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浅谈数字摄影测量的发展

发布时间:2022-01-01 23:30:05   浏览量:1657   作者:测绘论坛

 众所周知,摄影测量发展到今天,已经进入了它的第三个阶段——数字摄影测量阶段。它对整个摄影测量的教学、科研、生产都产生了极其深远的影响。而且,它的影响远远不能认为仅仅是一种技术的发展、一个生产设备的改进以及生产效率的提高。事实上,数字摄影测量的许多概念,以及它在整个地理信息产业的影响,都远远超过模拟摄影测量到解析摄影测量的变革。因此,我们不仅仅要探讨技术方面的发展,更重要的是需要思考它对我们产生的影响、地理信息产业发展的规划以及我们所采用的决策。  

一、对摄影测量教学、科研的思考 

就摄影测量本身而言,从测绘的角度上来看数字摄影测量还是利用影像来进行测绘的科学与技术;而从信息科学和计算机视觉科学的角度来看,它是利用影像来重建三维表面模型的科学与技术,也就是在“室内”重建地形的三维表面模型,然后在模型上进行测绘。因此,从本质上来说,它与原来的摄影测量没有区别。因而,在数字摄影测量系统中,整个的生产流程与作业方式,与传统的摄影测量差别似乎不大。但是它给传统的摄影测量带来了重大的变革。 

在二十世纪三十年代,针对当时的模拟摄影测量仪器,德国著名的摄影测量专家V.Gruber给摄影测量下了这样的定义:“摄影测量是一种技术,它可以避免计算”。这是因为,模拟摄影测量仪器解决了传统野外测量中前方交会、后方交会的计算问题。实质上,当时的模拟摄影测量仪器本身就是一台精密的、机械的、模拟计算器。该“计算器”用两根精密的空间导杆模拟前方交会,从像点坐标直接解算,给出其模型坐标。因此,当时的模拟测量仪器,多称为自动测图仪(Autograph)。所谓自动,就是可以避免人工的计算。从这个角度来说,摄影测量当时就与计算机联系在一起,而不是真正的不需要计算。但是所谓自动,它并不是可以离开作业员的观测进行自动测图,而只是避免了人工的计算,不需要人工用“对数表”或机械的手摇计算机,进行前方和后方交会计算。  

由于当时的摄影测量与各种各样的模拟摄影测量仪器紧密地联系在一起,因此,当时的教学和研究的内容多数是围绕着那些精密的摄影测量仪器展开的。例如:仪器的结构,各种控制器以及怎样利用模拟测图仪器来重建模型(相对定向)等。又如:相对定向的点数、点位的分布,即所谓标准点位,到现在为止还被称为Gruber点位,以及如何利用六个标准点上的上下视差进行逐步的趋近;利用过渡改正倍数,加快相对定向的速度等。  

但是,到解析摄影测量的时代,精密的机械导杆被共线方程——又称为“数字导杆”所代替,简化了仪器的结构,形成了解析测图仪。然而利用六个标准点位进行相对定向仍然没有变化,只是人们只需观测六个标准点位的上下视差,计算机就能自动解算相对定向的元素。计算的过程虽然还是迭代的过程,但是,作业员的作业中避免了迭代过程,从而加快了定向速度。在解析摄影测量时代,由于数字电子计算机的发展与引入,摄影测量的严密解算成可能。从而,空中三角测量的严密解算、各种区域网平差模型、粗差检测、可靠性的理论等,成为解析摄影测量时代的热点与重点。与模拟摄影测量时代相比,解析摄影测量的教学、科研的内容要宽得多,而且研究已经不再仅仅围绕测量的仪器展开。这时,摄影测量不仅仅需要利用计算机进行大量的计算,而计算机的发展与应用,引起了测量一次深刻的变革。但是,无论是模拟摄影测量或者是解析摄影测量,都离不开人的双眼分别照准左、右影像上的同名点,因此,它们都不可能实现真正意义上的“自动化”。 

到了今天,由于数字摄影测量的发展,计算机不仅可以代替人工进行大量的计算,而且已经完全可能代替人眼来识别同名点,从而为摄影测量开辟了真正的自动化道路。它不仅大大提高了生产效率,而且在某些领域,在传统的摄影测量观念认为是一些最基本的内容上,正在发生观念性的变革。  

首先,数字摄影测量利用一台计算机,加上专业的摄影测量软件,就代替了过去传统的、所有的摄影测量的仪器。其中包括纠正仪、正射投影仪、立体坐标仪、转点仪、各种类型的模拟测量仪以及解析测量仪。这些仪器设备曾经被认为是摄影测量界的骄傲,但是,目前除解析测图仪还有少量的生产外,其他所有的摄影测量光机仪器已经完全停止生产。这种发展已经引起了产业界的变革,即精密的光学、机械制造业转为信息产业,其重心也从欧洲转移到了美国。原来著名的摄影测量、光机仪器制造厂商,瑞士的Leica已经与美国的Helava合并;德国的Zeiss也将与美国的Intergraph合并。
  
