攝影測量技術發展趨勢研究

時間：2022-10-08 23:43:38 職稱畢業論文我要投稿

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攝影測量技術發展趨勢研究

　　【摘要】攝影測量的主要任務是利用攝影片上的影像信息來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。攝影測量學經歷了模擬法、解析法和數字化三個階段。當今,數字攝影測量系統已普遍應用于大面積地形測量,隨著計算機技術和航天技術的發展,數字攝影測量的應用范圍不斷擴展,本文重點探討了攝影測量學的發展現狀以及其在各領域的應用。

攝影測量技術發展趨勢研究

　　論文關鍵詞：攝影測量,發展,應用

　　攝影測量就是對研究對象進行攝影,根據所獲得的構像信息,從幾何和物理方面進行分析研究,從而對所攝對象的本質提供各種資料,是一門以影像信息重建三維空間中物體幾何表面的科學。其實質是要根據像點的位置推求出物點的位置。為了能夠利用相片上像點的坐標確定其所對應的空間物點的確切位置,必須進行立體攝影測量。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,根據攝影過程的幾何反轉理論,由兩張相片上同名像點的坐標求出它們所對應的空間物點的三維坐標。攝影測量測定點位空間位置的特點在于:不觸及被測目標,可在大范圍內同時進行,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優勢地位,使其占據了廣泛的應用領域。

　　1 攝影測量發展的三個階段

　　攝影測量學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和技術[2]。但是,在攝影測量不同的發展階段,其研究的內容、特點、生產所使用的儀器設備、組織方式等,各具有不同的特點,甚至具有較大的差別。

　　自1839年攝影技術發明以后,便用于測量,這可以說是攝影測量的開端。至1900年為止,所用的方法還只是交會攝影測量,即是將攝影機安置在一條基線的兩端進行攝影,然后量測像點在像片上的位置,求其方向線再作交會計算,以求其大地位置和高程。至廿世紀初,發明了立體觀測方法后,德國人普夫銳士(Pulfrich )制成了立體坐標量測儀,歐瑞(Orel )又發明了自動立體測圖儀,于是開始形成了地面立體攝影測量。但是,地面上進行攝影,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,于是很自然地,人們就在解決空中攝影方面進行了巨大努力。第一次世界大戰中,航空技術有了迅速的發展,同時由于軍事上的需要,促使航空攝影測量有了很大發展。其發展大致可分為三個階段: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),設法把航攝時獲得的無數對同名點的兩張相鄰像片,保持航攝瞬間的相對狀態來進行投影,此時各同名點的攝影光線必然仍對應相交于地面某相應的地物點上[4]。顯然,由無數對同名光線交點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、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投影器、機械投影器或光學—機械投影器來模擬攝影過程,所以我們稱之為模擬攝影測量儀器。這一發展時期也就稱為模擬攝影測量時代。至六、七十年代這種類型的儀器發展到了頂峰。

　　1.2解析攝影測量

　　電子計算機和計算技術的發展,開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“數字投影來代替光學的、機械的或光學 —機械的模擬投影。所謂數字投影就是利用計算機實時地進行共線方程的計算,從而交會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展,德國、美國、瑞士等都先后生產了 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,后者使用純光學的、機械的或光學 —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步入實用階段。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的技術[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,影像匹配技術代替了雙眼觀測,實現了真正意義的自動測圖,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攝影測量三個發展階段的比較

　　為了更清晰的認識攝影測量的三個發展階段，我們從它的原始資料、投影方式、儀器、操作方式、產品5個方向對其進行比較，如表1：

　　發展階段

　　原始資料

　　投影方式

　　儀器

　　操作方式

　　產品

　　模擬

　　像片

　　光學投影;機械投影;光學-機械投影

　　模擬測圖儀

　　作業員手工

　　模擬產品

　　解析

　　像片

　　數字投影

　　解析測圖儀

　　計算機輔助作業員

　　模擬產品

　　數字產品

　　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

　　自動化操作+作業員干預

　　模擬產品

　　數字產品

　　2 攝影測量技術的發展趨勢

　　攝影測量測定點位空間位置的特點在于:不觸及被測目標,可在大范圍內同時進行,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優勢地位,使其占據了廣泛的應用領域。房屋和道路的提取是非常復雜的問題,即使是人工測繪,有時還必須依賴于外業的調繪片。又如,道路的半自動提取,多數還限于小比例尺影像或航天影像上的研究試驗。但是,房屋和道路的自動或半自動提取對提高數字攝影測量工作站的作業效率是非常重要的。對于GIS 數據更新,特別在我國,城市發展變化很快,GPS這項研究顯得尤為重要。例如,利用車載加電子地圖進行城市交通管理是當前熱門話題。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、航天影像上自動或半自動的提取房屋和道路信息,實現地圖和GIS的快速更新。因此,特征提取已經成為當前非常活躍的研究領域,世界上很多國家對此非常重視。例如,在美國有一個很大的稱為“Radius項目和McKeown的實驗室,在瑞士有“Amobe”項目和ETH,還有德國的波恩大學、奧地利的格拉茨大學和法國的地理院,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

　　從總的方面來說,進入了數字攝影測量時代,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程要簡單,更易于推廣。甚至有人認為:操作專業的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”的科學與技術,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,前者主要使用光機儀器,后者主要使用計算機，所以長期以來,雖然兩者是同一門學科,也難以集成在一起。但是進入DPS 時代,情況就發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系統,例如著名的遙感軟件Erdas ER Maper等多在致力于發展DPS。[8]隨著高分辨率的遙感影像的發展,DPS與RS將越來越不可分。

