数字摄影测量的发展和展望.doc

中国地质大学课程名称 测绘学概论 班 级 115093-18 学 生 姓名 沙松龄 学 号 20091002564 数字摄影测量的发展和展望摘要：数字摄影测量对现代测量产生了深远的影响，本文重点探讨了数字摄影测量的发展现状和趋势，随着计算机技术的发展以及数字图像处理、模式识别、计算机视觉等学科的发展，数字摄影测量已经占据了极其重要的位置。信息化测绘是数字摄影的趋势。关键字：数字摄影测量 测绘 计算机 地理信息系统概述：1.1数字摄影测量国内外的发展现状目前，世界上对于数字摄影测量的定义，主要有以下两种观点：1)是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息的的分支学科。美国等国称之为软拷贝摄影测量(Softcopy Photogrammetry)，我国王之卓教授称为全数字摄影测量(Full Digital Photogrammetry)。这种定义认为，在数字摄影测量过程中，不仅产品是数字。2)另一种定义，则只强调其中间数据记录及最终产品是数字形式的，即数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术，从影像(包括硬拷贝，数字影像或数字化影像)提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量分支学科。这种定义的数字摄影测量，包括计算机辅助测图(常称为数字测图)与影像数字化图。数字摄影测量系统主要由两部分组成：一部分是影像获取装置与成果输出设备；另一部分是一台计算机、数字摄影测量软件及其他外围设备。摄影测量发展到今天，己经进入它的第三个阶段 数字摄影测量阶段。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。数字摄影测量的发展起源于摄影测景自动化的实践，主要就是实现利用计算机立体视觉代替人眼的观侧，确定相应光的过程。1 9 5 0年，美国工程兵研究发展实验室与博士伦光学仪器公司合作研制了第一台自动化摄影测鼍测图仪。20世纪60年代初。美国研制成功的DAM(Digital Atomatic Map Compilation System)系统成功的将影像灰度转化成的电信号又转化为数字信号，并在此基础上由计算机来实现了摄影测量的自动化过程。这一套系统被认为是世界上第一套数字摄影测量系统。列20世纪90年代。随着计算机技术的高速发展，数字摄影测量也进入高速发展阶段，各种各样的数字摄影测量系统相继推向市场。比较著名有：Zeiss的PHODIS，LeicaHelave的DPWS系列，lntergraph的ImageStation，Vision International的SoftPloter等。我国对数字摄影测量的研究也开始的很早，早在20世纪7 0年代，中国地学家提出了航空摄影测绘地图，数宁化的理论、技术和方法，得到了德国科学界的高度评价和推崇。随后，由于计算机技术等方面的落后，使得我们国家的数字摄影测量系统的研究落后于发达国家。但是，l 9 7 8年，我国著名的测绘学科学家王之卓先生提出了发展全数字自动化测图系统的设想与方案。存此基础卜，武汉测绘科技大学于l 9 8 5年完成了我 第一套全数字自动化测图软件系统WUDAMS。数字摄影测量的发展，是摄影测量发展史上一次重大的变革。它对摄影测量的影响是非常巨大的。过去，传统的摄影测量主要是用来测图， 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：1.2 附有内、外方位元素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、外方位元素己经是己知数据，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。我们可以想象。如果已知该地区的数字地面模 DEM ，用户就可以直接利 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68 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald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。