摄影测量技术发展趋势研究

时间：2022-10-08 23:43:38 职称毕业论文我要投稿

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摄影测量技术发展趋势研究

　　【摘要】摄影测量的主要任务是利用摄影片上的影像信息来测制各种比例尺地形图,建立地形数据库,并为各种地理信息系统提供基础数据。摄影测量学经历了模拟法、解析法和数字化三个阶段。当今,数字摄影测量系统已普遍应用于大面积地形测量,随着计算机技术和航天技术的发展,数字摄影测量的应用范围不断扩展,本文重点探讨了摄影测量学的发展现状以及其在各领域的应用。

摄影测量技术发展趋势研究

　　论文关键词：摄影测量,发展,应用

　　摄影测量就是对研究对象进行摄影,根据所获得的构像信息,从几何和物理方面进行分析研究,从而对所摄对象的本质提供各种资料,是一门以影像信息重建三维空间中物体几何表面的科学。其实质是要根据像点的位置推求出物点的位置。为了能够利用相片上像点的坐标确定其所对应的空间物点的确切位置,必须进行立体摄影测量。所谓立体摄影测量,就是在不同的摄影站上对同一研究目标拍摄两张相片,构成立体像对;测量时,根据摄影过程的几何反转理论,由两张相片上同名像点的坐标求出它们所对应的空间物点的三维坐标。摄影测量测定点位空间位置的特点在于:不触及被测目标,可在大范围内同时进行,不受地面通视条件的限制,区域内平差结果的精度相当均匀,且不受区域大小的限制。所有这些决定了摄影测量的行业优势地位,使其占据了广泛的应用领域。

　　1 摄影测量发展的三个阶段

　　摄影测量学是一门研究利用影像重建物体空间的几何和物理模型的科学和技术[2]。但是,在摄影测量不同的发展阶段,其研究的内容、特点、生产所使用的仪器设备、组织方式等,各具有不同的特点,甚至具有较大的差别。

　　自1839年摄影技术发明以后,便用于测量,这可以说是摄影测量的开端。至1900年为止,所用的方法还只是交会摄影测量,即是将摄影机安置在一条基线的两端进行摄影,然后量测像点在像片上的位置,求其方向线再作交会计算,以求其大地位置和高程。至廿世纪初,发明了立体观测方法后,德国人普夫锐士(Pulfrich )制成了立体坐标量测仪,欧瑞(Orel )又发明了自动立体测图仪,于是开始形成了地面立体摄影测量。但是,地面上进行摄影,存在着视界不广,前景遮蔽后景,精度不均匀等不可克服的缺点,于是很自然地,人们就在解决空中摄影方面进行了巨大努力。第一次世界大战中,航空技术有了迅速的发展,同时由于军事上的需要,促使航空摄影测量有了很大发展。其发展大致可分为三个阶段:模拟摄影测量,解析摄影测量,数字摄影测量。

　　1.1模拟摄影测量

　　所谓模拟摄影测量,即是利用几何反转的特性(摄影可逆性),设法把航摄时获得的无数对同名点的两张相邻像片,保持航摄瞬间的相对状态来进行投影,此时各同名点的摄影光线必然仍对应相交于地面某相应的地物点上[4]。显然,由无数对同名光线交点组成的立体模型与所摄地区的地表面完全吻合。利用这一原理,德国、苏联、瑞士等国先后制成了多倍投影测图仪、立体量测仪、精密立体测图仪 A8、A10、B8、D2、СПР等等,由于这些仪器均采用光学投影器、机械投影器或光学—机械投影器来模拟摄影过程,所以我们称之为模拟摄影测量仪器。这一发展时期也就称为模拟摄影测量时代。至六、七十年代这种类型的仪器发展到了顶峰。

