攝影測(cè)量的發(fā)展

1、攝影測(cè)量的發(fā)展眾所周知，攝影測(cè)量發(fā)展到今天，已經(jīng)進(jìn)入了它的第三個(gè)階段——數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段。它對(duì)整個(gè)攝影測(cè)量的教學(xué)、科研、生產(chǎn)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。而且，它的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能認(rèn)為僅僅是一種技術(shù)的發(fā)展、一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)以及生產(chǎn)效率的提高。事實(shí)上，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的許多概念，以及它在整個(gè)地理信息產(chǎn)業(yè)的影響，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)模擬攝影測(cè)量到解析攝影測(cè)量的變革。因此，我們不僅僅要探討技術(shù)方面的發(fā)展，更重要的是需要思考它對(duì)我們產(chǎn)生的影響、地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃

2、以及我們所采用的決策。一、對(duì)攝影測(cè)量教學(xué)、科研的思考就攝影測(cè)量本身而言，從測(cè)繪的角度上來(lái)看數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量還是利用影像來(lái)進(jìn)行測(cè)繪的科學(xué)與技術(shù)；而從信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)科學(xué)的角度來(lái)看，它是利用影像來(lái)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(cè)繪。因此，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它與原來(lái)的攝影測(cè)量沒(méi)有區(qū)別。因而，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中，整個(gè)的生產(chǎn)流程與作業(yè)方式，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量差別似乎不大。但是它給傳統(tǒng)的攝影測(cè)量帶

3、來(lái)了重大的變革。在二十世紀(jì)三十年代，針對(duì)當(dāng)時(shí)的模擬攝影測(cè)量?jī)x器，德國(guó)著名的攝影測(cè)量專家V.Gruber給攝影測(cè)量下了這樣的定義：“攝影測(cè)量是一種技術(shù)，它可以避免計(jì)算”。這是因?yàn)?，模擬攝影測(cè)量?jī)x器解決了傳統(tǒng)野外測(cè)量中前方交會(huì)、后方交會(huì)的計(jì)算問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上，當(dāng)時(shí)的模擬攝影測(cè)量?jī)x器本身就是一臺(tái)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(huì)，從像點(diǎn)坐標(biāo)直接解算，給出其模型坐標(biāo)。因此，當(dāng)時(shí)的模擬測(cè)量?jī)x器，多稱為自動(dòng)測(cè)圖儀(

4、Autograph)。所謂自動(dòng)，就是可以避免人工的計(jì)算。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，攝影測(cè)量當(dāng)時(shí)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(dòng)，它并不是可以離開(kāi)作業(yè)員的觀測(cè)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)圖，而只是避免了人工的計(jì)算，不需要人工用“對(duì)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(huì)計(jì)算。由于當(dāng)時(shí)的攝影測(cè)量與各種各樣的模擬攝影測(cè)量?jī)x器緊密地聯(lián)系在一起，因此，當(dāng)時(shí)的教學(xué)和研究的內(nèi)容多數(shù)是圍繞著那些精密的攝影測(cè)量?jī)x器展開(kāi)的。例如：儀器的結(jié)構(gòu)，各種控制器以

5、及怎樣利用模擬測(cè)圖儀器來(lái)重建模型(相對(duì)定向)等。又如：相對(duì)定向的點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)位的分布，即所謂標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，到現(xiàn)在為止還被稱為Gruber點(diǎn)位，以及如何利用六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上的上下視差進(jìn)行逐步的趨近；利用過(guò)渡改正倍數(shù)，加快相對(duì)定向的速度等。但是，到解析攝影測(cè)量的時(shí)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(jiǎn)化了儀器的結(jié)構(gòu)，形成了解析測(cè)圖儀。然而利用六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行相對(duì)定向仍然沒(méi)有變化，只是人們只需觀測(cè)六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的上下視差，計(jì)算機(jī)就能自

6、動(dòng)解算相對(duì)定向的元素。計(jì)算的過(guò)程雖然還是迭代的過(guò)程，但是，作業(yè)員的作業(yè)中避免了迭代過(guò)程，從而加快了定向速度。在解析攝影測(cè)量時(shí)代，由于數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與引入，攝影測(cè)量的嚴(yán)密解算成可能。從而，空中三角測(cè)量的嚴(yán)密解算、各種區(qū)域網(wǎng)平差模型、粗差檢測(cè)、可靠性的理論等，成為解析攝影測(cè)量時(shí)代的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。與模擬攝影測(cè)量時(shí)代相比，解析攝影測(cè)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(cè)量的儀器展開(kāi)。這時(shí)，攝影測(cè)量不僅僅需要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大

7、量的計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，引起了測(cè)量一次深刻的變革。但是，無(wú)論是模擬攝影測(cè)量或者是解析攝影測(cè)量，都離不開(kāi)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(dòng)化”。到了今天，由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(lái)識(shí)別同名點(diǎn)，從而為攝影測(cè)量開(kāi)辟了真正的自動(dòng)化道路。它不僅大大提高了生產(chǎn)效率，而且在某些領(lǐng)域，在傳統(tǒng)的攝影測(cè)量觀念認(rèn)為是一些最基本的內(nèi)容上，正在發(fā)生觀

