第八章-数字摄影测量1

绪论,数字摄影测量学,一、摄影测量学的发展阶段及特点,摄影测量学是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。经历了：模拟法、解析法，目前正进入数字阶段，而且正蓬勃发展。摄影测量的发展与计算机技术在摄影测量中的应用深度是密切相关的。,1、模拟法摄影测量：摄影过程的几何反转原理:,是利用光学或机械交会，直接将像点交会成空间模型坐标，是以光机仪器模拟摄影过程，在形成比实地缩小的几何模型上量测，在绘图桌上绘得地形图等模拟产品。模拟（立体）测图仪（analogstereoplotter）。如多倍仪（光学）、B8S（机械）摄影测量的发展（理论、精度、应用范围）很大程度上受着仪器的制约。摄影测量是一门能够避免计算的技术。特点：手工操作；机械或光学投影；设备昂贵；产品单一；,2、解析法摄影测量（二十世纪七十年代）：随着计算机技术的发展，计算机技术被引入摄影测量中，用以进行摄影测量中复杂的几何解算和大量的数值计算。解析空间三角测量：是计算机技术应用于摄影测量的第一项成果，大面积、快速测定点位。解析测图仪（analyticalplotter）。世界上首先实现测量成果数字化的仪器，它将地图以数字形式存储在计算机中，构成了测绘数据库和建立各种GIS空间数据库的基础。产品形式多样化。非地形摄影测量的发展和应用范围得以拓展。（如近景摄影）特点：机助交互操作；数字投影；设备昂贵；解算复杂,3、数字摄影测量：源于实现摄影测量自动化，计算机不仅能完成摄影测量的计算任务，还能完成像点的自动识别和量测。数字摄影测量工作站，完全摆脱光机仪器。组成：影像扫描仪、计算机、数字摄影测量软件、成果输出设备。功能：自动空三、自动定向、自动生成4D产品：DEM、DOQ、DLG、DRG（国家空间数据基础设施的框架数据）、测图功能、其它辅助功能（数据管理、编辑、图象处理等）特点：空间数据采集最有效的手段之一，具有效率高、精度高、劳动强度低的优点。计算机视觉代替人眼视觉；自动化程度高；产品形式多样,VirtuoZo全数字摄影测量工作站（右图）：武汉大学研制的，基于Windows95/NT的全数字摄影测量工作站。具有：自动化程度高，处理效率高，可接合性强，应用面广，成本低的特点，可用于1：5万，1：1万，1：1千，1：500等各种比例尺的数字测图，以及进行GIS数据采集等；不仅可以处理航空像片，还能处理卫星遥感影像，和普通相机所摄像片，该系统已被开发成商品，并推向了国际市场。,JX-4数字摄影测量工作站：中国测绘科学研究院研制的，基于微机的数字摄影测量工作站，是一套半自动化的数字摄影测量系统。具有：实用性强，人机交互功能好，生产精度高，产品质量控制工艺强的特点。可生产高密度的DEM，生产正射影像，采集GIS和数字地图数据等。,摄影测量学是利用影像，研究信息的获取、处理、分析和成果表达的一门信息科学。影像将成为空间信息的主要载体，属于图象信息科学和技术的范畴。当代高新技术的重要组成部分，已广泛应用于国民经济建设与社会发展的诸多领域。,二、数字摄影测量的意义与变革:,数字摄影测量从本质上来说，与原来的模拟摄影测量没有区别。整个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。1)设备、技术：传统的摄影测量依赖于精密的光机仪器：模拟测图仪、解析测图仪。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。数字摄影测量则脱离了光机仪器，全部由计算机进行处理。数字摄影测量从设备的角度来看，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。数字摄影测量的组成：一部分是摄影测量；而另一部分是模式识别与计算机视觉。随着数字摄影测量的发展，后者的影响将越来越大。摄影测量工作者不仅熟悉摄影测量的解析关系、最小二乘算法，同时也要熟悉计算机立体视觉的原理。研制的工作站必须易于使用和推广。,2)研究内容：模拟摄影测量时代，摄影测量的教学、科研、生产组织与流程，以模拟仪器的制造者为中心。纠正仪、转点仪、立体坐标仪、模拟测图仪、正射投影仪。摄测仪器的理论、结构，各种控制器、仪器的定向理论和操作方法，测图理论等，以相应的仪器为中心。解析摄测时代，计算机的引入，拓宽了教学科研的研究领域，如：解析空三、区域网平差、粗差理论、机助测图等。（离不开人的双眼分别照准左、右影像上的同名点）数字摄测时代，摄影测量全部被“软化”，为摄影测量的发展提供了最大的空间。引入了：数字图象处理技术、模式识别技术，推动摄影测量的自动化，如：框标的识别（内定向的自动化）、特征点的识别与匹配（相对定向的自动化）、基于灰度的整体匹配（断面扫描的自动化）。数字摄测的发展并没有改变摄影测量的基本解析关系，摄影测量的基本理论和数学关系仍是数字摄测的基础，基本的处理流程（定向，DEM生成、正射影像的产生、立体测图）仍是DPW的基本功能。,淘汰了：与摄测仪器有关的理论和方法。（纠正仪、转点仪、立体坐标仪、模拟测图仪、正射投影仪）。发展了：摄影测量的一些理论，如：相对定向点的分布，即所谓标准点位的问题。考虑到立体像对最大的控制范围，和多余观测值，选择6个标准点进行相对定向。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。