　　1.2解析摄影测量

　　电子计算机和计算技术的发展,开辟了解析摄影测量的新纪元。1957 年美国人海拉瓦提出了摄影测量的新概念,就是用“数字投影来代替光学的、机械的或光学 —机械的模拟投影。所谓数字投影就是利用计算机实时地进行共线方程的计算,从而交会被摄物体的空间位置。六十年代初,意大利的 OMI公司与美国的 Bendix 公司合作,制成了世界上第一台解析测图仪AP-1。其后,特别是七十年代,解析测图仪有了较快的发展,德国、美国、瑞士等都先后生产了 P2、C100、BC1等新型的解析测图仪。解析测图与模拟测图的主要区别在于前者使用数字投影方式,后者使用模拟投影方式;前者为由计算机控制的坐标量测系统,后者使用纯光学的、机械的或光学 —机械的模拟测图装置;前者是计算机辅助的人工操作,后者是完全的手工操作。

　　1.3数字摄影测量

　　1996 年的维也纳 ISPRS 大会上,展出了众多的数字摄影测量系统,它表明数字摄影测量已经步入实用阶段。所谓数字摄影测量就是以数字影像为基础,用电子计算机进行分析和处理,确定被摄物体的形状大小和空间位置及其性质的技术[5]。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的区别在于:它处理的原始信息不仅可以是像片,也可以是数字化影像。同时,影像匹配技术代替了双眼观测,实现了真正意义的自动测图,它所使用的仪器最终将只是运用计算机及相应的外围设备。

　　1.4摄影测量三个发展阶段的比较

　　为了更清晰的认识摄影测量的三个发展阶段，我们从它的原始资料、投影方式、仪器、操作方式、产品5个方向对其进行比较，如表1：

　　发展阶段

　　原始资料

　　投影方式

　　仪器

　　操作方式

　　产品

　　模拟

　　像片

　　光学投影;机械投影;光学-机械投影

　　模拟测图仪

　　作业员手工

　　模拟产品

　　解析

　　像片

　　数字投影

　　解析测图仪

　　计算机辅助作业员

　　模拟产品

　　数字产品

　　数字

　　像片;数字化影像;数字影像

　　数字投影

　　计算机及相应的外围设备

　　自动化操作+作业员干预

　　模拟产品

　　数字产品

　　2 摄影测量技术的发展趋势

　　摄影测量测定点位空间位置的特点在于:不触及被测目标,可在大范围内同时进行,不受地面通视条件的限制,区域内平差结果的精度相当均匀,且不受区域大小的限制。所有这些决定了摄影测量的行业优势地位,使其占据了广泛的应用领域。房屋和道路的提取是非常复杂的问题,即使是人工测绘,有时还必须依赖于外业的调绘片。又如,道路的半自动提取,多数还限于小比例尺影像或航天影像上的研究试验。但是,房屋和道路的自动或半自动提取对提高数字摄影测量工作站的作业效率是非常重要的。对于GIS 数据更新,特别在我国,城市发展变化很快,GPS这项研究显得尤为重要。例如,利用车载加电子地图进行城市交通管理是当前热门话题。但是,数据获取、怎样快速更新电子地图、确保城市道路的现势性是其中的一个瓶颈。又如,城市公安、消防、通信以及城市规划等,都需要城市的三维信息。所有这些都涉及到从航空、航天影像上自动或半自动的提取房屋和道路信息,实现地图和GIS的快速更新。因此,特征提取已经成为当前非常活跃的研究领域,世界上很多国家对此非常重视。例如,在美国有一个很大的称为“Radius项目和McKeown的实验室,在瑞士有“Amobe”项目和ETH,还有德国的波恩大学、奥地利的格拉茨大学和法国的地理院,都在这方面作了很多工作,作出了很多贡献。

　　2.1数字摄影测量系统(DPS)与“3S”集成

　　从总的方面来说,进入了数字摄影测量时代,用于摄影测量、遥感、GPS和GIS的数据处理平台都是计算机。特别是对于一般的操作而言,DPS要比传统的摄影测量的过程要简单,更易于推广。甚至有人认为:操作专业的DPS并不需要摄影测量的理论知识。因此,它们之间的集成是完全可能的。　　3.2 摄影测量与遥感(RS)的集成