　　2.3 攝影測量與GPS的集成

　　原來GPS用于空三平差,主要是為了減少野外控制點。但是GPS在數字自動化空中三角測量中的作用,可用于從頭到尾的全過程,從區域的建立、連接點的轉刺,直到網的平差。美國Ohio大學和加拿大的Calgary大學所研制“測量汽車”,將GPS/ INS 和CCD立體相機安裝在汽車上;也有的將它們安裝在無人駕駛飛機上,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數據的自動化和半自動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地獲取房屋的高度,以獲取城市的三維信息,便是一個明顯的例子。

　　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;二是為工程或工業設計提供數據。隨著CAD技術的廣泛應用,怎樣將GPS 、DPS、 RS、 CAD以及GIS集成在一起,進行線路(公路、鐵路和輸電線路等)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行土方工程的計算等,都越來越受到重視。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,產生三維景觀,這是很有意義的。

　　2.6 DPS與計算機視覺

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

　　2.7 DPS、可視化與虛擬現實

　　攝影測量本身就是重建三維物體的科學。隨著計算機三維可視化技術的迅速發展,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的重要組成部分。再加上三維動畫技術,將CAD的結果迭置在由DPS所獲得的三維現實空間上,就能顯示三維虛擬現實空間。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間的觀測來確定一個物體的狀態變化或確定現象的變化過程。一個有效的檢測方法和流程可以很好地指導人們的工作,提供及時可靠的信息,并可有效地進行現有的數據庫的更新。目前變化檢測技術已被廣泛用于土地使用的變化分析,農作物估產,災害監測,城區變化以及其他環境的變化檢測中。概括說來,利用遙感(包括航測)進行變化檢測大致需要下述步驟: 1.對不同時相圖像進行配準; 2.對圖像進行輻射校正; 3.進行變化檢測(包括變化區域確定和識別變化類型)、對圖像進行幾何糾正、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期發生的變化。現存的變化檢測方法存在著以下的問題,現有的方法很少提供或者根本沒有提供地物究竟發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驗所決定。因為還沒有一個完備的理論來指導人們如何選定閾值;大多的方法是半自動的,需要人工干預;許多的方法沒有考慮所檢測的兩幅或多幅影像之間的相互關系。這樣就造成在檢測中往往將兩幅影像所有的像素都拿來做比較運算。這其實是不必要的。因為通常情況下有很多的地物其實沒有發生變化,可以在檢測之前將這些像素濾除掉;絕大多數的分類方法對數據的統計分布要求比較嚴格,方法在實施時,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。如果配準的過程中精度稍差,那么檢測結果將受到很大的影響。應通過一定的手段,對檢測后的結果進一步分析,去除這些影響。

　　我們知道,欲進行地圖修測,必須人工將老的地圖和新的像片進行對照,發現變化的地方——在學術上稱為“變化檢測”,這是非常費時的。我們相信,這項工作即使能夠部分自動化,它也將能大大地提高作業員的生產效率,同時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化和自動化提供了可能性。最簡單的辦法是將地圖經過掃描的數據或GIS的數據迭置到DPS,再經過人工比較,發現變化,這也要比原來的方式方便得多。事實上,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展的變遷和森林生長情況的檢測等。

　　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等。

　　2.10 攝影測量在教學中的應用

　　隨著數字攝影測量越來越廣泛的應用,攝影測量的教學內容將會發生重大變革。傳統的價格昂貴的精密光機型攝影測量儀器將會像微分法測圖儀器—立體量測儀一樣,退出歷史舞臺。只要有影像掃描儀(對于教學只需要價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,就能進行攝影測量的教學。許多有關的專業將很容易開設“攝影測量”課程。但是教學內容有的就很抽象,有的就像個“黑匣子”,例如自動化內定向、相對定向、DTM的自動生成等。因此,開發一套數字攝影測量的計算機輔助教學(CAI)軟件是很重要的。

　　3 結束語

　　隨著科技的進步,當代攝影測量技術正在不斷的變化。攝影手段的提高,影像種類的的多樣化,測量對象種類的增加,是當代攝影測量的一個新特點,同時,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。總之,對于攝影測量技術高度發展時代的到來,我們不能簡單地認為它是一個技術進步,更重要的是,應該清醒地認識到它在我們的學科、生產、應用領域以及其他學科的關系等方面都發生了深刻的變化。我們必須抓住機遇,迎接挑戰,才能在激烈的競爭中不斷發展,引導我們的事業不斷前進。

　　參考文獻:

　　[1] 王士玉.數字攝影測量的發展現狀與趨勢研究[J].廣州:科技創新導報.2008(12). 68.

　　[2] 馮其強,閻曉東,安海峰.數字近景攝影測量中人工標志點快速自動匹配[J].河南鄭州:測繪科學技術學報.2008,25(1).32-34.

　　[3]　張祖勛,張劍清.數字攝影測量學[J].武漢:武漢測繪科技大出版社,1996.4.

　　[4] 崔炳光,孫護,朱肇光.攝影測量學[M].北京:測繪出版社,1984,1,181.

　　[5]　第十八屆ISPRS大會技術展覽論文報告.

　　[6]　李德仁.攝影測量與遙感的現狀及發展趨勢 [J].武漢測繪科大學學報,2000,25.

　　[7]　張祖勛,張劍清,張力.數字攝影測量發展的機遇與挑戰[J].漢測繪科技大學學報,2000,26.

　　[8]　孫家柄等.遙感原理、方法和應用 [M].北京:測繪出版社1999.68.

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