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攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究
【摘要】攝影測(cè)量的主要任務(wù)是利用攝影片上的影像信息來(lái)測(cè)制各種比例尺地形圖,建立地形數(shù)據(jù)庫(kù),并為各種地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。攝影測(cè)量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。當(dāng)今,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于大面積地形測(cè)量,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展,本文重點(diǎn)探討了攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀以及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。
論文關(guān)鍵詞：攝影測(cè)量,發(fā)展,應(yīng)用
攝影測(cè)量就是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行攝影,根據(jù)所獲得的構(gòu)像信息,從幾何和物理方面進(jìn)行分析研究,從而對(duì)所攝對(duì)象的本質(zhì)提供各種資料,是一門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(jù)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(biāo)確定其所對(duì)應(yīng)的空間物點(diǎn)的確切位置,必須進(jìn)行立體攝影測(cè)量。所謂立體攝影測(cè)量,就是在不同的攝影站上對(duì)同一研究目標(biāo)拍攝兩張相片,構(gòu)成立體像對(duì);測(cè)量時(shí),根據(jù)攝影過(guò)程的幾何反轉(zhuǎn)理論,由兩張相片上同名像點(diǎn)的坐標(biāo)求出它們所對(duì)應(yīng)的空間物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。攝影測(cè)量測(cè)定點(diǎn)位空間位置的特點(diǎn)在于:不觸及被測(cè)目標(biāo),可在大范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行,不受地面通視條件的限制,區(qū)域內(nèi)平差結(jié)果的精度相當(dāng)均勻,且不受區(qū)域大小的限制。所有這些決定了攝影測(cè)量的行業(yè)優(yōu)勢(shì)地位,使其占據(jù)了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
1 攝影測(cè)量發(fā)展的三個(gè)階段
攝影測(cè)量學(xué)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(xué)和技術(shù)[2]。但是,在攝影測(cè)量不同的發(fā)展階段,其研究的內(nèi)容、特點(diǎn)、生產(chǎn)所使用的儀器設(shè)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(cè)量,這可以說(shuō)是攝影測(cè)量的開(kāi)端。至1900年為止,所用的方法還只是交會(huì)攝影測(cè)量,即是將攝影機(jī)安置在一條基線的兩端進(jìn)行攝影,然后量測(cè)像點(diǎn)在像片上的位置,求其方向線再作交會(huì)計(jì)算,以求其大地位置和高程。至廿世紀(jì)初,發(fā)明了立體觀測(cè)方法后,德國(guó)人普夫銳士(Pulfrich )制成了立體坐標(biāo)量測(cè)儀,歐瑞(Orel )又發(fā)明了自動(dòng)立體測(cè)圖儀,于是開(kāi)始形成了地面立體攝影測(cè)量。但是,地面上進(jìn)行攝影,存在著視界不廣,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(zhàn)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(cè)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(cè)量,解析攝影測(cè)量,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。
1.1模擬攝影測(cè)量
所謂模擬攝影測(cè)量,即是利用幾何反轉(zhuǎn)的特性(攝影可逆性),設(shè)法把航攝時(shí)獲得的無(wú)數(shù)對(duì)同名點(diǎn)的兩張相鄰像片,保持航攝瞬間的相對(duì)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行投影,此時(shí)各同名點(diǎn)的攝影光線必然仍對(duì)應(yīng)相交于地面某相應(yīng)的地物點(diǎn)上[4]。顯然,由無(wú)數(shù)對(duì)同名光線交點(diǎn)組成的立體模型與所攝地區(qū)的地表面完全吻合。利用這一原理,德國(guó)、蘇聯(lián)、瑞士等國(guó)先后制成了多倍投影測(cè)圖儀、立體量測(cè)儀、精密立體測(cè)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(jī)械投影器或光學(xué)—機(jī)械投影器來(lái)模擬攝影過(guò)程,所以我們稱之為模擬攝影測(cè)量?jī)x器。這一發(fā)展時(shí)期也就稱為模擬攝影測(cè)量時(shí)代。至六、七十年代這種類型的儀器發(fā)展到了頂峰。
1.2解析攝影測(cè)量
