数字摄影测量的发展、思考与对策
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标题: 数字摄影测量的发展、思考与对策
发信站: 牡丹园新站 (Tue Sep 16 10:36:35 2003)
For personal use only in study and research; not for commercial use
数字摄影测量的发展、思考与对策
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For personal use only in study and research; not for commercial use
作者:张祖勋张剑清来源:武汉测绘科技大学发表日期:2002-11-02 点击:804
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众所周知，摄影测量发展到今天，已经进入了它的第三个阶段——数字摄影测量阶段For personal use only in study and research; not for commercial use
。它对整个摄影测量的教学、科研、生产都产生了极其深远的影响。而且，它的影响远远不能认为仅仅是一种技术的发展、一个生产设备的改进以及生产效率的提高。事实上，数字摄影测量的许多概念，以及它在整个地理信息产业的影响，都远远超过模拟摄影测量到解析摄影测量的变革。因此，我们不仅仅要探讨技术方面的发展，更重要的是需要思考它对我们产生的影响、地理信息产业发展的规划以及我们所采用的决策。
一、对摄影测量教学、科研的思考
就摄影测量本身而言，从测绘的角度上来看数字摄影测量还是利用影像来进行测绘的科学与技术；而从信息科学和计算机视觉科学的角度来看，它是利用影像来重建三维表面模型的科学与技术，也就是在“室内”重建地形的三维表面模型，然后在模型上进行测绘。因此，从本质上来说，它与原来的摄影测量没有区别。因而，在数字摄影测量系统中，整个的生产流程与作业方式，与传统的摄影测量差别似乎不大。但是它给传统的摄影测量带来了重大的变革。
在二十世纪三十年代，针对当时的模拟摄影测量仪器，德国著名的摄影测量专家V.Gr uber给摄影测量下了这样的定义：“摄影测量是一种技术，它可以避免计算”。这是因为
，模拟摄影测量仪器解决了传统野外测量中前方交会、后方交会的计算问题。实质上，当时的模拟摄影测量仪器本身就是一台精密的、机械的、模拟计算器。该“计算器”用两根精密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，当时的模拟测量仪器，多称为自动测图仪(Autograph)。所谓自动，就是可以避免人工的计算。从这个角度来说，摄影测量当时就与计算机联系在一起，而不是真正的不需要计算。但是所谓自动，它并不是可以离开作业员的观测进行自动测图，而只是避免了人工的计算，不需要人工用“对数表”或机械的手摇计算机，进行前方和后方交会计算。
由于当时的摄影测量与各种各样的模拟摄影测量仪器紧密地联系在一起，因此，当时的教学和研究的内容多数是围绕着那些精密的摄影测量仪器展开的。例如：仪器的结构，各种控制器以及怎样利用模拟测图仪器来重建模型(相对定向)等。又如：相对定向的点数
、点位的分布，即所谓标准点位，到现在为止还被称为Gruber点位，以及如何利用六个标准点上的上下视差进行逐步的趋近；利用过渡改正倍数，加快相对定向的速度等。
但是，到解析摄影测量的时代，精密的机械导杆被共线方程——又称为“数字导杆”
所代替，简化了仪器的结构，形成了解析测图仪。然而利用六个标准点位进行相对定向仍
然没有变化，只是人们只需观测六个标准点位的上下视差，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，作业员的作业中避免了迭代过程，从而
加快了定向速度。在解析摄影测量时代，由于数字电子计算机的发展与引入，摄影测量的
严密解算成可能。从而，空中三角测量的严密解算、各种区域网平差模型、粗差检测、可
靠性的理论等，成为解析摄影测量时代的热点与重点。与模拟摄影测量时代相比，解析摄
影测量的教学、科研的内容要宽得多，而且研究已经不再仅仅围绕测量的仪器展开。这时
，摄影测量不仅仅需要利用计算机进行大量的计算，而计算机的发展与应用，引起了测量
一次深刻的变革。但是，无论是模拟摄影测量或者是解析摄影测量，都离不开人的双眼分
别照准左、右影像上的同名点，因此，它们都不可能实现真正意义上的“自动化”。