1.2.1 数字表面模型DSM，同样是重要信息D SM 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。传统的摄影钡9 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，D S M 同样非常重要。它可以用于“变化检测”，在森林地区，可以用干检测森林的生长情况；在城区，DSM 可以用r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 ，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。1.2.2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G I S系统或各种C A D 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_J惯所敛，也是受到当时技术条件的限制。随着技术的发展。这种 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。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、D EM ，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厂 阔的前景。目前在国内，己经有用户将VirtuoZo，用于为虚拟现实的软件产生数据制作动画、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 必须对此有充分的思考与认识2.1计算机软件与数字摄影测量22.1 VirtuoZo全数字摄影测量系统VirtuoZ1)全软件化o全数字摄影测量系统的主要特点：设计VirtuoZo是一个全软件化设计、功能齐全和高度智能化的全数字摄影测量系统。2)高度自动化影像的内定向、相对定向、影像匹配、建立DEM以及由DEM提取的等高线和制作正射影像等操作，均不需人工干预，可自动批处理进行。3)相对定向的高效率4)灵活性该系统提供了“自动化”和“交互处理”，用户可根据实际情况灵活选择。5)通用性系统不仅能基于航空影像生产从l：50 000到1：50o各种比例尺的4D产品，还能处理近景影像、中等分辨率的卫星影像、IKONOS卫星影像、QuickBird卫星影像和可量测数码相机影像。6)采集3维基础地理信息的理想平台2.2.2计算机视觉与数字摄影测量的区别1)两者发展的历史、目的不同。世界上第一台电子数字计算机(ENIAC)在美国诞生后，计算机立体视觉的开创性工作是从20世纪60年代中期开始的。l851l859年，法国陆军上校劳赛达特提出的交会摄影测量被称为摄影测量学的真正起点 。摄影测量的发展远早于计算机与计算机立体视觉。在电子数字计算机出现之前，摄影测量已经是测绘产业的一个重要组成部分。摄影测量始终是测绘学科的一个分支，通过摄影方式进行测绘，特别是测绘地形图。因此，计算机视觉与摄影测量的目的有很大的差异。2)出发点不同导致基本参数物理意义不同。计算机视觉是研究怎样用计算机模拟人的眼睛，实现机器人的视觉，它是以眼睛(摄影机)中心与光轴构成的坐标系为准，它定义的平移量是空间坐标系相对于摄影机坐标系的平移量。而摄影测量是测绘地形图的重要生产手段，它以空间(地面)统一坐标系为基准。3)出发点不同导致基本公式的不同。4)处理的对象不同，处理流程也不同。航空摄影测量需要对一个区域测绘地形图，是计算机视觉处理的范围一般较小，通常为一个立体像对(立体视觉)。5)研究方法的不同。计算机视觉通常采用矩阵分解 ，确定线性方程直接解， 计算机视觉总是设法将非线性问题转化为线性问题，尽可能避免求解非线性方程。最小二乘法在计算机视觉上也有应用，但是它不是主要方法。测绘学科对观测值处理的方法是测量平差，其数学基础是最小二乘法。2.2.3计算机视觉与数字摄影测量的联系就计算机视觉(特别是计算机立体视觉)的研究内容而言，它与摄影测量十分相近。