電子計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)辟了解析攝影測(cè)量的新紀(jì)元。1957 年美國(guó)人海拉瓦提出了攝影測(cè)量的新概念,就是用“數(shù)字投影來(lái)代替光學(xué)的、機(jī)械的或光學(xué) —機(jī)械的模擬投影。所謂數(shù)字投影就是利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行共線方程的計(jì)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(guó)的 Bendix 公司合作,制成了世界上第一臺(tái)解析測(cè)圖儀AP-1。其后,特別是七十年代,解析測(cè)圖儀有了較快的發(fā)展,德國(guó)、美國(guó)、瑞士等都先后生產(chǎn)了 P2、C100、BC1等新型的解析測(cè)圖儀。解析測(cè)圖與模擬測(cè)圖的主要區(qū)別在于前者使用數(shù)字投影方式,后者使用模擬投影方式;前者為由計(jì)算機(jī)控制的坐標(biāo)量測(cè)系統(tǒng),后者使用純光學(xué)的、機(jī)械的或光學(xué) —機(jī)械的模擬測(cè)圖裝置;前者是計(jì)算機(jī)輔助的人工操作,后者是完全的手工操作。
1.3數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量
1996 年的維也納 ISPRS 大會(huì)上,展出了眾多的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng),它表明數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量已經(jīng)步入實(shí)用階段。所謂數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量就是以數(shù)字影像為基礎(chǔ),用電子計(jì)算機(jī)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(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的區(qū)別在于:它處理的原始信息不僅可以是像片,也可以是數(shù)字化影像。同時(shí),影像匹配技術(shù)代替了雙眼觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了真正意義的自動(dòng)測(cè)圖,它所使用的儀器最終將只是運(yùn)用計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的外圍設(shè)備。
1.4攝影測(cè)量三個(gè)發(fā)展階段的比較
為了更清晰的認(rèn)識(shí)攝影測(cè)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?qū)ζ溥M(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(jī)械投影;光學(xué)-機(jī)械投影
模擬測(cè)圖儀
作業(yè)員手工
模擬產(chǎn)品
解析
像片
數(shù)字投影
解析測(cè)圖儀
計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)員
模擬產(chǎn)品
數(shù)字產(chǎn)品
數(shù)字
像片;數(shù)字化影像;數(shù)字影像
數(shù)字投影
計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的外圍設(shè)備
自動(dòng)化操作+作業(yè)員干預(yù)
模擬產(chǎn)品
數(shù)字產(chǎn)品
2 攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
攝影測(cè)量測(cè)定點(diǎn)位空間位置的特點(diǎn)在于:不觸及被測(cè)目標(biāo),可在大范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行,不受地面通視條件的限制,區(qū)域內(nèi)平差結(jié)果的精度相當(dāng)均勻,且不受區(qū)域大小的限制。所有這些決定了攝影測(cè)量的行業(yè)優(yōu)勢(shì)地位,使其占據(jù)了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。房屋和道路的提取是非常復(fù)雜的問(wèn)題,即使是人工測(cè)繪,有時(shí)還必須依賴于外業(yè)的調(diào)繪片。又如,道路的半自動(dòng)提取,多數(shù)還限于小比例尺影像或航天影像上的研究試驗(yàn)。但是,房屋和道路的自動(dòng)或半自動(dòng)提取對(duì)提高數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站的作業(yè)效率是非常重要的。對(duì)于GIS 數(shù)據(jù)更新,特別在我國(guó),城市發(fā)展變化很快,GPS這項(xiàng)研究顯得尤為重要。例如,利用車載加電子地圖進(jìn)行城市交通管理是當(dāng)前熱門話題。但是,數(shù)據(jù)獲取、怎樣快速更新電子地圖、確保城市道路的現(xiàn)勢(shì)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(guī)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(xiàn)地圖和GIS的快速更新。因此,特征提取已經(jīng)成為當(dāng)前非�；钴S的研究領(lǐng)域,世界上很多國(guó)家對(duì)此非常重視。例如,在美國(guó)有一個(gè)很大的稱為“Radius項(xiàng)目和McKeown的實(shí)驗(yàn)室,在瑞士有“Amobe”項(xiàng)目和ETH,還有德國(guó)的波恩大學(xué)、奧地利的格拉茨大學(xué)和法國(guó)的地理院,都在這方面作了很多工作,作出了很多貢獻(xiàn)。
2.1數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)(DPS)與“3S”集成