到了今天，由于数字摄影测量的发展，计算机不仅可以代替人工进行大量的计算，而
且已经完全可能代替人眼来识别同名点，从而为摄影测量开辟了真正的自动化道路。它不
仅大大提高了生产效率，而且在某些领域，在传统的摄影测量观念认为是一些最基本的内
容上，正在发生观念性的变革。
首先，数字摄影测量利用一台计算机，加上专业的摄影测量软件，就代替了过去传统的、所有的摄影测量的仪器。其中包括纠正仪、正射投影仪、立体坐标仪、转点仪、各种
类型的模拟测量仪以及解析测量仪。这些仪器设备曾经被认为是摄影测量界的骄傲，但是
，目前除解析测图仪还有少量的生产外，其他所有的摄影测量光机仪器已经完全停止生产
。这种发展已经引起了产业界的变革，即精密的光学、机械制造业转为信息产业，其重心
也从欧洲转移到了美国。原来著名的摄影测量、光机仪器制造厂商，瑞士的Leica已经与美国的Helava合并；德国的Zeiss也将与美国的Intergraph合并。
从教育的角度来看，过去欲办一个摄影测量专业非常困难，这是由于摄影测量专用仪
器十分昂贵。而现在，所有的摄影测量专用仪器多由当代最通用的设备—计算机所替代，
摄影测量除了专用的软件外，几乎没有专用的硬件设备。因此，在美国通常将数字摄影测
量称为“软拷贝摄影测量”，这似乎很有道理。另外，也正是由于这个变革，摄影测量已
经超出了“测绘”的范畴，数字摄影测量也已经成为计算机应用学科的一个部分。1995年
9月27日，中国科学报发表了田峰同志《模式识别技术及其应用》的文章，其中谈到：“最近，人们利用立体视觉的原理，正在探索综合运用同一地区的多张不同角度拍摄所得的照
片来恢复出地面的高度信息，以获得真正的三维地形图，并已取得了相当的进展”。显然
，这是计算机界从“立体视觉”的角度来描述“数字摄影测量”的。由此可以看出，摄影测量教学从设备的角度来看，要比传统的摄影测量容易得多；从学科内容的角度来看，其
范围要比传统的摄影测量广泛得多。
从摄影测量的教学内容来看，由于上述的变革，有关传统摄影测量仪器结构原理，以
及与此有关的各种控制器的理论，也不言而喻地被淘汰。另外，一些传统的教学内容——
可能曾被视为摄影测量的基础知识，而在数字摄影测量的教学中，也显得没有必要了。
例如：上面所说的6个Gruber标准点位，它只是考虑了立体像对最大的控制范围，还有一个多余观测值，因此，Gruber 6个标准点位的概念一直被沿用到解析摄影测量，甚至到
数字摄影测量的某些系统中。这个概念不仅被应用于立体模型的相对定向中，而且还被应
用在空中三角测量(加密)选点过程中。这个概念曾对摄影测量的发展起了重要的作用，但
是到今天，它可能束缚了我们的思想。假定在“标准”点位上是一片森林、一片水域或者
是一大片建筑物，而数字摄影测量系统中又没有考虑自动分类(分类问题要比自动匹配、寻找同名点的问题难得多)，从而它不能自动避开有问题的标准点位。因此，也就妨碍了整个
相对定向自动化系统的成功率。而VirtuoZo数字摄影测量系统一开始就放弃了6个标准点位的概念的束缚，而由计算机在整个像对上自动选取均匀分布的特征点，且所选的点数一般
在200个左右，大大地超过了所需的6个点的要求，从而使相对定向自动化的成功率大大地提高，可以达到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，从而使原来粗差理论所
研究、讨论的问题对数字摄影测量的影响也显得有些微不足道。例如：在相对定向过程中
利用6个Gruber标准点位进行剔除粗差(因为只有一个多余观测值)是十分困难的，但是到了数字摄影测量阶段，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
于传统的人工作业，而且可以进行批处理，也就是在作业员休息的时候，由计算机进行处理。因此将相对定向的点数从6个标准点位提高到100～200个，它使得原来只用6个标准点进行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。从下面表格的示例
中可以看出：原来的观测样本为185个，最大误差为32μ，中误差为12.5μ；若将误差大于10μ的点全部删除，点数降为95个点，中误差降为5.9μ，但是，相对定向元素变化仅为1 /10000。
点数 rms 最大误差φ1 κ 1 φ2 ω2 κ2
185 12.5μ 32μ -0.0217 0.0268 -0.0157 -0.0139 0.0489
94 5.9μ 10μ -0.0218 0.0267 -0.0156 -0.0140 0.0489
又如过去我们常把空中三角测量称为“加密”。顾名思义就是把按区域布设的少量的