8、念性的變革。首先，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，加上專業(yè)的攝影測(cè)量軟件，就代替了過(guò)去傳統(tǒng)的、所有的攝影測(cè)量的儀器。其中包括糾正儀、正射投影儀、立體坐標(biāo)儀、轉(zhuǎn)點(diǎn)儀、各種類型的模擬測(cè)量?jī)x以及解析測(cè)量?jī)x。這些儀器設(shè)備曾經(jīng)被認(rèn)為是攝影測(cè)量界的驕傲，但是，目前除解析測(cè)圖儀還有少量的生產(chǎn)外，其他所有的攝影測(cè)量光機(jī)儀器已經(jīng)完全停止生產(chǎn)。這種發(fā)展已經(jīng)引起了產(chǎn)業(yè)界的變革，即精密的光學(xué)、機(jī)械制造業(yè)轉(zhuǎn)為信息產(chǎn)業(yè)，其重心也從歐洲轉(zhuǎn)移到了美國(guó)。原來(lái)著名的攝影測(cè)量、

9、光機(jī)儀器制造廠商，瑞士的Lei然，進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以后，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的本身已經(jīng)與計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的概念緊密地聯(lián)系在一起。從而把數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的理論大量地引入了攝影測(cè)量中。因此，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量實(shí)際上是由兩部分組成：一部分是攝影測(cè)量的關(guān)系；而另一部分是模式識(shí)別與視覺(jué)。隨著數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，后者的影響將越來(lái)越大，但是攝影測(cè)量工作者在這個(gè)過(guò)程中間還是大有可為的。因?yàn)榈谝唬瑪z影測(cè)量工作者了解攝影測(cè)量生產(chǎn)和需要，因此，到目

10、前為止，國(guó)際上多數(shù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)是由攝影測(cè)量工作者開(kāi)發(fā)完成的。第二，攝影測(cè)量工作者熟悉攝影測(cè)量的幾何關(guān)系與平差理論，因此，他們常常會(huì)在模式識(shí)別的理論中引入幾何約束條件，利用最小二乘法獲得最優(yōu)解，如所謂帶有幾何約束條件的最小二乘影像匹配的理論等。二、對(duì)攝影測(cè)量生產(chǎn)的思考在模擬與解析攝影測(cè)量時(shí)代，將整個(gè)攝影測(cè)量生產(chǎn)劃分為不同的工序，使用不同的專用的攝影測(cè)量?jī)x器，完成不同的工作。由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量正在將傳統(tǒng)的模擬和解析攝影測(cè)量?jī)x器送入歷史博物

11、館，而所有的工序均可以由一臺(tái)“數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站”來(lái)完成，從而使生產(chǎn)組織發(fā)生了重大的變化。過(guò)去的加密工序，使用轉(zhuǎn)點(diǎn)儀、立體坐標(biāo)儀或解析測(cè)圖儀，為下面的測(cè)圖工序提供加密成果，而現(xiàn)在的加密工序與整體的測(cè)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(guò)加密工序又可以省去后面測(cè)圖工序的整個(gè)定向過(guò)程。因此，再將兩個(gè)工序分開(kāi)就完全沒(méi)有必要。我們似乎可以把空中三角測(cè)量看作為測(cè)圖工序的一個(gè)“預(yù)處理”。當(dāng)前，正處在由

12、模擬、解析向數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量轉(zhuǎn)變的時(shí)代，同時(shí)也是模擬、解析攝影測(cè)量?jī)x器與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站共存、混用的時(shí)期。例如：有的生產(chǎn)單位，要求利用由數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站的自動(dòng)空中三角測(cè)量“加密”結(jié)果，供模擬測(cè)圖儀使用；有的生產(chǎn)單位則反過(guò)來(lái)，要求利用由傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量“加密”結(jié)果，供數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站使用。正如上面所述，空中三角測(cè)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(lái)，將影像與影像、模型與模型

13、、航帶與航帶連接起來(lái)，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(cè)量與測(cè)圖放置在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中，才能使整個(gè)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(kāi)，測(cè)圖時(shí)按加密點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定向，不僅增加了工作量，而且會(huì)降低精度。由于利用航空影像進(jìn)行測(cè)繪，影像必須數(shù)字化，因此，影像數(shù)字化器——掃描儀，是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量必不可少的設(shè)備。隨著影像數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)用于航測(cè)的掃描儀均加上了自動(dòng)

14、卷片裝置，直接可以將成卷的原始航攝負(fù)片(無(wú)論是黑白片、彩色片)掃描成正片。既能減少攝影處理的工序，節(jié)省材料，同時(shí)還能提高精度(從負(fù)片復(fù)制成正片，會(huì)增加底片變形)。加之糾正、正射影像均按數(shù)字形式完成，中間沒(méi)有攝影處理過(guò)程，因此，攝影處理工序，在攝影測(cè)量作業(yè)中的作用也在逐步地減少。由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，我們不僅需要重新考慮整個(gè)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(cè)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

15、點(diǎn)進(jìn)行加密，利用調(diào)繪片進(jìn)行測(cè)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(cè)圖過(guò)程中常常還需兩期外業(yè)。先由內(nèi)業(yè)根據(jù)調(diào)繪片進(jìn)行測(cè)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(guò)去，外業(yè)隊(duì)不可能購(gòu)置價(jià)格昂貴、體積龐大的解析測(cè)圖儀和精密立體測(cè)圖儀，但是隨著數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代的到來(lái)，整個(gè)的內(nèi)業(yè)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(cè)

16、量已經(jīng)把整個(gè)攝影測(cè)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(méi)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(lái)，將一套數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)劃分成為不同的模塊，分別安裝在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，似乎對(duì)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