[科普中国]-数字摄影测量

发展

数字摄影测量的发展起源于摄影测量自动化的实践，即利用相关技术，实现真正的自动化测图。摄影测量自动化是摄影测量工作者多年来所追求的理想。最早涉及摄影测量自动化的研究可追溯到1930年，但并未付诸实施。直到1950年，由美国工程兵研究发展实验室与Bausch and Lomb光学仪器公司合作研制了第一台自动化摄影测量测图仪。当时是将像片上灰度的变化转换成电信号，利用电子技术实现自动化。这种努力经过了许多年的发展历程，先后在光学投影型、机械型或解析型仪器上实施，例如B8-Stereomat、Topocart等。也有一些专门采用CRT扫描的自动摄影测量系统，如UNAMACE、GPM系统。与此同时，摄影测量工作者也试图将由影像灰度转换成的电信号再转变成数字信号（即数字影像），然后，由电子计算机来实现摄影测量的自动化过程。美国于20世纪60年代初，研制成功的DAMC系统就是属于这种全数字的自动化测图系统。它采用瑞士Wild公司生产的STK-1精密立体坐标仪进行影像数字化，然后用1台IBM7094型电子计算机实现摄影测量自动化。武汉测绘科技大学王之卓教授于1978年提出了发展全数字自动化测图系统的设想与方案，并于1985年完成了全数字自动化测图软件系统WUDAMS，也采用数字方式实现了摄影测量自动化。因此，数字摄影测量是摄影测量自动化的必然产物。

随着计算机技术及其应用的发展以及数字图像处理、模式识别、人工智能、专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展，数字摄影测量的内涵已远远超过了传统摄影测量的范围，现已被公认为摄影测量的第三个发展阶段。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的最大区别在于：它处理的原始信息不仅可以是像片，更主要的是数字影像（如SPOT影像）或数字化影像；它最终是以计算机视觉代替人眼的立体观测，因而它所使用的仪器最终将是通用计算机及其相应外部设备，特别是当代，工作站的发展为数字摄影测量的发展提供了广阔的前景；其产品是数字形式的，传统的产品只是该数字产品的模拟输出。2

定义对数字摄影测量的定义，在世界上主要有两种观点。

其一认为数字摄影测量是基于数字影像与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、模式识别等多种学科的理论与方法，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学科。这种定义在美国等国家称为软拷贝摄影测量（Soft Copy Photogrammetry）。中国著名摄影测量学者王之卓教授称之为全数字摄影测量（All Digital Photogrammetry或）。这种定义认为，在数字摄影测量中，不仅产品是数字的，而且中间数据的记录及处理的原始资料均是数字的，所处理的原始资料也是数字影像或数字化的影像。

其二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，从摄影测量与遥感所获取的数据中，采用数字摄影影像或数字化影像，在计算机中进行各种数值、图形和影像处理，以研究目标的几何和物理特性，从而获得各种形式的数字化产品，如数字地图、数字高程模型、数字正射影像、景观图等。3

组成一、计算机辅助测图

计算机辅助测图是利用解析测图仪或模拟光机型测图仪与计算机相连的机助（或机控）系统，进行数据采集、数据处理，形成数字高程模型DEM与数字地图，最后输入相应的数据库。根据需要也可利用数控绘图仪输出线划图，或利用数控正射投影仪输出正射影像图，或利用打印机打印各种表格。这种情况所处理的依然是传统的像片，且对影像的处理仍然需要人眼的立体量测，计算机则起进行数据的记录与辅助处理的作用，是一种半自动化的方式。计算机辅助测图是摄影测量从解析化向数字化的过渡阶段。

二、影像数字化测图

影像数字化测图是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（其核心是影像匹配与影像识别）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。此时不再需要传统的光机仪器的人工操作方式，而是自动化的方式。若处理的原始资料是光学影像（即像片），则需要利用影像数字化仪对其数字化。按对影像进行数字化的程度，又可分为混合数字摄影测量与全数字摄影测量。

(1)混合数字摄影测量

混合数字摄影测量通常是在解析测图仪上安装一对CCD数字相机，对要进行量测的局部影像进行数字化，由数字相关（匹配）获得点的空间坐标。Zeiss的解析测图仪C100附加一对CCD相机构成INDU SURF（industrial surface measurement）系统，可自动量测物体的表面。原Wild与Kern的解析测图仪也可以构成类似的系统。海拉瓦的DCCS（digital compaprator correlation system）也属于此种系统。

(2)全数字摄影测量

全数字摄影测量（也称软拷贝摄影测量）处理的是完整的数字影像，若原始资料是像片，则首先利用影像数字化仪对影像进行完全数字化。利用传感器直接获取的数字影像可直接进入计算机，或记录在磁带上，通过磁带机输入计算机。由于自动影像解释仍然处于研究阶段，因而全数字摄影测量主要是生成数字地面模型（DTM）与正射影像图。其主要内容包括：方位参数的解算、沿核线重采样、影像匹配、解算空间坐标、内插数字表面模型（如DTM）、自动绘制等值线、数字纠正产生正射影像及生成带等值线的正射影像图等。第一套全数字摄影测量系统是20世纪60年代在美国建立的DAMCS（digital automatic map cornpilation system）。20世纪90年代，随着计算机的飞速发展，许多全数字摄影测量系统已相继建立，如Helava的DPW（digital photogrammetry workstation）与中国武汉测绘科技大学的WUDAMS（Wuhan digital automatic mapping system）等。2

处理步骤数字摄影测量处理的过程一般包括如下6个步骤。

第1步：图像数字化转换

图像数字化转换的目的是将航空或航天的摄影类图像数字化为数字图像，并以二维像元灰度矩阵表示。

第2步：数字图像的定向

数字图像的定向包括整幅数字图像的内定向、相对定向和绝对定向，以确定相关参数。

内定向：确定扫描坐标系和像平面坐标系的关系。

相对定向：用图像匹配算法自动确定立体数字图像中的相对定向点的像坐标，用解析摄影测量相对定向解算相对方向参数。

绝对定向：用已知控制点的像坐标和内定向参数计算控制点在一幅数字图像中的坐标，用图像匹配算法自动确定它们在另一幅数字图像中的坐标。

第3步：数字图像处理

数字图像处理包括数字图像像元按扫描坐标系排列变换为按核线方向排列，且对图像进行增强和特征提取。

第4步：建立数字地面模型

建立数字地面模型包括沿核线的一维图像匹配、计算点的模型坐标、建立带图像灰度值的数字地面模型。

第5步：生成数字等高线

根据规则格网DEM，采用一定的插值算法生成数字等高线。具体过程是首先在DEM中按规定的等高线间隔跟踪等高线离散点，然后光滑加密形成数字等高线数据。

第6步：生成正射数字图像

正射数字图像：用数字正射投影（数字微分校正）技术将原数字图像校正为正射图像。如果将数字等高线与数字正射图像套合，即产生带等高线的正射数字图像。4