对摄影测量的发展起了非常重要的作用。在数字摄影测量系统中，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，由于DPS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)，因此它不能自动避开有问题的标准点位。降低了整个相对定向自动化系统的成功率。在DPS中，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几百个左右，大大地超过了所需的6个点的要求，同时粗差影响也可以忽略，使相对定向自动化的成功率大大地提高，可以达到99.99%。,如:过去称空中三角测量为“加密”。就是把按区域布设的少量的野外像控点进行加密，得到加密点的坐标，提供给下一个工序进行绝对定向和测图使用。进入数字摄影测量，“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。在后续工序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。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。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。通过加密工序还可以省去后面测图工序的整个定向过程。因此，再将加密与测图分开就完全没有必要。这里，空中三角测量可看作测图工序的一个“预处理”。,3）产业：传统光机摄影测量仪器的制造者：瑞士Leica、德国Zeiss，主导着摄影测量的发展；光机仪器品种繁多、价格昂贵、作业环境要求高，不易组织，通常只能由省级测绘局、国家部委的专业测绘院组织，完成摄影测量生产。数字摄影测量工作站的研制和生产者：美国Helava,Intergraph,VisionInternational。中国VirtuoZo,JX4。原来的Leica,Zeiss的摄影测量部分，与Helava,Intergraph合并，重组为LH、ZI公司。数字摄影测量的发展已经引起了产业界的变革，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。同时，也使摄影测量生产从传统的测绘产业发展为新兴的信息产业。,4D产品；与计算机可视化、计算机仿真、模拟、动画、计算机网络密切联系起来。（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）5）生产流程：在模拟与解析摄影测量时代，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。如：传统摄影测量内业生产工序：外业，内业：（摄影处理、纠正镶嵌；空三（加密）；立体测图；编图；正射纠正。）每个工序又分为若干子工序，如加密：计划、选点、转点、观测、计算等，所用仪器有转点仪、坐标仪、解析测图仪。数字摄影测量时代，所有的工序由一台“数字摄影测量工作站”来完成。,直接利用航片扫描的数字化影像，在计算机上完成摄影测量的所有工序。如自动化空三：区域网建立；加密点的自动选点、转点、量测；编辑；区域网平差。空三结果（定向元素、加密点坐标）可直接应用于后续工序。后续工序无须再作定向，提高效率和精度。数字摄影测量把整个摄影测量生产的工序高度地集成在一起，可以不分内、外业工序。如：航测外业是做像控点测量和调绘，内业根据像控点进行加密，利用调绘片进行测图，如果发现像控点误差，需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）。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，所以内外业工作和分工是分开的。数字摄影测量的整个内业在计算机上完成，外业队也有可能进行内业工作，使得不具备传统摄影测量生产能力的机构也可以参与摄影测量的生产。,对摄影测量的理解：从测绘的角度是一门基于影像进行量测的科学技术，从信息科学的角度是基于影像重建三维表面模型的科学技术，即计算机立体视觉。摄影测量是与计算机立体视觉紧密联系的。数字摄影测量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。它的影响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。我们要关注、研究技术方面的发展，还要思考它对我们产生的影响、对地理信息产业发展的规划以及我们所采用的决策的影响.,三、数字摄影测量,1、概念：基于数字影像与摄影测量原理，应用计算机技术、数字图象处理技术、影像匹配技术、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支科学。2、过程：摄影：准备工作：根据任务和要求，确定摄影范围，摄影距离，摄影方式，摄影机的选择，摄影机的焦距，摄影比例尺。摄影后，作摄影处理，获得所需的影像。外业工作：野外控制测量-对摄影测量处理中必须的野外控制点，首先进行控制网设计，然后野外刺点，并用GPS方法等地面测量方法测定控制点的空间坐标。,像片调绘：根据像片成像特点，对照实地，判明像片上的地貌、地物，和像片上未能反映出，而结果需要的资料，并标明在像片上。