数字摄影测量的发展、思考与对策

1、.：.；众所周知，摄影丈量开展到今天，曾经进入了它的第三个阶段数字摄影丈量阶段。它对整个摄影丈量的教学、科研、消费都产生了极其深远的影响。而且，它的 影响远远不能以为仅仅是一种技术的开展、一个消费设备的改良以及消费效率的提高。现实上，数字摄影丈量的许多概念，以及它在整个地理信息产业的影响，都远 远超越模拟摄影丈量到解析摄影丈量的变革。因此，我们不仅仅要讨论技术方面的开展，更重要的是需求思索它对我们产生的影响、地理信息产业开展的规划以及我 们所采用的决策。 一、对摄影丈量教学、科研的思索 就摄影丈量本身而言，从测绘的角度上来看数字摄影丈量还是利用影像来进展测绘的科学与技术；而从信息科学和计算机视

2、觉科学的角度来看，它是利用影像来重 建三维外表模型的科学与技术，也就是在“室内重建地形的三维外表模型，然后在模型上进展测绘。因此，从本质上来说，它与原来的摄影丈量没有区别。因此， 在数字摄影丈量系统中，整个的消费流程与作业方式，与传统的摄影丈量差别似乎不大。但是它给传统的摄影丈量带来了艰苦的变革。 在二十世纪 三十年代，针对当时的模拟摄影丈量仪器，德国著名的摄影丈量专家V.Gruber给摄影丈量下了这样的定义：“摄影丈量是一种技术，它可以防止计算。这 是由于，模拟摄影丈量仪器处理了传统野外丈量中前方交会、后方交会的计算问题。本质上，当时的模拟摄影丈量仪器本身就是一台精细的、机械的、模拟计算器。

3、 该“计算器用两根精细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，当时的模拟丈量仪器，多称为自动测图仪 (Autograph)。所谓自动，就是可以防止人工的计算。从这个角度来说，摄影丈量当时就与计算机联络在一同，而不是真正的不需求计算。但是所谓自 动，它并不是可以分开作业员的观测进展自动测图，而只是防止了人工的计算，不需求人工用“对数表或机械的手摇计算机，进展前方和后方交会计算。 由于当时的摄影丈量与各种各样的模拟摄影丈量仪器严密地联络在一同，因此，当时的教学和研讨的内容多数是围绕着那些精细的摄影丈量仪器展开的。例如：仪 器的构造，各种控制器以及怎样利用模拟测图仪器来重建

4、模型(相对定向)等。又如：相对定向的点数、点位的分布，即所谓规范点位，到如今为止还被称为 Gruber点位，以及如何利用六个规范点上的上下视差进展逐渐的趋近；利用过渡矫正倍数，加快相对定向的速度等。 但是，到解析摄影丈量 的时代，精细的机械导杆被共线方程又称为“数字导杆所替代，简化了仪器的构造，构成了解析测图仪。然而利用六个规范点位进展相对定向依然没有变化， 只是人们只需观测六个规范点位的上下视差，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，作业员的作业中防止了迭代过程，从而 加快了定向速度。在解析摄影丈量时代，由于数字电子计算机的开展与引入，摄影丈量的严密解算成能够

5、。从而，空中三角丈量的严密解算、各种区域网平差模型、 粗差检测、可靠性的实际等，成为解析摄影丈量时代的热点与重点。与模拟摄影丈量时代相比，解析摄影丈量的教学、科研的内容要宽得多，而且研讨曾经不再仅仅 围绕丈量的仪器展开。这时，摄影丈量不仅仅需求利用计算机进展大量的计算，而计算机的开展与运用，引起了丈量一次深化的变革。但是，无论是模拟摄影丈量或 者是解析摄影丈量，都离不开人的双眼分别照准左、右影像上的同名点，因此，它们都不能够实现真正意义上的“自动化。 到了今天，由于数字摄影丈量的开展，计算机不仅可以替代人工进展大量的计算，而且曾经完全能够替代人眼来识别同名点，从而为摄影丈量开辟了真正的自动化