野外像控点进行加密。最终我们所需要的是加密点的坐标，提供给下一个摄影测量工序进
行绝对定向使用。但是，进入数字摄影测量以后，“加密点”的涵义只是要将影像连接成
航带、连接成区域，将整个区域的影像连接，构成为一个整体。而在摄影测量的后续工序中，并不需要直接利用这些“加密点”，而只需利用由自动空中三角测量、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，无需进行任何定向，从而大大地提高了作业效率。因此，在数字摄影测量中，如将空
中三角测量还称为“加密”，显然不妥。
从以上的例子可以看出，传统的摄影测量进入数字摄影测量以后，很多的观念必须引
起新的思考。当然，进入数字摄影测量以后，数字摄影测量的本身已经与计算机立体视觉
的概念紧密地联系在一起。从而把数字图像处理、模式识别技术和计算机立体视觉的理论
大量地引入了摄影测量中。因此，数字摄影测量实际上是由两部分组成：一部分是摄影测
量的关系；而另一部分是模式识别与视觉。随着数字摄影测量的发展，后者的影响将越来
越大，但是摄影测量工作者在这个过程中间还是大有可为的。因为第一，摄影测量工作者
了解摄影测量生产和需要，因此，到目前为止，国际上多数数字摄影测量系统是由摄影测
量工作者开发完成的。第二，摄影测量工作者熟悉摄影测量的几何关系与平差理论，因此
，他们常常会在模式识别的理论中引入几何约束条件，利用最小二乘法获得最优解，如所
谓带有几何约束条件的最小二乘影像匹配的理论等。
二、对摄影测量生产的思考
在模拟与解析摄影测量时代，将整个摄影测量生产划分为不同的工序，使用不同的专
用的摄影测量仪器，完成不同的工作。由于数字摄影测量正在将传统的模拟和解析摄影测
量仪器送入历史博物馆，而所有的工序均可以由一台“数字摄影测量工作站”来完成，从
而使生产组织发生了重大的变化。
过去的加密工序，使用转点仪、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，而现在的加密工序与整体的测图工序几乎密不可分。例如：准备工作、影像数字化、参数文件的建立与输入都是共同的。而通过加密工序又可以省去后面测图工序的整个
定向过程。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测量看作为测图工序的一个“预处理”。
当前，正处在由模拟、解析向数字摄影测量转变的时代，同时也是模拟、解析摄影测量仪器与数字摄影测量工作站共存、混用的时期。例如：有的生产单位，要求利用由数字摄影测量工作站的自动空中三角测量“加密”结果，供模拟测图仪使用；有的生产单位则反过来，要求利用由传统的空中三角测量“加密”结果，供数字摄影测量工作站使用。正如上面所述，空中三角测量、区域网平差的本质是在严格的数学模型下(特别是光束法区域网平差)，将该区域内的所有的影像连接起来，将影像与影像、模型与模型、航带与航带连接起来，而所选的“加密”点都是为了将影像“连接成网”。因此，只有将空中三角测量
与测图放置在一个统一的系统中，才能使整个区域内的结果达到最佳的衔接，即按区域网平差的结果进行衔接。若按传统的方法，将两者分开，测图时按加密点进行绝对定向，不仅增加了工作量，而且会降低精度。
由于利用航空影像进行测绘，影像必须数字化，因此，影像数字化器——扫描仪，是数字摄影测量必不可少的设备。随着影像数字化技术的发展，多数用于航测的扫描仪均加上了自动卷片装置，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。既能减少摄影处理的工序，节省材料，同时还能提高精度(从负片复制成正片，会增加底片变形)。加之纠正、正射影像均按数字形式完成，中间没有摄影处理过程，因此，摄影处理工序，在摄影测量作业中的作用也在逐步地减少。
由于数字摄影测量的发展，我们不仅需要重新考虑整个内业生产工序的组织，而且具有了内、外业工序不分的可能性。以前航测外业主要是做像控点和进行调绘，然后，由内业根据像控点进行加密，利用调绘片进行测图，如果发现外业像控点的误差，再转回给外业队进行返工。在城市大比例尺测图过程中常常还需两期外业。先由内业根据调绘片进行测图，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返回内业的流程，显然是不经济的。过去，外业队不可能购置价格昂贵、体积庞大的解析测图仪和精密立体测图仪，但是随着数字摄影测量时代的到来，整个的内业均在计算机上完成，从而使外业队也有可能进行内业工作。可以看出，数字摄影测量已经把整个摄影测量生产的工序高度地集成在一起。
