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基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术

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2018-05-08

  二十世纪发展起来的摄影测量学,特别是航空摄影测量是我国传统测绘重要组成部分,在大地、航测和制图三大组成部分中,航测是测制地形图的最基本手段。由于高科技的发展,摄影测量正受到史无前例的影响,正在经历一场深刻的变革,本文主要介绍现代科技发展对摄影测量与遥感技术的影响,目前发展方向,以及发展中存在的问题。
  1.计算机发展对摄影测量的影响
  1.1摄影测量的回顾
  航空摄影测量是传统地形图测绘的基本手段,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[1]:
  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。

基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术1.jpg


  1.2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,公用数据可以上网,用户从网上直接下载数据。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。
  2.空间技术发展的影响
  2.1 航天遥感的发展
  2.1.1 航天遥感发展过程
  1972年美国开始发射陆地卫星Landsat,该系列共有7颗卫星组成,其中Landsat6发射失败,最后一颗Landsat7于1999年4月15 日发射,4月18日己传送回第一幅图像,证明发射已经成功。Landsat1~3的主要成像仪器为多光谱扫描仪(MSS),为4个波段,地面分辨率大约为70m,Landsat4,5的主要成像仪器为专题制图仪(TM),由7个波段,除波段6外,地面分辨率为30m, Landsat7除30m的多光谱图像外,增加了一个15m分辨率的全色波段。Landsat图像的地面复盖范围为185×185km2,由于光谱波段设计合理,价格合适,得到全球的广泛应用。
  1986年法国开始发射SPOT卫星,现在已发射4颗。SPOT的成像仪器为高分辨率可见光成像仪(HRV),HRV观测方法不是采用扫描镜,而是采用 CCD电子式扫描。可采用多光谱和全色二种模式,多光谱,有3个波段,地面分辨率为20m。全色的地面分辨率为10m。SPOT图像的地面覆盖范围为60 ×60km2。试验证明,多光谱图像的3个波段,其中波段1和波段2数据严重相关,对应用具有较大影响。其全色波段,由于分辨率较高,具有广泛应用价值,但是由于价格较贵,在应用中受到一定限制。SPOT4 成像仪器性能进一步改进,多光谱改为4个波段,并增加了地面扫描宽度为2200km2、地面分辨率为1150m的 SPOT Vegetation,用于植被调查。SPOT5多光谱分辨率将提高到10m,全色提高到5m。
  1996年印度发射了IRS-1C卫星,其多光谱地面分辨率有3个波段为23.5m,1个波段为70.5m,全色波段为5.8m。图像地面覆盖范围多光谱为141×141km2,全色为70×70km2。IRS-1C卫星还带有一个广角传感器(WFS),其图像地面复盖范围为770×770km2,地面分辨率为188m,用于植被变化的研究。
  雷达卫星也有发射,如欧空局的ERS1/2合成孔径雷达(SAR),地面分辨率约为30m, 图像地面覆盖宽度为102.5km2。加拿大的RADARSAT,地面分辨率为10~100m,图像地面覆盖范围为从100×100km2至500× 500km2。日本的JERS SAR,地面分辨率为18m, 图像地面覆盖范围为75×75km2。
  20多年来,航天遥感得到了较大发展,获得了大量卫星影像,并在许多领域已有成功的应用。
  2.1.2航天遥感的现代发展
  随着科学技术的发展,航天遥感不仅走向成熟,同时又提出了新的要求,其中有二个特点,其一是地面分辨率愈来愈高,美国在南斯拉夫所用军事侦察卫星地面分辨率为0.1m。在卫星发射计划中,许多国家或公司将要发射地面分辨率为1m的卫星。美国在“数字地球”计划中,分辨率为1×1m的全球影像是其中重要内容之一,这些高分辨率影像将来主要靠航天遥感来获得。
  其二是面向全球变化监测,我们赖以生存的地球由于人类活动的影响正在发生不断变化,许多自然现象及变化规律尚不清楚,为了进行研究,必须获得大气圈、水圈和生物圈的各种数据,须对地球表面的陆地、海洋及大气层进行全面监测,为此美国提出了地球观测系统(EOS)计划,卫星上传感器共有19种。这些传感器用几颗卫星发射,其中AM?1计划在1999年7月发射。下面介绍一些传感器的性能及用途[2]。