从教育的角度来看,过去欲办一个摄影测量专业非常困难,这是由于摄影测量专用仪器十分昂贵。而现在,所有的摄影测量专用仪器多由当代最通用的设备—计算机所替代,摄影测量除了专用的软件外,几乎没有专用的硬件设备。因此,在美国通常将数字摄影测量称为“软拷贝摄影测量”,这似乎很有道理。另外,也正是由于这个变革,摄影测量已经超出了“测绘”的范畴,数字摄影测量也已经成为计算机应用学科的一个部分。1995年9月27日,中国科学报发表了田峰同志《模式识别技术及其应用》的文章,其中谈到:“最近,人们利用立体视觉的原理,正在探索综合运用同一地区的多张不同角度拍摄所得的照片来恢复出地面的高度信息,以获得真正的三维地形图,并已取得了相当的进展”。显然,这是计算机界从“立体视觉”的角度来描述“数字摄 影测量”的。由此可以看出,摄影测量教学从设备的角度来看,要比传统的摄影测量容易得多;从学科内容的角度来看,其范围要比传统的摄影测量广泛得多。  

从摄影测量的教学内容来看,由于上述的变革,有关传统摄影测量仪器结构原理,以及与此有关的各种控制器的理论,也不言而喻地被淘汰。另外,一些传统的教学内容——可能曾被视为摄影测量的基础知识,而在数字摄影测量的教学中,也显得没有必要了。  

例如:上面所说的6个Gruber标准点位,它只是考虑了立体像对最大的控制范围,还有一个多余观测值,因此,Gruber 6个标准点位的概念一直被沿用到解析摄影测量,甚至到数字摄影测量的某些系统中。这个概念不仅被应用于立体模型的相对定向中,而且还被应用在空中三角测量(加密)选点过程中。这个概念曾对摄影测量的发展起了重要的作用,但是到今天,它可能束缚了我们的思想。假定在“标准”点位上是一片森林、一片水域或者是一大片建筑[]物,而数字摄影测量系统中又没有考虑自动分类(分类问题要比自动匹配、寻找同名点的问题难得多),从而它不能自动避开有问题的标准点位。因此,也就妨碍了整个相对定向自动化系统的成功率。而VirtuoZo数字摄影测量系统一开始就放弃了6个标准点位的概念的束缚,而由计算机在整个像对上自动选取均匀分布的特征点,且所选的点数一般在200个左右,大大地超过了所需的6个点的要求,从而使相对定向自动化的成功率大大地提高,可以达到99.99%。  

同时由于观测值的数量大大地超过人工观测所需的最低要求,从而使原来粗差理论所研究、讨论的问题对数字摄影测量的影响也显得有些微不足道。例如:在相对定向过程中利用6个Gruber标准点位进行剔除粗差(因为只有一个多余观测值)是十分困难的,但是到了数字摄影测量阶段,由于相对定向点位的选择、匹配都是由计算机来完成,它的效率远高于传统的人工作业,而且可以进行批处理,也就是在作业员休息的时候,由计算机进行处理。因此将相对定向的点数从6个标准点位提高到100~200个,它使得原来只用6个标准点进行小样本观测变成为大样本观测,从而大大地提高了成果的可靠性。从下面表格的示例中可以看出:原来的观测样本为185个,最大误差为32μ,中误差为12.5μ;若将误差大于10μ的点全部删除,点数降为95个点,中误差降为5.9μ,但是,相对定向元素变化仅为1/10000。

点数 rms 最大误差 φ1 κ1 φ2 ω2 κ2  
185 12.5μ 32μ -0.0217 0.0268 -0.0157 -0.0139 0.0489  
94 5.9μ 10μ -0.0218 0.0267 -0.0156 -0.0140 0.0489

又如过去我们常 把空中三角测量称为“加密”。顾名思义就是把按区域布设的少量的野外像控点进行加密。最终我们所需要的是加密点的坐标,提供给下一个摄影测量工序进行绝对定向使用。但是,进入数字摄影测量以后,“加密点”的涵义只是要将影像连接成航带、连接成区域,将整个区域的影像连接,构成为一个整体。而在摄影测量的后续工序中,并不需要直接利用这些“加密点”,而只需利用由自动空中三角测量、区域网平差所生成的影像的方位元素。而且,在其后续工序——DEM的生成、正射影像的生成、地物测绘中,无需进行任何定向,从而大大地提高了作业效率。因此,在数字摄影测量中,如将空中三角测量还称为“加密”,显然不妥。  

从以上的例子可以看出,传统的摄影测量进入数字摄影测量以后,很多的观念必须引起新的思考。当然,进入数字摄影测量以后,数字摄影测量的本身已经与计算机立体视觉的概念紧密地联系在一起。从而把数字图像处理、模式识别技术和计算机立体视觉的理论大量地引入了摄影测量中。因此,数字摄影测量实际上是由两部分组成:一部分是摄影测量的关系;而另一部分是模式识别与视觉。随着数字摄影测量的发展,后者的影响将越来越大,但是摄影测量工作者在这个过程中间还是大有可为的。因为第一,摄影测量工作者了解摄影测量生产和需要,因此,到目前为止,国际上多数数字摄影测量系统是由摄影测量工作者开发完成的。第二,摄影测量工作者熟悉摄影测量的几何关系与平差理论,因此,他们常常会在模式识别的理论中引入几何约束条件,利用最小二乘法获得最优解,如所谓带有几何约束条件的最小二乘影像匹配的理论等。