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计算机发展对摄影测量的影响

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2018-05-22

  1、摄影测量的回顾

  航空摄影测量是通过量测航空像片计算地面真实坐标。摄影测量工作者早就关注计算机在该领域中的应用,但是由于这种计算极为复杂,因此随着计算机的发展,计算机在摄影测量中的应用才逐步深入。


  摄影测量中的航片与地面关系公式是摄影测量中最基本公式,该公式为:

  x=-fa1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)
  y=-fa2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)
  式中a、b、c为方向余弦,与航向、旁向倾角和旋角有关,其关系式为:
  a1=cosφcosκ+sinφsinωsinκ
  b1=cosφsinκ-sinφsinωcosκ
  c1=sinφcosω
  a2=-cosωsinκ
  b2=cosωcosκ
  c2=sinω
  a3=-sinφcosκ+cosφsinωsinκ
  b3=-sinφsinκ-cosφsinωcosκ
  c3=cosφcosω
  f为摄影机焦距。
  x、y为像点坐标。
  Xs、Ys、Zs为摄站投影中心坐标。
  X、Y、Z为地面点坐标。


  摄影测量中的其它许多公式可由此公式推导而成,因此该公式是摄影测量的基础,从该公式中可清楚看到计算关系的复杂性。在此介绍该公式的目的是为了说明解算该公式的方法确定了摄影测量发展的三个阶段,即模拟、解析和全数字测图。在计算机水平发展还不高时,测图无法用计算机来实现,只能用机械模拟的办法,例如多倍仪和各种精密全能测图仪,还有为了降低造价,利用简化公式设计的模拟仪器。这些仪器由于精度要求极高,因此制造困难,价格昂贵。这些仪器在测绘事业中起到了一定的历史作用。在60-70年代,由于容量和计算速度的限制,计算机仅用于摄影测量的加密。到80年代,计算机的发展,使得解析测图仪问世,将计算机用于测图领域,把原来模拟仪器的机械交会求解改用计算机计算,从而简化了仪器结构,降低仪器造价。测图过程与模拟仪器相仿。到90年代,计算机有了飞跃发展,特别是1995年以后,其计算速度和存储容量有了明显提高,使数字摄影测量成为现实。


  2、计算机发展对摄影测量的影响

  随着计算机的不断发展,摄影测量中最困难的测图部分用计算机来解决,从而使摄影测量步入计算机处理的新时代,使得摄影测量产生了巨大的变化,该变化可从下列四个方面得到反映。


  (1)测量仪器的彻底改变

  传统摄影测量仪器主要分二大类,一类用于测量像片的坐标,用于加密,提供测图时控制点坐标。第二类是用于测图,通常为机械模拟方式。这些仪器由于精度高,制造比较困难,过去大部分从德国、瑞士进口,价格自然昂贵。而现在只要有高精度像片数字化仪和基于计算机的处理系统,便可实现航测生产的全过程。这些仪器与原来仪器相比,具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、效率高等特点。如果将来航空摄影采用数码像机,直接得到数字影像,到那时像片数字化仪都不要,利用基于计算机的一些处理系统便可实现地形图等测绘产品的生产。由此可看出,计算机的发展对航测仪器带来了彻底变革。


  (2)产品形式的改变

  由于计算机的发展,测绘生产的产品模式发生了根本变化,由过去的模拟表达方式改为全数字形式,即4D产品。在数字测绘产品生产中,首先应重视数据的格式,即制订数据生产标准。目前各国的标准不一致,因此在用数据前,必须先了解数据格式,否则无法应用。在数字测绘产品中,另一重要转变是产品的管理,在模拟图时代,利用仓库储存,用户亲自领取的方式。在数字时代,利用计算机管理。在管理上更为科学,使用更为方便。


  (3)生产工艺的改变

  由于处理方法和产品形式的改变,使得生产工艺流程也产生重大变化,朝着简单、高效方向发展。模拟产品生产中一个重要缺陷是绘图结果不能有效利用,从生产原图到出版须重复标描多次,而在数字产品生产中该问题就不存在。由此也导致航测与制图无明确分界。现在的生产工艺流程主要包括下列部分:航片数字化,把模拟图像变为数字影像;影像处理和信息提取,包括影像几何纠正及产品信息的提取与编辑;建立数据库,实现数据的有效管理和应用。