  *CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System 云及地球辐射能系统),通过短波和长波辐射两种方式对地球辐射进行测量。
  *LIS(Lightning Image Sensor 光亮成像传感器),将搜集地球上光亮的变化与分布信息。此传感器覆盖范围600×600km2,空间分辨率5km。
  *ASTER( Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer 高级星载热量发射及反射辐射计),提供高分辨率(15~90m)的地表及云的数据,供气候学、水文学、生态学及地质学进行研究。
  *MISR(Multi?angle Image SpectroRadiometer 多角度成像光谱辐射计),将获得全球各种反射光线的方向特性数据以及用于地表的地质特性和雾、云及生态研究的信息。扫描宽度为360km,空间分辨率为275m、550m及1100m,4个波段,9天覆盖全球。
  *MODIS(Moderate?Resolution Image Spectroradiometer 中等分辨率成像光谱辐射计),共36个波段,其中2个为250m,5个为500m,29个为1km,1至2天覆盖全球,将提供多种全球数据产品,包括1km分辨率的地表温度、海洋颜色、植被/地表覆盖等大量信息,可用来进行全球生态及物理变化的测量。
  *SAGEⅢ(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅲ 对流层云雾及气体实验室3号),用于对云雾、臭氧、二氧化氮、水蒸汽、温度、压力等的研究,空间分辨率为1~2km。
  *Ocean Color Instrument 海洋颜色仪,用于进行全球碳循环的研究。
  *SEAWINDS,对全球无冰的海洋上空的风进行连续、全天候测量,扫描幅宽为1800km,空间分辨率为50km。
  *ACRIM( Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor 空洞变化辐射计及辐照率监测器),用于监测太阳总辐照率的变化。
  *EOSP( Earth Observing Scanning Polerimeter 地球观测扫描极化仪),用于提供全球云及雾图像,包括12个多光谱波段,空间分辨率10km。
  *MIMR(Multi?frequency Image Microwave Radiometer 多频成像微波辐射计),用于获得水循环的重复参数,包括大气中水的含量,雨量,土壤湿度,冰雪覆盖及海面温度等,幅宽为1250km,空间分辨率为5.6km、14km、24km、45km及70km。
  *AIRS/AMSU/MHS(Atmospheric Infrared Sounder大气红外探测器/ Advanced Microwave Sounding Unit 高级微波探测单元/ Microwave Humidity Sounder 微波水份探测器),用于测量大气温度,提供大气的水蒸汽,云、海/陆地表面温度及大气湿度数据。幅宽1650km,空间分辨率AIRS水平为13.5km,垂直1km,AMSU为40km,MHS为13.5km。
  *TES(Tropspheric Emission Spectrometer 对流层散射光谱辐射计),用于对流层质量变化监测,包括对流层的组成、变化及对流层-平流层交换以及对气候和生态的影响。
  *HIRDLS(High Resolution Dynamics Limb Sounder 高分辨率动态探测器),利用红外辐射计对对流层上层、平流层及散逸层进行测量,包括温度、臭氧、水蒸汽等的含量。 *MLS(Microwave Limb Sounder 微波探测器),测量平流层下层温度及对流层上层的化学成分及研究火山对全球变化的影响。
  *GLAS(Geoscience Laser Altimeter System 地球科学激光测高系统),用于测量冰山地形的激光测高仪,同时用来测定云及大气特性。
  *Landsat?7也并入EOS计划,主要的仪器为ETM+(Enhanced Thematic Mapping Plus ) 增强型专题制图仪。
  雷达卫星也是以后发展的重要方向,信息获取不受气候影响的特点吸引着人们的普遍关注,雷达卫星的特有特性为应用开辟了广阔前景。我们在这方面研究尚不够,有待进一步加强。


