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关于实现向数字摄影测量转变的一些实际问题

发布时间:2022-01-02 23:57:31   浏览量:440   作者:测绘论坛

  摄影测量技术一直在发展,近十年的发展尤其令人瞩目。自从1988年京都的ISPRS大会期间展示了第
一台摄影测量工作站(克恩厂的DSPI)以来,已经过去了十年。这十年我们看到能使摄影测量作业过程自
动化程度日益增强的许多工具开发了出来。如:空中三角测量,数字高程模型(DEM)的生成和正射影象
的生产等许多摄影测量和生产过程已经自动化。在世纪之交的时候,人们看到摄影测量在经历了由模拟摄
影测量到解析摄影测量的转变之后,现在正由解析摄影测量向数字摄影测量转变。如果说在解析测图仪中
,还不能完全抛弃精密光学与机械部件,坐标量测仪仍然是不能缺少的重要部分的话,现时,在一台通用
的个人电子计算机上差不多已可进行摄影测量的全部工作。
    在这样巨大变革的时期,许多生产单位面临着一个问题,即:走向数字化还是停留在模拟阶段。解析
测图仪与数字摄影测量工作站比较还有优点吗?数字摄影测量工作站已经发展到什么水平,它的优势和潜
力何在?在实际生产中应用还有什么限制吗?本文试图分析这些问题。

    一、解析测图仪
    解析测图仪是在模拟测图仪器的基础上发展起来的,它是专门设计来处理模拟相片的,用来采集目标
的空间几何与拓朴信息。它以数字计算机的高速实时计算来实现空中导杆的功能从而实现了在模型空间的
相片量测以及像片为运算对象的各种航测处理过程。解析测图仪的主要组成部分是一部精密立体坐标仪(
用于航空像片的数字化)和一台配有摄影测量专用软件模块的计算机。大部分量测工作要靠人工进行,自
动化程度比较低。其输出主要由物方空间坐标系内的点坐标(以数字形式)组成,从而可以直接由像片生
成数字化的地形数据库。解析测图仪有以下优缺点(参见[1]):
    优点:
    l.在原始像片上进行量测。因此不会有因像片扫描所带来的额外的几何精度损失和辐射量的畸变。
    2.解析测图仪在市场上已销售了近40年,设备、方法和所需软件均已成熟,并且经过了大量实践检
验。
    3.一个有经验的作业员可在一台解析测图仪上工作8小时,而不致体力负担过大。
    4.专为地形测图研制的高档解析测图仪是当前摄影测量工作坚强的主力设备,至少可以运行十年。
    5.由于基本量测值(像片坐标)以数字格式记录,很多功能(如走向、测图及修测等)可由软件支
持。
    6.像片的存储只要求少量的存储空间。
    缺点:
    1.由于计算机不能直接存取像片的图象,因而量测过程不具备自动化的能力。
    2.由于部件中包含有精密光学与机械结构,量测精度受气候条件的影响。
    3.浮尘和磨损可导致仪器工作不正常,需要对仪器进行定期检查。

