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對攝影測量的思考

所屬欄目:光電技術(shù)論文 發(fā)布日期:2012-08-18 09:08 熱度:

  就攝影測量本身而言,從測繪的角度上來看數(shù)字?jǐn)z影測量還是利用影像來進(jìn)行測繪的科學(xué)與技術(shù);而從信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺科學(xué)的角度來看,它是利用影像來重建三維表面模型的科學(xué)與技術(shù),也就是在“室內(nèi)”重建地形的三維表面模型,然后在模型上進(jìn)行測繪。因此,從本質(zhì)上來說,它與原來的攝影測量沒有區(qū)別。因而,在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中,整個的生產(chǎn)流程與作業(yè)方式,與傳統(tǒng)的攝影測量差別似乎不大,但是它給傳統(tǒng)的攝影測量帶來了重大的變革。
  在二十世紀(jì)三十年代,針對當(dāng)時的模擬攝影測量儀器,德國著名的攝影測量專家V.Gruber給攝影測量下了這樣的定義:“攝影測量是一種技術(shù),它可以避免計(jì)算”。這是因?yàn),模擬攝影測量儀器解決了傳統(tǒng)野外測量中前方交會、后方交會的計(jì)算問題。實(shí)質(zhì)上,當(dāng)時的模擬攝影測量儀器本身就是一臺精密的、機(jī)械的、模擬計(jì)算器。該“計(jì)算器”用兩根精密的空間導(dǎo)桿模擬前方交會,從像點(diǎn)坐標(biāo)直接解算,給出其模型坐標(biāo)。因此,當(dāng)時的模擬測量儀器,多稱為自動測圖儀(Autograph)。所謂自動,就是可以避免人工的計(jì)算。從這個角度來說,攝影測量當(dāng)時就與計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起,而不是真正的不需要計(jì)算。但是所謂自動,它并不是可以離開作業(yè)員的觀測進(jìn)行自動測圖,而只是避免了人工的計(jì)算,不需要人工用“對數(shù)表”或機(jī)械的手搖計(jì)算機(jī)進(jìn)行前方和后方交會計(jì)算。
  到解析攝影測量的時代,精密的機(jī)械導(dǎo)桿被共線方程——又稱為“數(shù)字導(dǎo)桿”所代替,簡化了儀器的結(jié)構(gòu),形成了解析測圖儀。然而利用六個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行相對定向仍然沒有變化,只是人們只需觀測六個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的上下視差,計(jì)算機(jī)就能自動解算相對定向的元素。計(jì)算的過程雖然還是迭代的過程,但是,作業(yè)員的作業(yè)中避免了迭代過程,從而加快了定向速度。在解析攝影測量時代,由于數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與引入,攝影測量的嚴(yán)密解算成可能。從而,空中三角測量的嚴(yán)密解算、各種區(qū)域網(wǎng)平差模型、粗差檢測、可靠性的理論等,成為解析攝影測量時代的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。與模擬攝影測量時代相比,解析攝影測量的教學(xué)、科研的內(nèi)容要寬得多,而且研究已經(jīng)不再僅僅圍繞測量的儀器展開。這時,攝影測量不僅僅需要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的計(jì)算,而計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用引起了測量一次深刻的變革。但是,無論是模擬攝影測量或者是解析攝影測量,都離不開人的雙眼分別照準(zhǔn)左、右影像上的同名點(diǎn),因此,它們都不可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的“自動化”。
  到了今天,由于數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展,計(jì)算機(jī)不僅可以代替人工進(jìn)行大量的計(jì)算,而且已經(jīng)完全可能代替人眼來識別同名點(diǎn),從而為攝影測量開辟了真正的自動化道路。它不僅大大提高了生產(chǎn)效率,而且在某些領(lǐng)域,特別在傳統(tǒng)的攝影測量觀念所認(rèn)為的一些最基本的內(nèi)容上,正在發(fā)生觀念性的變革。
  在模擬與解析攝影測量時代,將整個攝影測量生產(chǎn)劃分為不同的工序,使用不同的專用的攝影測量儀器,完成不同的工作。由于數(shù)字?jǐn)z影測量正在將傳統(tǒng)的模擬和解析攝影測量儀器送入歷史博物館,而所有的工序均可以由一臺“數(shù)字?jǐn)z影測量工作站”來完成,從而使生產(chǎn)組織發(fā)生了重大的變化。