基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术2.jpg


  2.1.3 航天遥感的影响
  为了应用需要,必须对航天遥感影像进行处理和分析,鉴于航天遥感影像具有数据量大、分析复杂等特点,因此对处理设备和方法提出了新的要求,对许多相关领域引起重要影响。例如存储设备,为了解决海量数据存储问题,美国 NASA和 EROS中心研制了专用存储设施,存放5000盘磁带,用机械手自动取带和存带。下面主要从数字图像处理和模式识别方面论述航天遥感的影响。
  (1)数字图像处理
  数字图像处理是一门新兴学科,自发展至今只有几十年的历史,除在遥感中应用外,主要用于空间探测、生物医学、人工智能及工业检测等领域[4]。该学科发展初期,由于计算机水平的限制,主要是学术上的理论研究,其理论基础的核心是 FOURIER变换。自卫星遥感发展后,由于实际应用的需要,使该学科有了长足发展,例如几何纠正,从几何纠正模型到影像取样理论都得到了发展和完善。在影像增强、信息融合等方法上有了重要发展,例如 KL变换,RGB与 IHS间的色度变换等。在边缘信息提取方面,尽管作了大量研究,与数字摄影测量一样,距实际应用尚有较远的距离。这是因为航空、航天影像的复杂性决定的,边缘不能唯一和阈值的确定问题始终限制着实际应用。目前最好发展一些半自动化方法,人工引导与自动提取相结合才能达到较好的效果。
  (2)模式识别目前卫星遥感的重要应用方向之一是利用影像来识别物体,这一领域是模式识别的重要组成部分。自卫星遥感发展以来,以统计为基础的自动分类方法得到了进一步完善和发展,例如,最大似然法的实用化算法,神经元网络在分类中的应用,在聚类分析中的ISO法,利用辅助数据提高分类精度的各种方法,都给模式识别的发展提供了新的活力。
  2.2航天遥感的特点
  2.2.1航天遥感目前的应用方向
  利用卫星遥感获取各种信息是目前最有效的方法。在实现数字地球的今天,卫星遥感更显示出它的重要性。数字地球可以看成是一个虚拟地球,把地球上的各种信息以数字形式表达,实现多分辨率、三维形式的地球的描述。要把整个地球上的信息数字化,进入计算机管理,其工作量极大,在开始阶段,可以从已成图的资料提取部分信息,但是从长远观点、从信息更新角度,卫星遥感是提供信息源的最有效手段和保证。
  根据我国国情,目前有二个方面的问题从中央到地方都极为关注,即环境变化监测和耕地保护,要想比较好的解决这些问题,要靠卫星遥感技术的发展。因为只有该技术才能快速提供有效的信息。
  2.2.2应用中应注意的问题
  目前卫星遥感的主要应用是根据卫星影像来解释人们所需要的信息,应该属于二维处理的范围,尽管利用某些卫星遥感图像可以进行高程测量,但目前尚不是主流。
  根据卫星影像来解释出各种所需信息,主要根据影像的灰度、颜色、纹理、结构、形状等许多信息来确定,目前大部分卫星遥感(SAR除外)根据光谱成像理论来获取信息,鉴于地物光谱受到周围环境、大气衰减等许多因素的影响,使得影像特征与地物间的关系极为复杂,同时由于分辨率的限制,有些地物难以区分,这对影像解释带来极大困难。特别在中国,小农经济的耕作模式,使得地块小,作物混乱,对解释更为困难。
  不论采用何种方法,卫星影像解释必须与外业调查相结合,否则很难保证解释质量。航空摄影测量主要测量地球表面的几何形态,其精度主要取决于影像质量与测量仪器,人为因素影响相对较小,在一定的条件下,质量较易控制。而在卫星影像解释中,人为因素影响较大,对作业员的素质要求更高。因此在产业结构的调整中,应重视作业员素质的培养。
  2.2.3计算机自动解释中存在的困难
  利用计算机来进行卫星影像自动解释是科技工作者的奋斗目标,经过几十年的研究,已获得一定进展,但是距自动解释的目标甚远。
  基于统计理论的分类方法已较完善和成熟,已在生产中得到广泛的应用,鉴于这种方法主要根据光谱特征,而光谱特征与地物的对应关系比较复杂,即异物同谱现象,因此分类精度受到一定限制。使得有部分人宁愿采用目视解释,而不用计算机分类的现象。当卫星影像分辨率较低时,基于统计理论的分类方法较有成效,随着分辨率的提高,统计分类方法将会失去其作用。
  要想提高计算机自动分类精度,要注意二个方面的问题,第一是二维特征的分析,目前基于统计的分类方法基本上利用点的特征,影像中的关系信息利用较少,而影像的二维特征分析首先要确定边界,而地物边界预先又无法确定,这是目前分类方法中存在的主要问题。为了解决这一困难,提出了并行处理的设想,当然这对计算机又提出了新的要求,要研制新一代计算机。在算法上也要作重要改变,要研究适合于平行处理的新算法。第二是多因素的智能分析,鉴于卫星影像解释要依赖很多因素,在自动解释时,最好把这些影响因素都考虑进去,这样才能保证正确的自动识别,这就是所谓的专家判读系统或影像理解要解决的内容。
  目前在以上方面都进行了一些研究,但仅仅是开始,离应用目标相距甚远,有待我们深入研究。
  3.现代科技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。
  由于空间技术的发展,使得信息获取手段得到根本改变,例如大地测量,过去通过测角、测高来获取基本信息,而现在通过GPS卫星来获取信息,过去利用航空摄影来获取地面信息,而现在可通过卫星来获取,并且是数字形式。由于信息获取手段的提高,为测绘的变革提供了重要保证。
  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,摄影测量与遥感技术将会提高到一个新的水平。


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