    二、数字摄影测量工作站(DPW)
    国际摄影测量与遥感学会将数字摄影测量系统定义为:“为采用人工或数字化技术从数字图象产生摄
影测量产品的硬件和软件”[1]。数字摄影测量工作站(以下简称DPW)与解析测图仪的区别在于能够利用
数字形式的图象,原则上使任何摄影测量工作流程能够自动化。数字影象既可由装备有适当软件的通用工
作站和PC机来处理,也可由专门为某一个或几个摄影测量工作流程设计的硬件及软件来处理。近十年来陆
续出现在世界市场上的DPW系统有Carl Zeiss和PHODIS系统、ERDAS的ERDAS IMAGING 
OrthoMAX系统、Intergraph的Imagestation ZⅡ系统、PCI Geomatics 
Group的OrthoEngine系统、VirtuoZo的VirtuoZo系统及中国测绘科学研究院的JX—4系统等。1998年GIM 
International杂志的产品调查表[5]中列出了15个DPW系统。据俄亥俄大学的Schenk教授估计[4],在1996
年时,世界民用市场大约安装了400台(套)DPW。考虑到其中约有一半在高校和科研单位,直接用于生产
的约200台左右。近两年这个数字大约会成倍增加。仅据作者所知,1998年国家测绘局系统为生产4D产品
,购置了数十套DPW。
    由于DPW能直接处理数字影象,在原则上使得自动提取地理信息成为可能。然而,由于图象内容的复
杂性,当前数字摄影测量达到的自动化程度还是相对较低的。一般产品可对内定向、相对定向、空中三角
测量中的连接点测量、数字高程模型DEM的生成和数字正射影象的生成等作业过程实现自动化作业。但是
其中有的作业过程,由于受地形复杂程度的影响,还需要相当数量的人工工作以进行检验、纠错和编辑。
至于地物信息的采集工作、交互式的工作方式仍是主要的工作方式。
    目前大多数航空照片仍由使用软片的摄影机取得。尽管使用CCD传感器的数字摄影机已取得了长足的
进展,但要完全取代光学摄影机还需时日。因此,为了在摄影测量处理之前将像片转为数字形式必须有一
个扫描过程。为了保持航空像片的几何精度和辐射特性,需要采用专门设计的扫描仪。扫描采用的分辨率
可以根据需要来选择,一般为7.5微米至50微米。实际选择分辨率时,除了考虑最终产品的质量要求之外
,还要考虑计算机的存储量及处理速度。
    DPW均提供立体观察的能力。以人工方法进行影象摄影测量处理时要求有高分辨率的监视器。实现立
体观察的方法有四种,即:互补色法、分割屏幕法、使用‘被动式眼镜’的偏振光法和使用‘主动式眼镜
’的闪闭法,互补色法比较便宜,但只能用于黑白影象,而且会产生光学变形。分割屏幕法要使用安装在
屏幕前方的立体镜,费用虽然不高但不很方便,而且作业员的眼睛过于接近屏幕,可能不利于健康。偏振
光法会引起光量的损失,影响观察效果。闪闭法则将左右两图象分别显示在监视器的奇数与偶数扫描线上
。随着图象的闪闭,眼镜的两个镜片也交替的一个为透明一个为不透明,从而实现左右两眼分别观察左右
两张像片的效果。这种方法不致使光量遭到损失,但作业员可能有图象闪烁的感觉。总之,由于扫描图象
分辨率不如模拟像片高以及立体观察设备方面的原因,当前DPW的立体观察效果还达不到传统模拟和解析
测图仪的水平。
    DPW在对地形要素与目标的提取方面,目前达到的自动化程度还较低。尽管有一些系统利用了图象识
别、专家系统等技术能实现某些地物(如居民地、线状地物)的识别和提取,然而由于客观世界的复杂性
,识别的错误率还较高。就全部地形测绘工作来讲,目前主要还靠人工测绘来完成。
    DPW利用计算机直接处理数字化的影象的这个特点给它带来了很多优势和巨大的潜力。例如,在正射
影象拼接方面,利用图象处理的手段可使相片接缝处达到很高的质量。DPW的最大潜力在于有可能实现摄
影测量过程的完全自动化。这几年来在某些工序如空中三角测量、DEM生产和正射影象生产方面已达到了
相当程度的自动化,为生产部门所广泛采用。从长远发展考虑,DPW使利用同一台设备同时处理不同来源
不同比例尺的数据成为可能。它能将各种数据进行整合、叠加、比较,从而为摄影测量开拓更为广泛、更
为灵活的应用领域,最终将组成并有力地驱动数字图象技术的进一步扩展、应用和集成。[3]
    概括起来,数字摄影测量工作站有下面的一些特点;(参见[1])
    1.通过对反差的处理和滤波,可改善图象的视觉质量。这不仅有利于相片解释,而且由于能在相当
大的程度上消除相邻影象的色调差别,也有利于生产正射相片。
    2.具有处理各种图象类型(包括卫星遥感和近景摄影)的能力。
    3.可以实现图象与矢量数据的立体叠加,从而大大方便了地形测图与修测。
    4.与解析测图仪比较,需要一台额外的设备;扫描仪。能满足摄影测量工作要求标准的扫描仪,价格昂贵。
    5.数字摄影测量要求移动、存储和处理海量数据。尽管当前可在PC机上实现,但为实现为这些处理功能对硬件的要求不可低估。
    6.以7.5微米象元扫描的一张彩色航空相片需占据约1.6G字节的存储空间。为减少硬盘需求,通常要进行压缩。然而图像压缩既可能损失几何精度也可能降低判读能力。
    7.由于象元尺寸的关系,有些可在原始像片上识别的小目标,在数字影象中不可识别。
    8.数字图象使直接的计算机处理成为可行,从而使摄影测量的很多处理过程实现了自动化。然而由于影象内容的复杂程度,在地形测图方面达到自动化程度还较低。为检查与改正自动化产生的结果,编辑工具仍然需要。
    9.DPW可以运用图象处理工具并且易于与GIS数据库实现交换。
    10.尽管很多广告宣传未来的DPW可以使未经专门训练的人员也能从事摄影测量工作,当前实际使用的经验证明,专业级DPW要求对作业人员进行专门的培训。作业人员要有高度的责任心和全面的摄影测量知识。