6、道路。它不仅大大提高了消费效率，而且在某些领域，在传统的摄影丈量观念以为是一些最根本的内容上，正在发生观念性的变革。 首先，数字摄 影丈量利用一台计算机，加上专业的摄影丈量软件，就替代了过去传统的、一切的摄影丈量的仪器。其中包括纠正仪、正射投影仪、立体坐标仪、转点仪、各种类型 的模拟丈量仪以及解析丈量仪。这些仪器设备曾经被以为是摄影丈量界的骄傲，但是，目前除解析测图仪还有少量的消费外，其他一切的摄影丈量光机仪器曾经完全 停顿消费。这种开展曾经引起了产业界的变革，即精细的光学、机械制造业转为信息产业，其重心也从欧洲转移到了美国。原来著名的摄影丈量、光机仪器制造厂 商，瑞士的Leica曾经与美国的

7、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 办一个摄影丈量专业非常困难，这是由于摄影丈量公用仪器非常昂贵。而如今，一切的摄影丈量公用仪器多由当代最通用的设备计算机所替代，摄影丈量除了公用 的软件外，几乎没有公用的硬件设备。因此，在美国通常将数字摄影丈量称为“软拷贝摄影丈量，这似乎很有道理。另外，也正是由于这个变革，摄影丈量曾经超 出了“测绘的范畴，数字摄影丈量也曾经成为计算机运用学科的一个部分。1995年9月27日，中国科学报发表了田峰同志的文 章，其中谈到：“最近，人们利用立体视觉的原理，正在探求综合运用同一地域的多张不同角度拍摄所得的

8、照片来恢复出地面的高度信息，以获得真正的三维地形 图，并已获得了相当的进展。显然，这是计算机界从“立体视觉的角度来描画“数字摄 影丈量的。由此可以看出，摄影丈量教学从设备的角度来看，要比传统的摄影丈量容易得多；从学科内容的角度来看，其范围要比传统的摄影丈量广泛得多。 从摄影丈量的教学内容来看，由于上述的变革，有关传统摄影丈量仪器构造原理，以及与此有关的各种控制器的实际，也不言而喻地被淘汰。另外，一些传统的教学内容能够曾被视为摄影丈量的根底知识，而在数字摄影丈量的教学中，也显得没有必要了。 例如：上面所说的6个Gruber规范点位，它只是思索了立体像对最大的控制范围，还有一个多余观测值，因此，G

9、ruber 6个规范点位的概念不断被沿用到解析摄影丈量，甚至到数字摄影丈量的某些系统中。这个概念不仅被运用于立体模型的相对定向中，而且还被运用在空中三角丈量 (加密)选点过程中。这个概念曾对摄影丈量的开展起了重要的作用，但是到今天，它能够束缚了我们的思想。假定在“规范点位上是一片森林、一片水域或者是 一大片建筑物，而数字摄影丈量系统中又没有思索自动分类(分类问题要比自动匹配、寻觅同名点的问题难得多)，从而它不能自动避开有问题的规范点位。因 此，也就妨碍了整个相对定向自动化系统的胜利率。而VirtuoZo数字摄影丈量系一致开场就放弃了6个规范点位的概念的束缚，而由计算机在整个像对上自 动选取均匀

10、分布的特征点，且所选的点数普通在200个左右，大大地超越了所需的6个点的要求，从而使相对定向自动化的胜利率大大地提高，可以到达 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，从而使原来粗差实际所研讨、讨论的问题对数字摄影丈量的影响也显得有些微缺乏道。例如：在相对定向过程中利用6个Gruber 规范点位进展剔除粗差(由于只需一个多余观测值)是非常困难的，但是到了数字摄影丈量阶段，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 高于传统的人任务业，而且可以进展批处置，也就是在作业员休憩的时候，由计算机进展处置。因此将相对定向的点数从6个规范点位提高到10020