  過去的加密工序,使用轉(zhuǎn)點(diǎn)儀、立體坐標(biāo)儀或解析測圖儀,為下面的測圖工序提供加密成果,而現(xiàn)在的加密工序與整體的測圖工序幾乎密不可分。例如:準(zhǔn)備工作、影像數(shù)字化、參數(shù)文件的建立與輸入都是共同的。而通過加密工序又可以省去后面測圖工序的整個定向過程。因此,再將兩個工序分開就完全沒有必要。我們似乎可以把空中三角測量看作為測圖工序的一個“預(yù)處理”。
  當(dāng)前,正處在由模擬、解析向數(shù)字?jǐn)z影測量轉(zhuǎn)變的時代,同時也是模擬、解析攝影測量儀器與數(shù)字?jǐn)z影測量工作站共存、混用的時期。例如:有的生產(chǎn)單位,要求利用由數(shù)字?jǐn)z影測量工作站的自動空中三角測量“加密”結(jié)果,供模擬測圖儀使用;有的生產(chǎn)單位則反過來,要求利用由傳統(tǒng)的空中三角測量“加密”結(jié)果,供數(shù)字?jǐn)z影測量工作站使用。正如上面所述,空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)平差的本質(zhì)是在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型下(特別是光束法區(qū)域網(wǎng)平差),將該區(qū)域內(nèi)的所有的影像連接起來,將影像與影像、模型與模型、航帶與航帶連接起來,而所選的“加密”點(diǎn)都是為了將影像“連接成網(wǎng)”。因此,只有將空中三角測量與測圖放置在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)中,才能使整個區(qū)域內(nèi)的結(jié)果達(dá)到最佳的銜接,即按區(qū)域網(wǎng)平差的結(jié)果進(jìn)行銜接。若按傳統(tǒng)的方法,將兩者分開,測圖時按加密點(diǎn)進(jìn)行絕對定向,不僅增加了工作量,而且會降低精度。
  由于數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展,我們不僅需要重新考慮整個內(nèi)業(yè)生產(chǎn)工序的組織,而且具有了內(nèi)外業(yè)工序不分的可能性。以前航測外業(yè)主要是做像控點(diǎn)和進(jìn)行調(diào)繪,然后由內(nèi)業(yè)根據(jù)像控點(diǎn)進(jìn)行加密,利用調(diào)繪片進(jìn)行測圖,如果發(fā)現(xiàn)外業(yè)像控點(diǎn)的誤差,再轉(zhuǎn)回給外業(yè)隊(duì)進(jìn)行返工。在城市大比例尺測圖過程中常常還需兩期外業(yè),即先由內(nèi)業(yè)根據(jù)調(diào)繪片進(jìn)行測圖,然后再由外業(yè)將遮擋的房屋補(bǔ)在相應(yīng)的地圖上。這種由外業(yè)到內(nèi)業(yè)再到外業(yè)然后再返回內(nèi)業(yè)的流程,顯然是不經(jīng)濟(jì)的。過去,外業(yè)隊(duì)不可能購置價格昂貴、體積龐大的解析測圖儀和精密立體測圖儀,但是隨著數(shù)字?jǐn)z影測量時代的到來,整個內(nèi)業(yè)工作均在計(jì)算機(jī)上完成,從而使外業(yè)隊(duì)也有可能進(jìn)行內(nèi)業(yè)工作?梢钥闯,數(shù)字?jǐn)z影測量已經(jīng)把整個攝影測量生產(chǎn)的工序高度地集成在一起。
  從以上分析可知,在生產(chǎn)中,將工序明確地劃分,似乎已經(jīng)沒有很大的必要。但是,從生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā),為了將生產(chǎn)人員有效地組織起來,將一套數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)劃分成為不同的模塊,分別安裝在多臺計(jì)算機(jī)上,似乎對生產(chǎn)的組織、人員的調(diào)配是很有意義的。例如:空三、定向、影像匹配與編輯,除了計(jì)算機(jī)以外,還需要專用的圖像卡和立體眼鏡等專用的設(shè)備。但是,正射影像的生成、正射影像的拼接、等高線的生成、數(shù)字地面模型的生成與拼接、地圖的編輯等,只需要普通的計(jì)算機(jī)就能完成。因此,根據(jù)生產(chǎn)工具的需要,一套數(shù)字生產(chǎn)系統(tǒng)(它非常完整,功能非常齊全,也很龐大),應(yīng)該考慮分別安裝在不同要求的平臺上,以利于生產(chǎn)的組織。
  從傳統(tǒng)的攝影測量而言,攝影的影像,只是原始的資料。其它的用戶可以購買拷貝片,作為下一步處理的原始資料。但是現(xiàn)在,攝影被數(shù)字化了。如果我們對原始的數(shù)字?jǐn)z影進(jìn)行了空中三角測量的處理,這時影像的內(nèi)方位元素、外方位元素已經(jīng)是已知數(shù)據(jù),如果我們把內(nèi)、外方位元素作為頭文件與影像數(shù)據(jù)一起刻在光盤上,這就是一個產(chǎn)品。我們可以想像,如果已知該地區(qū)的數(shù)字地面模型DEM,用戶就可以直接利用該數(shù)字影像的內(nèi)、外方位元素、影像數(shù)據(jù)與DEM直接生成該地區(qū)的正射影像圖,不需作任何處理。如果該像片是個平坦的地區(qū)或城區(qū),用戶就可能直接糾正成平面圖。但是,目前生產(chǎn)單位仍然按照傳統(tǒng)的觀念,并沒有把定向結(jié)果、方位元素與影像保存在一起,作為一個重要的中間成果或是一種中間產(chǎn)品,顯然這是十分可惜的。在此,我們還想重復(fù)一下,在數(shù)字?jǐn)z影測量時代,“加密”的結(jié)果中,影像的方位元素要比加密點(diǎn)的坐標(biāo)重要得多。
