較嚴格,方法在實(shí)施時(shí),需要知道數據的統計模型;大多的方法在檢測出變化的像素后,把這結果作為是肯定的。如果配準的過(guò)程中精度稍差,那么檢測結果將受到很大的影響。應通過(guò)一定的手段,對檢測后的結果進(jìn)一步分析,去除這些影響。

　　我們知道,欲進(jìn)行地圖修測,必須人工將老的地圖和新的像片進(jìn)行對照,發(fā)現變化的地方——在學(xué)術(shù)上稱(chēng)為“變化檢測”,這是非常費時(shí)的。我們相信,這項工作即使能夠部分自動(dòng)化,它也將能大大地提高作業(yè)員的生產(chǎn)效率,同時(shí)還能增加成果的可靠性。數字攝影測量為變化檢測的半自動(dòng)化和自動(dòng)化提供了可能性。最簡(jiǎn)單的辦法是將地圖經(jīng)過(guò)掃描的數據或GIS的數據迭置到DPS,再經(jīng)過(guò)人工比較,發(fā)現變化,這也要比原來(lái)的方式方便得多。事實(shí)上,變化檢測不僅僅可用于地圖修測,而且可以用于檢測城市發(fā)展的變遷和森林生長(cháng)情況的檢測等。

　　2.9 DPS在軍事上的應用

　　世界上第一臺可操作的DPS,即由美國GD /HAI公司制造的DSCC系統,就是應用于軍事目的。由于DPS可用于大規模、快速的提取DTM和生成影像地圖,它可以被應用于巡航導彈。另外,三維可視地面模型可用于作為電子沙盤(pán)等。

　　2.10 攝影測量在教學(xué)中的應用

　　隨著(zhù)數字攝影測量越來(lái)越廣泛的應用,攝影測量的教學(xué)內容將會(huì )發(fā)生重大變革。傳統的價(jià)格昂貴的精密光機型攝影測量?jì)x器將會(huì )像微分法測圖儀器—立體量測儀一樣,退出歷史舞臺。只要有影像掃描儀(對于教學(xué)只需要價(jià)格非常低廉的通用的掃描儀即可)加計算機和相應的數字攝影測量軟件,就能進(jìn)行攝影測量的教學(xué)。許多有關(guān)的專(zhuān)業(yè)將很容易開(kāi)設“攝影測量”課程。但是教學(xué)內容有的就很抽象,有的就像個(gè)“黑匣子”,例如自動(dòng)化內定向、相對定向、DTM的自動(dòng)生成等。因此,開(kāi)發(fā)一套數字攝影測量的計算機輔助教學(xué)(CAI)軟件是很重要的。

　　3 結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步,當代攝影測量技術(shù)正在不斷的變化。攝影手段的提高,影像種類(lèi)的的多樣化,測量對象種類(lèi)的增加,是當代攝影測量的一個(gè)新特點(diǎn),同時(shí),它也提出新的要求——提高測量精度,降低成本,加快速度,以及豐富測量成果等�？傊�,對于攝影測量技術(shù)高度發(fā)展時(shí)代的到來(lái),我們不能簡(jiǎn)單地認為它是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步,更重要的是,應該清醒地認識到它在我們的學(xué)科、生產(chǎn)、應用領(lǐng)域以及其他學(xué)科的關(guān)系等方面都發(fā)生了深刻的變化。我們必須抓住機遇,迎接挑戰,才能在激烈的競爭中不斷發(fā)展,引導我們的事業(yè)不斷前進(jìn)。

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