11、0个，它 使得原来只用6个规范点进展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。从下面表格的例如中可以看出：原来的观测样本为185个，最大误 差为32，中误差为12.5；假设将误差大于10的点全部删除，点数降为95个点，中误差降为5.9，但是，相对定向元素变化仅为1/10000。 点数 rms 最大误差 1 1 2 2 2 185 12.5 32 -0.0217 0.0268 -0.0157 -0.0 0.0489 94 5.9 10 -0.0218 0.0267 -0.0156 -0.0140 0.0489 又如过去我们常 把空中三角丈量称为“加密。顾名思义就是把按区域布设的少

12、量的野外像控点进展加密。最终我们所需求的是加密点的坐标，提供应下一个摄影丈量工序进展绝对 定向运用。但是，进入数字摄影丈量以后，“加密点的涵义只是要将影像衔接成航带、衔接成区域，将整个区域的影像衔接，构成为一个整体。而在摄影丈量的后 续工序中，并不需求直接利用这些“加密点，而只需利用由自动空中三角丈量、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，无需进展任何定向，从而大大地提高了作业效率。因此，在数字摄影丈量中，如将空中三角丈量还称为“加密，显然不妥。 从以上的例子可以看出，传统的摄影丈量进入数字摄影丈量以后，很多的观念必需引起新的思索。当然

13、，进入数字摄影丈量以后，数字摄影丈量的本身曾经与计算 机立体视觉的概念严密地联络在一同。从而把数字图像处置、方式识别技术和计算机立体视觉的实际大量地引入了摄影丈量中。因此，数字摄影丈量实践上是由两部 分组成：一部分是摄影丈量的关系；而另一部分是方式识别与视觉。随着数字摄影丈量的开展，后者的影响将越来越大，但是摄影丈量任务者在这个过程中间还是大 有可为的。由于第一，摄影丈量任务者了解摄影丈量消费和需求，因此，到目前为止，国际上多数数字摄影丈量系统是由摄影丈量任务者开发完成的。第二，摄影测 量任务者熟习摄影丈量的几何关系与平差实际，因此，他们经常会在方式识别的实际中引入几何约束条件，利用最小二乘法

14、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实际等。 二、对摄影丈量消费的思索 在模拟与解析摄影丈量时代，将整个摄影丈量消费划分为不同的工序，使 用不同的公用的摄影丈量仪器，完成不同的任务。由于数字摄影丈量正在将传统的模拟和解析摄影丈量仪器送入历史博物馆，而一切的工序均可以由一台“数字摄影 丈量任务站来完成，从而使消费组织发生了艰苦的变化。 过去的 加密工序，运用转点仪、立体坐标仪或解析测图仪，为下面的测图工序提供加密成果，而如今的加密工序与整体的测图工序几乎密不可分。例如：预备任务、影像数 字化、参数文件的建立与输入都是共同的。而经过加密工序又可以省去后面测图工序的整个定向过程。

15、因此，再将两个工序分开就完全没有必要。我们似乎可以把空 中三角丈量看作为测图工序的一个“预处置。 当前，正处在由模拟、解析向数字摄影丈量转变的时代，同时也是模拟、解析摄影丈量仪器与数字 摄影丈量任务站共存、混用的时期。例如：有的消费单位，要求利用由数字摄影丈量任务站的自动空中三角丈量“加密结果，供模拟测图仪运用；有的消费单位那么 反过来，要求利用由传统的空中三角丈量“加密结果，供数字摄影丈量任务站运用。正如上面所述，空中三角丈量、区域网平差的本质是在严厉的数学模型下(特 别是光束法区域网平差)，将该区域内的一切的影像衔接起来，将影像与影像、模型与模型、航带与航带衔接起来，而所选的“加密点都是为