计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，这种能力将不仅使机器感知三维环境中物体的几何信息，包括其形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支，是研究如何利用二维投影图像恢复三维景物世界，即由不同位置的两台或者一台摄像机(ccD)经过移动或旋转拍摄同一幅场景，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标值。美国麻省理工学院人工智能实验室的Mart提出了一种视觉计算理论并应用了双目匹配上，使两张有视差的平面图产生了深度的立体图形，奠定了双目立体视觉发展理论基础。双目视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如机器人导航、三维测量以及虚拟现实等。摄影测量是一门从物体二维影像重建三维空间物体的学科。显然，摄影测量与计算机视觉具有同样的目标，数字摄影测量的发展已经借鉴了许多计算机视觉的研究成果。摄影测量进入数字摄影测量以来，它已与计算机视觉紧密地连接在一起。两者的学科内容相似，如计算机视觉研究特征匹配与影像配准，而摄影测量讨论影像相关与影像拼接3.1数字摄影测量在城市地理信息更新中的优势与发展随着“数字城市”的发展，作为“数字城市”数据框架的城市地理信息数据库的快速更新显得尤为重要。采用科学的数据更新手段，可为“数字城市”维护、应用与发展提供可靠的数据支持，为决策层的正确决策提供科学的依据。“数字城市”的数据更新体现在空间数据和属性数据的更新上，而空间数据体现在现势性、准确性、逻辑一致性等要求，包括基础测绘、数据整理、检查、拓扑重建、数据入库等。数据库包括了二维、二点五维、三维等多维多实相空间实体数据及属性信息数据等，建库遵循以下几大特点：易于拓展、更新快捷、数据源的统一性和延续性等。因此选择科学的数据更新方法是十分必要的。3.1.2优势：1.降低成本缩短周期。与传统测绘手段比较，数字摄影测量大大降低外业工作的强度，将外业大部分的工作转入内业，尤其在测绘等高线方面优势突出，其他如测绘老城区、高层建筑物等与常规极坐标测绘法相比速度也快。应用数字航空摄影测量数据可以迅速确定需要大面积更新的区域，甚至在突发自然灾害后可以快速更新影像学资料，为专家和决策层提供科学的技术支持。目前最快的处理速度可以在几天之内自动处理完毕上千平方公里的影像数据，绘制出数字地面模型和正射影像图，可以在防洪减灾、快速响应等诸多领域快速处理所需的空间信息。2.信息量丰富。原始航摄资料经过专业数字摄影测量软件的处理后可以更新包括地表景观、地面高程模型，尤其是基于上述地形数据结合人工合成模型、数码影像等数据建立起来的三维浏览景观。诸如一些好的三维景观浏览系统“数字小区”、“数字校园”等，以点带面为“数字城市”提供了一些借鉴技术和经验。随着数码航空相机、航空激光雷达、CCD卫星等的大批量投入应用，更是可以直接提供信息量丰富的多光谱、多尺度、多数据源的遥感影像和三维实体数据。3 更新的拓展性和可延续性强。城市地理信息数据库可以为多源、单一源等。多源数据是指数据获取的方式多样性，数据格式的多样性。获取方式的多样性必然导致地理几何精度的不一致，这对于地理信息数据的共享产生了不利影响，譬如一套多源地理信息数据往往不能同时满足规划、国土、房产管理等多部门的要求。数据格式的多样性往往需要格式转换，而格式转换是数据获取的下策，通常会产生数据丢失，因此在数据建库时应尽量减少格式转换的次数。数字摄影测量可以同时获取线划图、影像及高程模型数据。更新的一般流程为采用全区域数字航摄的方式获取影像资料，通过影像叠加和匹配技术确定更新区域，利用已有的同源高程模型库和像控点数据库快速更新DOM数据库，进行线划图数据更新的同时，利用更新的地形数据重建或更新高程模型数据，实现3D产品的互动更新，达到了数据更新的拓展性和可延续性，同时减少了数据转换的环节，使得现有数据可以被最大化地利用。3.1.3发展1.原始数据获取手段的发展。航空摄影测量最重要的原始数据就是航片了。传统的航空摄影主要是以框幅式相机如RC10或RC30 为代表，摄影后需要进行冲洗、负片压正、扫面等过程，获取胶片，工序比较多。同时由于中心投影经常引起较大的航片畸变差，这都会对精度产生较大影像。近几年来，面阵式数码相机（如DMC、UCD等）以及三线阵推扫式数码相机（如ADS40）、机载激光雷达等先进传感器相继的采用可直接获取高分辨率数字影像，多光谱、彩红外等影像数据以及高程数据。