　　摄影测量与遥感是研究“由影像到重建空间物体”的科学与技术,但前者着重于物体的几何属性,后者则偏重物体的物理属性。但是由于两者所用的手段不同,前者主要使用光机仪器,后者主要使用计算机，所以长期以来,虽然两者是同一门学科,也难以集成在一起。但是进入DPS 时代,情况就发生了根本的变化摄影测量与遥感完全能够真正的集成为一个系统,例如著名的遥感软件Erdas ER Maper等多在致力于发展DPS。[8]随着高分辨率的遥感影像的发展,DPS与RS将越来越不可分。

　　2.3 摄影测量与GPS的集成

　　原来GPS用于空三平差,主要是为了减少野外控制点。但是GPS在数字自动化空中三角测量中的作用,可用于从头到尾的全过程,从区域的建立、连接点的转刺,直到网的平差。美国Ohio大学和加拿大的Calgary大学所研制“测量汽车”,将GPS/ INS 和CCD立体相机安装在汽车上;也有的将它们安装在无人驾驶飞机上,组成低空摄影测量系统,这些都是GPS与DPS集成的明显例子。

　　2.4 摄影测量与GIS 集成

　　原来摄影测量只是作为GIS的数据采集手段,数据的流向是单向的,即只能从摄影测量到GIS。但是,对于数字摄影测量而言,两者的数据流可以是双向的,即GIS 数据也很容易进入,DPS这就给GIS的数据更新提供了极大的方便,也为从摄影测量的数据更新GIS数据的自动化和半自动化的途径提供了可能性。例如,由地图数字化所获得的GIS数据和航空影像如何自动地获取房屋的高度,以获取城市的三维信息,便是一个明显的例子。

　　2.5 DPS 与CAD 的集成

　　摄影测量的作用有二: 一是为了测绘地图或GIS采集数据;二是为工程或工业设计提供数据。随着CAD技术的广泛应用,怎样将GPS 、DPS、 RS、 CAD以及GIS集成在一起,进行线路(公路、铁路和输电线路等)设计、施工和管理,以及在大规模的工程建设中,应用数字近景摄影测量进行土方工程的计算等,都越来越受到重视。同DPS 与GIS 一样,DPS 与CAD的集成,其数据流向也是双向的,CAD 的结果可以返回DPS,产生三维景观,这是很有意义的。

　　2.6 DPS与计算机视觉

　　正如前面所述,DPS本身就是摄影测量与计算机视觉的交叉学科,两者的研究领域和内容是一致的,它们之间的学科交流也越来越频繁。虽然计算机视觉更侧重于工业,而摄影测量偏重于地学。但是,随着数字摄影机的广泛应用和数字近景摄影测量的发展,两者的距离将越来越靠近。

　　2.7 DPS、可视化与虚拟现实

　　摄影测量本身就是重建三维物体的科学。随着计算机三维可视化技术的迅速发展,由摄影测量重建的三维物体模型,完全可以在计算机上三维逼真地再现。它也必将成为虚拟现实的重要组成部分。再加上三维动画技术,将CAD的结果迭置在由DPS所获得的三维现实空间上,就能显示三维虚拟现实空间。它在建筑设计、城市规划、管理、各种工程设计均有非常诱人的应用前景。

　　2.8 变化检测(ChangeDitection)与地图修测

　　所谓变化检测就是根据不同时间的观测来确定一个物体的状态变化或确定现象的变化过程。一个有效的检测方法和流程可以很好地指导人们的工作,提供及时可靠的信息,并可有效地进行现有的数据库的更新。目前变化检测技术已被广泛用于土地使用的变化分析,农作物估产,灾害监测,城区变化以及其他环境的变化检测中。概括说来,利用遥感(包括航测)进行变化检测大致需要下述步骤: 1.对不同时相图像进行配准; 2.对图像进行辐射校正; 3.进行变化检测(包括变化区域确定和识别变化类型)、对图像进行几何纠正、大气纠正和地形纠正后,便可以利用纠正后的图像探测不同时期发生的变化。现存的变化检测方法存在着以下的问题,现有的方法很少提供或者根本没有提供地物究竟发生了什么变化的信息。在许多变化检测的方法中,需要确定阈值,而阈值往往由人们的经验所决定。因为还没有一个完备的理论来指导人们如何选定阈值;大多的方法是半自动的,需要人工干预;许多的方法没有考虑所检测的两幅或多幅影像之间的相互关系。这样就造成在检测中往往将两幅影像所有的像素都拿来做比较运算。这其实是不必要的。因为通常情况下有很多的地物其实没有发生变化,可以在检测之前将这些像素滤除掉;绝大多数的分类方法对数据的统计分布要求比较严格,方法在实施时,需要知道数据的统计模型;大多的方法在检测出变化的像素后,把这结果作为是肯定的。如果配准的过程中精度稍差,那么检测结果将受到很大的影响。应通过一定的手段,对检测后的结果进一步分析,去除这些影响。