16、了将影像“衔接成 网。因此，只需将空中三角丈量与测图放置在一个一致的系统中，才干使整个区域内的结果到达最正确的衔接，即按区域网平差的结果进展衔接。假设按传统的方法， 将两者分开，测图时按加密点进展绝对定向，不仅添加了任务量，而且会降低精度。 由于利用航空影像进展测绘，影像必需数字化，因此，影像数字化器扫描仪，是数字摄影丈量必不可少的设备。随着影像数字化技术的开展，多数用于航测的 扫描仪均加上了自动卷片安装，直接可以将成卷的原始航摄负片(无论是黑/白片、彩色片)扫描成正片。既能减少摄影处置的工序，节省资料，同时还能提高精度 (从负片复制成正片，会添加底片变形)。加之纠正、正射影像均按数字方式完成

17、，中间没有摄影处置过程，因此，摄影处置工序，在摄影丈量作业中的作用也在逐 步地减少。 由于数字摄影丈量的开展，我们不仅需求重新思索整个内业消费工序的组织，而且具有了内、外业工序不分的能够性。以前航测外业主 要是做像控点和进展调绘，然后，由内业根据像控点进展加密，利用调绘片进展测图，假设发现外业像控点的误差，再转回给外业队进展返工。在城市大比例尺测图 过程中经常还需两期外业。先由内业根据调绘片进展测图，然后再由外业将遮挡的房屋补在相应的地图上，这种由外业到内业再到外业然后再前往内业的流程，显然 是不经济的。过去，外业队不能够购置价钱昂贵、体积庞大的解析测图仪和精细立体测图仪，但是随着数字摄影丈量

18、时代的到来，整个的内业均在计算机上完成，从 而使外业队也有能够进展内业任务。可以看出，数字摄影丈量曾经把整个摄影丈量消费的工序高度地集成在一同。 从以上分析可知，在消费中，将工序明确地划分，似乎曾经没有很大的必要。但是，从消费的实践出发，为了将消费人员有效地组织起来，将一套数字摄影丈量系 统划分成为不同的模块，分别安装在多台计算机上，似乎对消费的组织、人员的调配是很有意义的。例如：空三、定向、影像匹配与编辑，除了计算机以外，还需求 公用的图像卡和立体眼镜等公用的设备。但是，正射影像的生成、正射影像的拼接、等 高线的生成、数字地面模型的生成与拼接、地图的编辑等，只需求普通的计算机就能完成。因此，

19、根据消费工具的需求，一套数字消费系统(它非常完好，功能非常 齐全，也很庞大)，应该思索分别安装在不同要求的平台上，以利于消费的组织。三、对摄影丈量产品的思索 过去，传统的摄影丈量主要是用来测图，在国内主要还是线划图。因此，摄影丈量与用户的界面就是一个地图的概念。但是，随着数字摄影丈量时代的到来，什么是摄影丈量的产品?这个概念要比传统的摄影丈量的概念宽得多。例如： 1.附有内、外方位元数的原始影像数据就是产品。从传统的摄影丈量而言，摄影的影像，只是原始的资料。其它的用户可以购买拷贝片，作为下一步处置的原始 资料。但是如今，摄影被数字化了。假设我们对原始的数字摄影进展了空中三角丈量的处置，这时影像

20、的内方位元素、外方位元素曾经是知数据，假设我们把内、 外方位元素作为头文件与影像数据一同刻在光盘上，这就是一个产品。我们可以想像，假设知该地域的数字地面模型DEM，用户就可以直接利用该数字影像的 内、外方位元素、影像数据与DEM直接生成该地域的正射影像图，不需作任何处置。假设该像片是个平坦的地域或城区，用户就能够直接纠正成平面图。但是，目 前消费单位依然按照传统的观念，并没有把定向结果、方位元素与影像保管在一同，作为一个重要的中间成果或是一种中间产品，显然这是非常惋惜的。在此，我们 还想反复一下，在数字摄影丈量时代，“加密的结果中，影像的方位元素要比加密点的坐标重要得多。 中国3S吧 3s8