從總的方面來(lái)說(shuō),進(jìn)入了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代,用于攝影測(cè)量、遙感、GPS和GIS的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)都是計(jì)算機(jī)。特別是對(duì)于一般的操作而言,DPS要比傳統(tǒng)的攝影測(cè)量的過(guò)程要簡(jiǎn)單,更易于推廣。甚至有人認(rèn)為:操作專業(yè)的DPS并不需要攝影測(cè)量的理論知識(shí)。因此,它們之間的集成是完全可能的。 3.2 攝影測(cè)量與遙感(RS)的集成
攝影測(cè)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(jī)儀器,后者主要使用計(jì)算機(jī)，所以長(zhǎng)期以來(lái),雖然兩者是同一門學(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(cè)量與遙感完全能夠真正的集成為一個(gè)系統(tǒng),例如著名的遙感軟件Erdas ER Maper等多在致力于發(fā)展DPS。[8]隨著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(cè)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(shù)字自動(dòng)化空中三角測(cè)量中的作用,可用于從頭到尾的全過(guò)程,從區(qū)域的建立、連接點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺,直到網(wǎng)的平差。美國(guó)Ohio大學(xué)和加拿大的Calgary大學(xué)所研制“測(cè)量汽車”,將GPS/ INS 和CCD立體相機(jī)安裝在汽車上;也有的將它們安裝在無(wú)人駕駛飛機(jī)上,組成低空攝影測(cè)量系統(tǒng),這些都是GPS與DPS集成的明顯例子。
2.4 攝影測(cè)量與GIS 集成
原來(lái)攝影測(cè)量只是作為GIS的數(shù)據(jù)采集手段,數(shù)據(jù)的流向是單向的,即只能從攝影測(cè)量到GIS。但是,對(duì)于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量而言,兩者的數(shù)據(jù)流可以是雙向的,即GIS 數(shù)據(jù)也很容易進(jìn)入,DPS這就給GIS的數(shù)據(jù)更新提供了極大的方便,也為從攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)更新GIS數(shù)據(jù)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(shù)字化所獲得的GIS數(shù)據(jù)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(cè)量的作用有二: 一是為了測(cè)繪地圖或GIS采集數(shù)據(jù);二是為工程或工業(yè)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用,怎樣將GPS 、DPS、 RS、 CAD以及GIS集成在一起,進(jìn)行線路(公路、鐵路和輸電線路等)設(shè)計(jì)、施工和管理,以及在大規(guī)模的工程建設(shè)中,應(yīng)用數(shù)字近景攝影測(cè)量進(jìn)行土方工程的計(jì)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(shù)據(jù)流向也是雙向的,CAD 的結(jié)果可以返回DPS,產(chǎn)生三維景觀,這是很有意義的。
2.6 DPS與計(jì)算機(jī)視覺(jué)
正如前面所述,DPS本身就是攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的交叉學(xué)科,兩者的研究領(lǐng)域和內(nèi)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(jì)算機(jī)視覺(jué)更側(cè)重于工業(yè),而攝影測(cè)量偏重于地學(xué)。但是,隨著數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的廣泛應(yīng)用和數(shù)字近景攝影測(cè)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(xiàn)實(shí)
攝影測(cè)量本身就是重建三維物體的科學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)的迅速發(fā)展,由攝影測(cè)量重建的三維物體模型,完全可以在計(jì)算機(jī)上三維逼真地再現(xiàn)。它也必將成為虛擬現(xiàn)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(jié)果迭置在由DPS所獲得的三維現(xiàn)實(shí)空間上,就能顯示三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間。它在建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、管理、各種工程設(shè)計(jì)均有非常誘人的應(yīng)用前景。
2.8 變化檢測(cè)(ChangeDitection)與地圖修測(cè)