  (4)理论方法上的改变

  在过去,摄影测量主要着重模型的研究,目的是为了提高测量精度,而现在计算机的水平,对摄影测量计算而言,已根本解决,可以用最严密的公式计算,解算精度能得到完全保证。摄影测量几何模型已不再是研究的重点,而转向影像匹配与信息自动提取方面。影像匹配是数字摄影测量的核心,数字摄影测量的效能能否得到充分发挥在某种程度上取决于影像自动匹配的水平。影像匹配不仅在数字摄影测量中占有重要地位,同时也是计算机视觉目标自动识别的核心,为此影像匹配引起许多学者的关注。经过多年研究,结合计算机发展水平,影像匹配已从理论研究走向实际应用,这是摄影测量取得的重大进展。由于地面影像极其复杂,影像匹配尚不能做到完全成功,目前当匹配失败时尚需人工干预。在信息提取方面,已进行了大量研究,有些进展,但距实际应用尚有较大距离,这方面是今后应努力研究的方向。


  3、计算机的发展在测绘变革中的作用

  测绘技术由于现代科技的发展正在经历一场深刻的变革,从该变革中我们可清楚看到科学技术的发展对提高劳动生产率所起的作用。

  由于计算机的发展,使得测绘生产工具发生彻底变革,例如航测成图生产中所使用的全能测图仪将要进入历史博物馆,基于计算机的各种处理和管理系统登上历史舞台。由于生产工具的改进,使得传统的生产方式得到彻底的改变。

  由于测绘中引用了这些高科技,使得信息获取更为方便,生产速度加快,生产成本降低,劳动强度减轻。不仅如此,还为测绘产品的应用提供了广阔前景。由于测绘产品为数字形式,不仅使用方便,经过适当组合和处理,便可生成形式多样的产品或其它形式的副产品,例如,从DEM可以生成坡度图、坡向图、晕渲图,利用DEM和专题图可生成晕渲专题图。由于是数字形式,为综合分析提供了条件,为深层次的应用提供了可能。

  测绘技术虽然得到很大发展,但在发展进程中又面临着新的问题和困难,例如航天遥感的发展,可以大量获取各种信息,如何快速、高效处理这些数据,己摆在我们面前。目前计算机的水平,对于数值计算和文字处理己能满足,但是对于数字影像的信息提取和影像分析尚不能适应,期望新一代计算机的研制。我们相信,随着现代科技的发展,摄影测量将会提高到一个新的水平。


  4、摄影测量发展的新契机

  从20世纪初起,以纯精密、光机的模拟摄影测量仪器为特征的摄影测量一直持续了半个多世纪。在此期间,摄影测量的教学、极少量的科研,除所谓的变换光束理论研究以外,多数是围绕欧洲的几个著名厂商生产的模拟摄影测量仪器进行。到50年代末计算机开始进入摄影测量,摄影测量的研究领域得到了很大的扩展:如解析法空中三角测量、在线空中三角测量、区域网平差、粗差检测理论、正射纠正、数字测图等。90年代随着数字摄影测量时代的到来,相对于传统的模拟、解析摄影测量,其最大的特点是将计算机视觉、模式识别技术应用到摄影测量,实现了内定向、相对定向、空中三角测量、数字高程模型(DEM)生成等的(半)自动化。数字摄影测量不仅仅将传统摄影测量仪器各种功能全部应用计算机,以提高工效、降低对作业员的要求,而且正在不断地扩充摄影测量的功能。


  但是我们必须清醒地认识到:一些数字摄影测量工作站只是解析测图仪的替代品;目前的数字摄影测量工作站主要只适合于航空、航天摄影测量,而近景、地面摄影测量与它有很大差异,将数字摄影测量应用于近景摄影测量,摄影测量的理论必须进一步发展;即使是当前自动化程度较高的数字摄影测量工作站,摄影测量的主要研究还仅仅在“同名点”的影像匹配技术。因此,我们必须跳出传统摄影测量的束缚,必须从计算机的特点考虑数字摄影测量的理论发展,这正是数字摄影测量为其理论与实践的发展提出了崭新的契机,例如:灭点理论与应用、广义点理论与应用和多基线立体理论与应用。


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