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。
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。