21、2.数字外表模型DSM，同样是重要信息。DSM通常被以为是无用的信息，给摄影丈量作业人员带来很多费事。例如在森林地域测图还必需减掉树高，由于， 传统的摄影丈量都是以地形为准，所以它必需表达地形的等高线，当然今后还是这样。但是大家能够并不知道，DSM同样非常重要。它可以用于“变化检测，在 森林地域，可以用于检测森林的生长情况；在城区，DSM可以用于检查城市的开展情况。特别是众所周知的巡航导弹，它不仅需求数字地面模型，而更需求的是数 字外表模型，这样才有能够使巡航导弹在低空飞行过程中，逢山让山，逢森林让森林。但是，直至今天，数字外表模型一直没有被以为是一个重要的产品或信息而被 保管下来。 3.数字

22、地面模型DEM是数字摄影丈量的重要信息，它已被以为是一个产品。但到目前为止，DEM的数据格式的规范化等问题尚未一致，DEM尚未成为一个规范的产品进展销售。这与美国相比，显然我们要落后得多。 4.传统的线划图无疑是摄影丈量的重要产品。其信息可以直接进入GIS系统或各种CAD系统，为各种工程设计提供数据。除此之外，正射影像图曾经受 到人们的注重，被视为快速成图与更新的重要手段。但是按传统的观念，总以为线划图才是一种正式或正规的图，而正射影像图充其量似乎也只能是一种辅助图种。 这是由于长期的习惯所致，也是遭到当时技术条件的限制。随着技术的开展，这种习惯的看法必然会改动，正射影像图会遭到人们越来越多的

23、注重。 5.由正射影像加DEM所产生的自然环境的三维景观，由城市的正射影像、DEM、建筑物的量测数据、房顶与墙面的影像纹理数据所产生的城市环境的三 维景观，曾经为计算机可视化、计算机模拟、计算机动画、仿真、虚拟现实、土地与城市规划提供了数据，这为数字摄影丈量的运用开辟了极为宽广的前景。目前在 国内，曾经有用户将VirtuoZo用于为虚拟现实的软件产生数据而制造动画、仿真及可视化。 总之，随着数字摄影丈量的开展，摄影丈量产品的范围比传统的线划图要宽得多，我们必需对此有充分的思索与认识。 四、从正射影像到“数字中国的思索 1998年1月31日，美国副总统戈尔在他的报告中提出数字地球的概念，曾经在国

24、际引起了艰苦的反响，但是 众所周知，数字地球中的一个重要内容是地面1米高分辨的遥感影像。毫无疑问，高分辨率遥感影像正在越来越遭到人们的注重。但是，我们应该知道，1： 10000的正射影像，假设它的像元的分辨率为100微米，其地面分辨率恰好是1米。所以我们可以以为，1：10000的正射影像加上数字地面模型，它是 数字地球的重要组成部分。我们必需对它有足够的注重，特别是应该有影像数据库的管理系统给予管理。随着国家测绘局和各省测绘局大量消费1：10000和 1：50000的正射影像图，置信在不久的未来，我们可以为“数字中国提供真正的1米分辨率的、经过地学编码的遥感影像。 众所周知，地图是符号化的地理

25、信息；影像那么是地理信息的最真实的写照。相对而言，影像要比地图更为直观、易于了解。除此以外，影像图还具有以下优点： 1.具有一定地面分辨率的影像图是将原始影像经过正射纠正处置、将每个像元都已准确地投影到一定的坐标系统内的最详细的“地理信息最直观的表达。再加 上DEM，我们就能非常方便地确定影像图上每个点(像元)的坐标(X，Y，Z)。当经过地图投影反变换，也可以求出它的地理坐标或地心坐标。从这个意义上 来说，假设我们可以及早建成全国的1：1万的影像数据库，再加上必要的其他信息，如DEM(可视为消费正射影像的副产品)，行政境界信息库等，我们就可以 以为：我们曾经建立了“数字中国的真正的“根底信息基准。 2.数字影像图具有最容易快速更新的特点。如何坚持地理信息系统内容的 现势性、地图的快速更新，显然是地理信息产业最重要的问题之一。特别是在战争形状下，信息的现势性将尤为重要。如何坚持现时性，如何做到快速更新?首先