从以上分析可知，在生产中，将工序明确地划分，似乎已经没有很大的必要。但是，从生产的实际出发，为了将生产人员有效地组织起来，将一套数字摄影测量系统划分成为不同的模块，分别安装在多台计算机上，似乎对生产的组织、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，还需要专用的图像卡和立体眼镜等专用的设备。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，只需要普通的计算机就能完成。因此，根据生产工具的需要，一套数字生产系统(它非常完整，功能非常齐全，也很庞大)，应该考虑分别安装在不同要求的平台上，以利于生产的组织。
三、对摄影测量产品的思考
过去，传统的摄影测量主要是用来测图，在国内主要还是线划图。因此，摄影测量与用户的界面就是一个地图的概念。但是，随着数字摄影测量时代的到来，什么是摄影测量的产品?这个概念要比传统的摄影测量的概念宽得多。例如：
1.附有内、外方位元数的原始影像数据就是产品。从传统的摄影测量而言，摄影的影像，只是原始的资料。其它的用户可以购买拷贝片，作为下一步处理的原始资料。但是现在，摄影被数字化了。如果我们对原始的数字摄影进行了空中三角测量的处理，这时影像的内方位元素、外方位元素已经是已知数据，如果我们把内、外方位元素作为头文件与影像数据一起刻在光盘上，这就是一个产品。我们可以想像，如果已知该地区的数字地面模型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直接生成该地区的正射影像图，不需作任何处理。如果该像片是个平坦的地区或城区，用户就可能直接
纠正成平面图。但是，目前生产单位仍然按照传统的观念，并没有把定向结果、方位元素
与影像保存在一起，作为一个重要的中间成果或是一种中间产品，显然这是十分可惜的。
在此，我们还想重复一下，在数字摄影测量时代，“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。
2.数字表面模型DSM，同样是重要信息。DSM通常被认为是无用的信息，给摄影测量作
业人员带来很多麻烦。例如在森林地区测图还必须减掉树高，因为，传统的摄影测量都是
以地形为准，所以它必须表达地形的等高线，当然今后还是这样。但是大家可能并不知道
，DSM同样非常重要。它可以用于“变化检测”，在森林地区，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发展情况。特别是众所周知的巡航导弹，它不仅需要数字地面模型，而更需要的是数字表面模型，这样才有可能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，数字表面模型始终没有被认为是一个重要
的产品或信息而被保留下来。
3.数字地面模型DEM是数字摄影测量的重要信息，它已被认为是一个产品。但到目前为止，DEM的数据格式的标准化等问题尚未统一，DEM尚未成为一个标准的产品进行销售。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测量的重要产品。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，正射影像图已经受到人们的重视，被视为快
速成图与更新的重要手段。但是按传统的观念，总认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，也是受到当
时技术条件的限制。随着技术的发展，这种习惯的看法必然会改变，正射影像图会受到人
们越来越多的重视。
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，已经为计算机可
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
字摄影测量的应用开辟了极为广阔的前景。目前在国内，已经有用户将VirtuoZo用于为虚
拟现实的软件产生数据而制作动画、仿真及可视化。
总之，随着数字摄影测量的发展，摄影测量产品的范围比传统的线划图要宽得多，我
们必须对此有充分的思考与认识。
四、从正射影像到“数字中国”的思考