（DOM叠加DLG）内业工作：获取数字影像（扫描像片，数据格式转换）影像相关（匹配）摄影测量处理生产所需产品,3、分类：a、计算机辅助测图：（1）概念：利用解析测图仪或模拟测图仪与计算机相连的机助系统，进行数据采集、数据处理，形成数字高程模型，数字地图，输入相应的地形数据库（2）内容：将摄影像片放在解析测图仪上，进行内定向；人工识别，量测像片坐标；摄影测量处理（相对定向，绝对定向）得到地面点的空间坐标；地貌、地物编码，数据编辑，建立地图数据库（数字地图）；绘制所需比例尺的地形图,（3）计算机辅助测图系统的应用功能：-建立数据库：通过摄影测量进行数据采集；通过对现有地图的数字化进行数据采集；-人机对话式数据编辑；各种标准的图形数据输出；不同图形代码与比例尺的图形输出；把数据传送到其他数据库或信息系统；-摄影测量：坐标量测，空中三角测量；数字地面模型；近景摄影测量；遥感影像量测,b.全数字摄影测量：（1）概念：利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理，由计算机视觉代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何与物理信息的自动提取。（2）内容：获取数字影像；影像相关；摄影测量处理；数字产品：绘制等高线图、透视图、坡度图、断面图、景观图，制作各种专题图；通过一定的算法提供体积、空间距离、表面积，填挖方量等工程数据，完成各种工程运算；进行GIS数据采集，建立虚拟景观。提供人们所需的空间地理信息。,4D产品：数字线划图（DLGDigitalLineGraphic）：数字线划图是地形图上基础要素的矢量数据集，建立了各种要素间的空间关系和相关的属性信息。可全面描述地表信息，随机进行数据选取和显示，进行空间分析决策。数字高程模型(DEMDigitalElevationModel):在高斯投影平面上规则格网点的平面坐标（x，y）及其高程（z）的数据集数字正射影像（DOMDigitalOrthophotoMap）：根据像片的内、外方位元素和地面高程模型，对数字影像进行微分纠正得到其正射影像，再做影像使嵌，图廓裁切生成影像层数据与图廓公里格网及其地名注记数据复合而成。既具有地图几何精度又有影像特征。具有精度高、信息丰富、可视性强、直观真实。数字栅格图（DRGDigitalRasterGraphic）：是纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件。,城市DLG,Grid格式的DEM,TIN格式的DEM,晕染后的DEM,1:2000真彩色正射影图像,数字地图（DRG）,四全数字摄影测量的若干典型问题,1、辐射信息在全数字摄影测量中，目标点向量参数是4维的，即XP=（X，Y，Z，D）其中D为该点的辐射量（影像的密度或灰度值），D的集合D就构成数字影像。2、数据量数字影像中的每一个数据代表了被摄目标上一个“点”的辐射信息（灰度），这个点称为像元素（像素）。一个像素的灰度值常用八位二进制表示，在计算机中为1byte。一张像片的数据量由采样间隔决定。通常以50扫描，一张航片的数据量为21兆。,3、速度与精度匹配速度快，精度高。采用最小二乘法则进行整体匹配精度可达子像素级。4、影像匹配数字摄影测量重要研究课题。主要研究内容有：精度、可靠性、算法的适应性和速度。5、影像解译自动提取与识别,五、数字摄影测量的应用：,1、在国家基础测绘和建立空间数据基础设施（NSDI）中的应用美国1993年提出：信息高速公路，即建立国家信息基础设施（NationalInformationInfrastructure-NII），由计算机服务器、网络和计算机终端组成。美国1994年提出：国家空间数据基础设施（NationalSpatialDataInfrastructure-NSDI）,在信息高速公路上表达地理参考，即与地理和地球有关的空间信息，能在因特网上准确表达、描述、和查询。是NII的一部分，包括：空间数据协调、管理、分发的体系和机构，空间数据交换网，空间数据交换标准，数字地球空间数据框架。,数字地球空间数据框架是NSDI的核心，也是投资最大的项目，包含了最基本的空间数据集。框架的内容包括：DEM、DOM、DLG（道路、水系、境界、大地控制点、地名数据库等）、DRG，也称4D产品，是数字地球、数字城市、数字工程的基础数据。不仅可以为研究和观察地球，进行地理分析提供基本和公用数据集，也可以为用户提供地理坐标参考。数字摄影测量是数字地球空间数据框架数据采集和更新的直接、快速、有效的手段。1：1万地形图（1m分辨率）是重要资源，传统生产需1020年，再数字化，时间更长。3S技术及集成为这一作业模式提供了技术保证:RS提供必要的数据源，DPS是快速生产4D和更新空间数据的手段，GIS提供数据存储、管理和分析应用的技术手段，GPS提高数据采集进程。,2城市大比例尺测图。3与CAD集成（摄影测量与GPS、公路CAD集成，可使地面数据采集、资料获取、数据处理、公路设计与优化、成果输出，达到勘测设计信息共享，协同作业的一体化）。4虚拟现实：建筑设计，城市规划、管理，工程设计。5变化监测、地图修测6.在线路设计中的应用（航空摄影测量获得的地形图、断面图和数字高程模型是线路设计的主要资料，高分辨率的航空或遥感图象可直接或间接地提供大量的各种地物属性信息，提高地质现象和水文要素的解译