  數(shù)字表面模型DSM,同樣是重要信息。DSM通常被認(rèn)為是無用的信息,給攝影測量作業(yè)人員帶來很多麻煩。例如在森林地區(qū)測圖還必須減掉樹高,因?yàn),傳統(tǒng)的攝影測量都是以地形為準(zhǔn),所以它必須表達(dá)地形的等高線,當(dāng)然今后還是這樣。但是大家可能并不知道,DSM同樣非常重要。它可以用于“變化檢測”,在森林地區(qū),可以用于檢測森林的生長情況;在城區(qū),DSM可以用于檢查城市的發(fā)展情況。特別是眾所周知的巡航導(dǎo)彈,它不僅需要數(shù)字地面模型,而更需要的是數(shù)字表面模型,這樣才有可能使巡航導(dǎo)彈在低空飛行過程中,逢山讓山,逢森林讓森林。但是,直至今天,數(shù)字表面模型始終沒有被認(rèn)為是一個重要的產(chǎn)品或信息而被保留下來。
  數(shù)字地面模型DEM是數(shù)字?jǐn)z影測量的重要信息,它已被認(rèn)為是一個產(chǎn)品。但到目前為止,DEM的數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化等問題尚未統(tǒng)一,DEM尚未成為一個標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)行銷售。這與美國相比,顯然我們要落后得多。
  傳統(tǒng)的線劃圖無疑是攝影測量的重要產(chǎn)品。其信息可以直接進(jìn)入GIS系統(tǒng)或各種CAD系統(tǒng),為各種工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。除此之外,正射影像圖已經(jīng)受到人們的重視,被視為快速成圖與更新的重要手段。但是按傳統(tǒng)的觀念,總認(rèn)為線劃圖才是一種正式或正規(guī)的圖,而正射影像圖充其量似乎也只能是一種輔助圖種。這是由于長期的習(xí)慣所致,也是受到當(dāng)時技術(shù)條件的限制。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種習(xí)慣的看法必然會改變,正射影像圖會受到人們越來越多的重視。
  總之,隨著數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展,攝影測量產(chǎn)品的范圍比傳統(tǒng)的線劃圖要寬得多,我們必須對此有充分的思考與認(rèn)識。
  如何保持地理信息系統(tǒng)內(nèi)容的現(xiàn)勢性、地圖的快速更新,顯然是地理信息產(chǎn)業(yè)最重要的問題之一。特別是在戰(zhàn)爭狀態(tài)下,信息的現(xiàn)勢性將尤為重要。當(dāng)前最重要的快速更新手段,是利用各種航天、航空傳感器,所獲得的原始信息都是影像,而不可能直接獲得線劃地圖。其次,來觀察一下信息處理的手段。當(dāng)前,影像與影像的配準(zhǔn)已經(jīng)得到比較圓滿的解決。它不僅僅可以解決同傳感器、同波段、同比例尺影像的配準(zhǔn),而且可以解決不同傳感器、不同波段、不同比例尺影像的配準(zhǔn),甚至可以解決不同時相影像的配準(zhǔn)。特別是我們可以設(shè)想,若我們選取“正射影像”作為“基準(zhǔn)”,將新獲取的原始的新影像與之配準(zhǔn),這樣,一經(jīng)與“正射影像”配準(zhǔn)的新影像,就能確定其外方位元素,利用已有的DEM進(jìn)行正射糾正,新影像立即成為更新的正射影像圖。按此流程,既不要由外業(yè)做像控點(diǎn),也不需要內(nèi)業(yè)做空中三角測量。而且在上述過程中,除了需要對新、老影像配準(zhǔn)結(jié)果作人機(jī)交互檢查外,對其它工序無須作任何人機(jī)交互的檢查,是全自動的,可以作批處理?梢韵胂,在已具有正射影像圖的情況下,其更新速度幾乎是可達(dá)到“準(zhǔn)實(shí)時”水平的。
  總之,由于數(shù)字?jǐn)z影測量時代的到來,我們不能僅僅認(rèn)為它是一個技術(shù)的進(jìn)步,更重要的是,我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識到它對我們的學(xué)科、生產(chǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、以及它與其他學(xué)科的關(guān)系,都產(chǎn)生了深刻的影響并起了巨大的變化。就此而引起我們的重視與思考,采取相應(yīng)的對策,才能引導(dǎo)我們的事業(yè)不斷地前進(jìn)。

文章標(biāo)題:對攝影測量的思考

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