1998年1月31日，美国副总统戈尔在他的报告《数字地球——对二十一世纪人类星球的理解》中提出数字地球的概念，已经在国际引起了重大的反响，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受到人们的重视。但是，我们应该知道，1：10000的正射影像，如果它的像元的分辨率为100微米，其地面分辨率恰好是1米。所以我们可以认为，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。我们必须对它有足够的重视，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生产1：10000和1：50000 的正射影像图，相信在不久的将来，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信息；影像则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、易于理解。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理、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
能十分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，如果我们能够及早建成全国的1：1 万的影像数据库，再加上必要的其他信息，如DEM(可视为生产正射影像的副产品)，行政境界信息库等，我们就可以认为：我们已经建立了“数字中国”的真正的“基础信息——基
准”。
2.数字影像图具有最容易快速更新的特点。如何保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。特别是在战争状态下，信息的现
势性将尤为重要。如何保持现时性，如何做到快速更新?首先我们来观察一下原始信息的获
取手段。当前最重要的快速更新手段，是利用各种航天、航空传感器，所获得的原始信息
都是影像，而不可能直接获得线划地图。其次，来观察一下信息处理的手段。当前，影像
与影像的配准已经得到比较圆满的解决。它不仅仅可以解决同传感器、同波段、同比例尺
影像的配准，而且可以解决不同传感器、不同波段、不同比例尺影像的配准，甚至可以解
决不同时相影像的配准。特别是我们可以设想，若我们选取“正射影像”作为“基准”，
将新获取的原始的新影像与之配准，这样，一经与“正射影像”配准的新影像，就能确定
其外方位元素，利用已有的DEM进行正射纠正，新影像立即成为更新的正射影像图。按此流程，既不要由外业做像控点，也不需要内业做空中三角测量。而且在上述过程中，除了需
要对新、老影像配准结果作人机交互检查外，对其它工序无须作任何人机交互的检查，是
全自动的，可以作批处理。可以想象，在已具有正射影像图的情况下，其更新速度几乎是可达到“准实时”水平的。
3.变化检测的自动化。地理信息(地图)更新周期的时间，可以根据经验人为地确定下来，例如，城镇地区的更新周期较短，而山区的更新周期较长。但是，从原理上来说，更
新周期主要取决于当地地理信息的变化程度。因此，如何利用影像，特别是分辨率较低的
卫星影像数据，例如：TM、SPOT影像，自动地检测其变化的程度，是非常重要的。目前，
利用影像与影像的配准，进行变化检测是完全有可能的。这样，不仅仅地图更新可以达到“准实时”，而且可以事先合理地确定何处、何时需要更新。当然，变化检测不仅仅可用
于确定地图修测的周期，而且，可以用于其他的各个领域。例如城市规划、土地变迁与税收、林业、军事等等。
总之，由于数字摄影测量时代的到来，我们不能仅仅认为它是一个技术的进步，更重
要的是，我们应该清醒地认识到它对我们的学科、生产、应用领域、以及它与其他学科的
关系，都产生了深刻的影响并起了巨大的变化。就此而引起我们的重视与思考，采取相应
的对策，才能引导我们的事业不断地前进。
仅供个人参考
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
For personal use only in study and research; not for commercial use.
Nur für den pers?nlichen für Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.
Pour l 'étude et la recherche uniquement à des fins personnelles; pas à des fins commerciales.
толькодля людей, которые используются для обучения, исследований и не должны использоваться в коммерческих целях.
以下无正文