所謂變化檢測(cè)就是根據(jù)不同時(shí)間的觀測(cè)來(lái)確定一個(gè)物體的狀態(tài)變化或確定現(xiàn)象的變化過(guò)程。一個(gè)有效的檢測(cè)方法和流程可以很好地指導(dǎo)人們的工作,提供及時(shí)可靠的信息,并可有效地進(jìn)行現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)的更新。目前變化檢測(cè)技術(shù)已被廣泛用于土地使用的變化分析,農(nóng)作物估產(chǎn),災(zāi)害監(jiān)測(cè),城區(qū)變化以及其他環(huán)境的變化檢測(cè)中。概括說(shuō)來(lái),利用遙感(包括航測(cè))進(jìn)行變化檢測(cè)大致需要下述步驟: 1.對(duì)不同時(shí)相圖像進(jìn)行配準(zhǔn); 2.對(duì)圖像進(jìn)行輻射校正; 3.進(jìn)行變化檢測(cè)(包括變化區(qū)域確定和識(shí)別變化類型)、對(duì)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(cè)不同時(shí)期發(fā)生的變化。現(xiàn)存的變化檢測(cè)方法存在著以下的問(wèn)題,現(xiàn)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(cè)的方法中,需要確定閾值,而閾值往往由人們的經(jīng)驗(yàn)所決定。因?yàn)檫�沒(méi)有一個(gè)完備的理論來(lái)指導(dǎo)人們?nèi)绾芜x定閾值;大多的方法是半自動(dòng)的,需要人工干預(yù);許多的方法沒(méi)有考慮所檢測(cè)的兩幅或多幅影像之間的相互關(guān)系。這樣就造成在檢測(cè)中往往將兩幅影像所有的像素都拿來(lái)做比較運(yùn)算。這其實(shí)是不必要的。因?yàn)橥ǔＧ闆r下有很多的地物其實(shí)沒(méi)有發(fā)生變化,可以在檢測(cè)之前將這些像素濾除掉;絕大多數(shù)的分類方法對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布要求比較嚴(yán)格,方法在實(shí)施時(shí),需要知道數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型;大多的方法在檢測(cè)出變化的像素后,把這結(jié)果作為是肯定的。如果配準(zhǔn)的過(guò)程中精度稍差,那么檢測(cè)結(jié)果將受到很大的影響。應(yīng)通過(guò)一定的手段,對(duì)檢測(cè)后的結(jié)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(cè),必須人工將老的地圖和新的像片進(jìn)行對(duì)照,發(fā)現(xiàn)變化的地方——在學(xué)術(shù)上稱為“變化檢測(cè)”,這是非常費(fèi)時(shí)的。我們相信,這項(xiàng)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(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為變化檢測(cè)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(shù)據(jù)或GIS的數(shù)據(jù)迭置到DPS,再經(jīng)過(guò)人工比較,發(fā)現(xiàn)變化,這也要比原來(lái)的方式方便得多。事實(shí)上,變化檢測(cè)不僅僅可用于地圖修測(cè),而且可以用于檢測(cè)城市發(fā)展的變遷和森林生長(zhǎng)情況的檢測(cè)等。
2.9 DPS在軍事上的應(yīng)用
世界上第一臺(tái)可操作的DPS,即由美國(guó)GD /HAI公司制造的DSCC系統(tǒng),就是應(yīng)用于軍事目的。由于DPS可用于大規(guī)模、快速的提取DTM和生成影像地圖,它可以被應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈。另外,三維可視地面模型可用于作為電子沙盤等。
2.10 攝影測(cè)量在教學(xué)中的應(yīng)用
隨著數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,攝影測(cè)量的教學(xué)內(nèi)容將會(huì)發(fā)生重大變革。傳統(tǒng)的價(jià)格昂貴的精密光機(jī)型攝影測(cè)量?jī)x器將會(huì)像微分法測(cè)圖儀器—立體量測(cè)儀一樣,退出歷史舞臺(tái)。只要有影像掃描儀(對(duì)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(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件,就能進(jìn)行攝影測(cè)量的教學(xué)。許多有關(guān)的專業(yè)將很容易開(kāi)設(shè)“攝影測(cè)量”課程。但是教學(xué)內(nèi)容有的就很抽象,有的就像個(gè)“黑匣子”,例如自動(dòng)化內(nèi)定向、相對(duì)定向、DTM的自動(dòng)生成等。因此,開(kāi)發(fā)一套數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)軟件是很重要的。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著科技的進(jìn)步,當(dāng)代攝影測(cè)量技術(shù)正在不斷的變化。攝影手段的提高,影像種類的的多樣化,測(cè)量對(duì)象種類的增加,是當(dāng)代攝影測(cè)量的一個(gè)新特點(diǎn),同時(shí),它也提出新的要求——提高測(cè)量精度,降低成本,加快速度,以及豐富測(cè)量成果等�？傊�,對(duì)于攝影測(cè)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(rèn)為它是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步,更重要的是,應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到它在我們的學(xué)科、生產(chǎn)、應(yīng)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(jī)遇,迎接挑戰(zhàn),才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中不斷發(fā)展,引導(dǎo)我們的事業(yè)不斷前進(jìn)。
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