随着GPS辅助空三系统、POS直接定向系统、差分GPS+惯性导航系统（DGPS+IMU）等定向系统应用于航摄过程，在航飞的同时以少量的地面控制点甚至是在无地面控制的情况下可直接获取不同精度的航片外方位元素，改变了传统航空摄影测量的作业模式，大大减少了航测外业像控点的布测工作，缩短了数据更新的周期。2.数字摄影测量系统的发展。数字摄影测量的硬件系统由工作站版、微机版、集成网络版等一系列的发展过程。随着计算机技术的快速发展，数字摄影测量系统的处理速度也在不断地提高。计算机处理器性能、显卡性能、显示器性能、光电传感灵敏度等都直接影响数字摄影测量系统的应用潜力，反过来数字摄影测量系统可与计算机视觉、计算机仿真、模拟、计算机动画、计算机网络联系起来又极大地扩展了数字摄影测量系统的应用领域。3.2数字摄影测量工作站的使用与发展实现数字摄影测量的系统称为数字摄影测量工作站DPWfDigitalPhotogrammetric Workstation)。下面对DPW作简单的介绍。3.2.1 DPW 作业简介 DPW 的作业流程(如图1所示)1 DPW 的作业方式2自动化与人工干预。自动化作业应无需任何的人二r于预，人工干预在自动化处理之前进行预处理或系统无法处理的问题应记录下来留给人工进行后处理。3人T干预与半自动化。在DPW 中人工干预并不完全由人 控制，而应尽可能达到半自动化。即在大多数情况下，只需作业人员给出一些简单的“指示”系统就能自动地处理。3.DPW 的主要功能31数据的输入和输出。DPW 可以对多种格式的影像数据、矢量数据和DEM数据等进行输入和输出。3_2影像数字化。由数字摄影机直接获得的像片不需要进行影像的数字化。用传统光学摄影机所摄的像片要经影像扫描仪转化为数字影像。33影像处理。大多数的DPW有一些基本的影像处理功能，如影像增强和几何变换等，但是少数系统有较强的影像处理功能，有时可用一些图像处理软件里进行一些简单处理。34建立工程。利用影像数据、相机参数文件和控制点文件建立各个：I：程，生成各个立体像对。35影像定向。利用相机检校参数，自动或人工识别影像的框标并进行框标中心定位，计算扫描坐标系与影像坐标系之间的相互转换参数，自动进行内定向，改正扫描过程所引起的误差。自动提取影像中足够的分布合理的特征点，并寻找同名像点，计算相对定向参数，自动进行相对定向。由人工方式在左(右)影像上定位控制点点位，采用影像匹配技术确定同名像点，计算绝对定向参数，完成绝对定向。36自动空中三角测量。人工干预或全自动内定向、选点、相对定向、转点，半自动量测地面控制点。区域网平差，剔除粗差，检查定向点的数量和分布情况，自动整理结果，建立各模型的参数文件。237核线影像。在相对定向完成后，利用相对定向参数，按同名核线将影像的灰度沿核线方向重新排列，构成核线影像，将二维相关问题简化为一维相关问题，以便立体量测和大大减少相关的计算工作量。38数字影像匹配。沿核线方向进行一维搜索，在左右影像上自动、高效地寻找大量的同名点。39制作DEM。根据像点对应的地面点的空间坐标，内插生成TIN，再进行插值计算，建立DEM。310自动生成等高线。利用TIN或DEM自动生成一定精度的等高线图。311制作DOM。由DEM自动生成正射影像。312 DOM与等高线叠合。将等高线叠合到DOM上，获得带有等高线的正射影像图。313 DOM镶嵌与修补。对多个立体模型进行DOM拼接，进行无缝镶嵌，生成整个测区的正射影像图。314数字测图。基于数字影像的计算机辅助量测，如特征提取与更新、属性化、注记和测图等。315制作透视图和景观图。根据透视变换原理与DEM制作透视图，将正射影像叠加到DEM透视图上制作景观图。3-16制作影像地图和可视化图。如正射影像叠置在数字高程模型上进行地形三维显示。_4.基于数字摄影测量的城市三维仿真模型的建设城市三维仿真模型建设城市三维仿真模型根据立体空间剖分结构及模型建设方法不同的特点分为地表三维模型(地形地貌模型)和地上三维模型(三维景观模型)。城市三维仿真模型建设的步骤如下：第一步：根据DEM 和DOM 数据叠加建设地形地貌模型；第二步：根据数字摄影测量数据建设三维景观模型；第三步：将这两类模型进行叠加生成城市三维仿真模型。利用数字摄影测量技术生成城市三维仿真模型与其他技术方法相比具有以下几个优势：(1)数据获取速度快、效率高和质量好；(2)建筑物高度