　　我们知道,欲进行地图修测,必须人工将老的地图和新的像片进行对照,发现变化的地方——在学术上称为“变化检测”,这是非常费时的。我们相信,这项工作即使能够部分自动化,它也将能大大地提高作业员的生产效率,同时还能增加成果的可靠性。数字摄影测量为变化检测的半自动化和自动化提供了可能性。最简单的办法是将地图经过扫描的数据或GIS的数据迭置到DPS,再经过人工比较,发现变化,这也要比原来的方式方便得多。事实上,变化检测不仅仅可用于地图修测,而且可以用于检测城市发展的变迁和森林生长情况的检测等。

　　2.9 DPS在军事上的应用

　　世界上第一台可操作的DPS,即由美国GD /HAI公司制造的DSCC系统,就是应用于军事目的。由于DPS可用于大规模、快速的提取DTM和生成影像地图,它可以被应用于巡航导弹。另外,三维可视地面模型可用于作为电子沙盘等。

　　2.10 摄影测量在教学中的应用

　　随着数字摄影测量越来越广泛的应用,摄影测量的教学内容将会发生重大变革。传统的价格昂贵的精密光机型摄影测量仪器将会像微分法测图仪器—立体量测仪一样,退出历史舞台。只要有影像扫描仪(对于教学只需要价格非常低廉的通用的扫描仪即可)加计算机和相应的数字摄影测量软件,就能进行摄影测量的教学。许多有关的专业将很容易开设“摄影测量”课程。但是教学内容有的就很抽象,有的就像个“黑匣子”,例如自动化内定向、相对定向、DTM的自动生成等。因此,开发一套数字摄影测量的计算机辅助教学(CAI)软件是很重要的。

　　3 结束语

　　随着科技的进步,当代摄影测量技术正在不断的变化。摄影手段的提高,影像种类的的多样化,测量对象种类的增加,是当代摄影测量的一个新特点,同时,它也提出新的要求——提高测量精度,降低成本,加快速度,以及丰富测量成果等。总之,对于摄影测量技术高度发展时代的到来,我们不能简单地认为它是一个技术进步,更重要的是,应该清醒地认识到它在我们的学科、生产、应用领域以及其他学科的关系等方面都发生了深刻的变化。我们必须抓住机遇,迎接挑战,才能在激烈的竞争中不断发展,引导我们的事业不断前进。

　　参考文献:

　　[1] 王士玉.数字摄影测量的发展现状与趋势研究[J].广州:科技创新导报.2008(12). 68.

　　[2] 冯其强,阎晓东,安海峰.数字近景摄影测量中人工标志点快速自动匹配[J].河南郑州:测绘科学技术学报.2008,25(1).32-34.

　　[3]　张祖勋,张剑清.数字摄影测量学[J].武汉:武汉测绘科技大出版社,1996.4.

　　[4] 崔炳光,孙护,朱肇光.摄影测量学[M].北京:测绘出版社,1984,1,181.

　　[5]　第十八届ISPRS大会技术展览论文报告.

　　[6]　李德仁.摄影测量与遥感的现状及发展趋势 [J].武汉测绘科大学学报,2000,25.

　　[7]　张祖勋,张剑清,张力.数字摄影测量发展的机遇与挑战[J].汉测绘科技大学学报,2000,26.

　　[8]　孙家柄等.遥感原理、方法和应用 [M].北京:测绘出版社1999.68.

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