    三、生产部门向数字摄影测量转变的一些实际考虑
    DPW的出现标志着摄影测量技术发展的新阶段,它有巨大的发展潜力和应用前景。逐步实现由模拟摄影测量到数字摄影测量的转变可以说是所有摄影测量生产部门发展的必然趋势。但是这个转变将是一个过程,这中间有一些实际问题需考虑。
    1.转变是一个需要若干年的过程。从当前一个时期来看,数字摄影测量将不是取代解析摄影测量,而是与之并肩存在。这个过程可能是一个相当长的时期。美国俄亥俄大学的Schenk教授提供了一些令人感兴趣的事实:[4]
    “在研究工作的最新发现以及将这些发现用于制造产品,还有产品之普遍用于实际生产之间始终存在着技术上的距离。解析测图仪是个很好的例子。它在50年代后期发明,用了差不多20年时间才成为在较广泛的范围中可以提供的产品,只是到了80年代摄影测量界才批量购买这种仪器。估计当前全世界范围内安装的解析测图仪在1200台至1500台之间(误差不会大于10%)。与仍在使用的4000—5000台模拟立体测图仪比较,我们得到一个令人感兴趣的结论;在发明了35年之后,在开始成批生产了20年之后,解析测图仪的扩散率仅为30%。”
    “当对数字摄影测量的未来做预测时,上述关于解析测图仪的比较是有帮助的。当然决不会完全一样。技术是按指数函数进步。硬件的小型化以及CPU、存储器和海量存储设备等价格性能比的成倍化,全都预示着数字摄影测量的光明的未来。可是数字摄影测量的发展很大程度上取决于软件的发展,这里,同样美好的图画就无法画出来了。”
    2.目前的DPW与传统模拟仪器及解析测图仪比较其优势主要表现在自动化空中三角测量、自动化生产DEM及正射影象等方面。现在生产部门配备的DPW大多用于生产DEM和正射影象。使用DPW完成地形测图任务的自动化程度相当低。尽管在这方面正在进行着大量的研究工作,仍有大量基础性问题待解决。预期未来可出现辅助作业员的半自动测绘工具。至少在下个世纪头十年中,解析测图仪仍将是主要的、最可信赖的测绘工具(尤其是对测图而言)。(参见[1])
    3.目前装备DPW所需的投资还是比较大的,与解析测图仪比较,其一般价格高出一倍左右,而且还要为扫描仪额外投资。如果考虑到形成规模生产能力,所需投资不是一个小数目。
    4.专业的DPW对作业人员的素质要求较高,必须经过严格的训练才能上岗。与专业的DPW不同,市场上有一类普及型DPW,其特点是价格低廉且易于掌握,作业人员只需要经过短期培训即可操作。这类DPW特别适合于做GIS数据库的前端数据采集设备和数据更新设备。