摄影测量

谁那里有关于摄影测量方面的讲义资料，能够提供吗？

测　绘　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　
摄影测量的回顾与展望
——阿克曼谈今日摄影测量
　　【摘　要】　本文简要回顾了摄影测量的发展进程并阐述了当前的状况, 着重于论述数字摄影测量
技术的发展情况以及遥感在数字摄影测量中的作用, 最后对摄影测量的未来发展进行了预测和展望。
　　一、摄影测量的回顾
1. 40 年前的摄影测量
50 年代早期, 摄影测量的状况与现在有着天壤之
别, 那时一无卫星, 二无遥感, 三无解析测图仪, 更谈不
上有数字的方法, 总的来说, 没有计算机。那时的摄影测
量就是要避免计算, 对于制图和影像输出来说, 都采用
模拟技术来实施。
自Jerie 意识到模拟计算机可用于平面区域网平差
和高程区域网平差开始, 便对摄影测量在理论和操作上
有了概念性的重大突破, 这导致了现代空中三角测量迅
速地采用了Jerie 考虑到空中三角测量附加数据的思
想。60 年代早期出现的第一批数字式计算机, 推动了摄
影测量的快速发展, 但尽管如此, 这一时期的摄影测量
还是没能跳出传统摄影测量的范围, 摄影测量这一学科
的封闭和狭窄又注定这种状况持续了15 年时间之久。
70 年代, 我们在斯图加特大学时开发了通用的三维
区域网平差。继独立模型法之后, 光束法区域网平差很
快发展起来, 其结果是编制了有名的PA T 程序。当时的
摄影测量仪器制造业没有参与软件的研制而只严格地
考虑硬件, 这种状况又持续了10 年。
2. 带GPS 支持的空中三角摄影测量
空中三角测量一直都在发展, 随着空中断面记录仪
器数据也加入到空中三角测量解算以后, 便通过附加参
数对结果进行了精化处理, 进行自动光束检测, 引入了
附加的限制条件, 最近还增加了由GPS 测定的相机摄站
坐标数据。同时, 还从理论和实验角度对精度进行了研
究。空中三角测量发展中的一些副效应也显示了其巨大
的影响。首先, 摄影测量区域网平差代表了地学与测量
领域中的第一大类数值平差的情况; 其次, 带有航带法
三角测量功能的一级摄影测量仪器很快地消失了, 而在
此之前他们却代表了摄影测量的最高水平, 并且令摄影
测量师和仪器制造商引以为自豪; 再则, 把航片空中三
角测量应用到近景摄影测量之中并在该领域开辟了一
个全新的概念模式与应用模式。
高性能的空中三角测量和区域网平差是如今的一
个标准而且成为现代摄影测量的基础。最近又把高精度
的GPS 相机坐标数据引入到区域网平差中, 对空中三角
测量作了进一步发展, 其结果是几乎可以不要地面控制
点了。现在考虑的是实现空中三角测量的全自动化处
理, 把空中三角测量推向一个10 年前无法想象的境界。
70 年代发展起来的正射影像和解析测图仪对现代
摄影测量的发展具有重要的作用, 后来又逐步有了机助
制图, 最终这些又导致了数字制图和计算机图形学的发
展。同时, 遥感逐渐形成。刚开始时, 遥感距摄影测量与
制图核心应用的要求有很大一段距离, 而且遥感图像处
理部分也没有生产出可以直接得到摄影测量青睐的产
品。为了揭开环绕着遥感与图像处理的那层迷雾, 大约
在80 年代左右, 有了数字摄影测量的发展。
3. 从80 年代延续至今的摄影测量
在80 年代, 一切较早期的发展还在继续与成熟。对
于我们, 在斯图加特, 是研究在摄影测量中利用数字图
像处理的10 年。我们从尝试影像相关(或称影像匹配)
开始, 发现了最小二乘匹配的方法, 其精度能达到0. 1
个像素尺寸甚至更高些, 也就是说比人工立体观测的精
度还高。这一特性引发了其在实际应用方面的发展, 也
是我们努力走向数字摄影测量的开端。
图像处理中的这些强调几何精度的第一步, 标志着
在数字方法的自动化和它们在摄影测量中的应用取得
了第一阶段的成功。首先, 我们通过数字图像处理生成
DTM 的MA TCH2T 程序, 其精度和经济效益都比早期
在解析测图仪上交互式量测所得到的精度和经济效益
要好。数字摄影测量最近的发展是全自动空中三角测
量, 包括通过数字图像处理实现自动转点和影像点自动
量测。因为影像匹配的精度很高, 所以自动空中三角测
量很明显比传统空中三角测量的精度要高, 而且由于所
需的人工干预少, 全自动方法具有很高的经济价值, 其
所需的硬件除了一台高速计算机工作站以外并不需要
其他昂贵的设备。
其次, 我们的另一项开发是对激光扫描仪进行了改
进的机载激光剖面扫描仪, 它能直接获取DTM , 特别是
森林地区的DTM , 因为激光束对树冠有一定的穿透能
力。通过GPS 差分定位所得结果引起人们的极大关注,
其点位高程精度能达到10 厘米级而且DTM 点分布密
集, 平均格网大小不会超过几米。这种激光扫描仪与精“多传感器方法”、“多数据处理”、“实时图像处理系统”
确的GPS 定位以及IN S 测高仪联合起来使用, 代表了
一个真正的多传感器系统, 这类系统将是未来摄影测量
发展的一个重要部分。
再则, 我个人参与的数字摄影测量的最后一个领域
是带有高分辨率线性CCD 阵列的MOM S 空间相机。
MOM S 的原理可以看作是空间摄影测量的一个突破。
它由多光谱传感器和摄影测量传感器联合组成, 是一种
名符其实的立体摄影测量仪, 地面像素分辨率可达到
4. 3 m 高的精度, 多光谱通道的分辨率可高达13. 2 m。目
前正对MOM S 相机在1993 年4 月和5 月期间搭载到
D2 航天飞机上飞行所得数据进行处理, 获得了理想的
结果。这使我们第一次达到了遥感与摄影测量相结合能
成为现实的水平, 而且能提供足够的几何精度和多光谱
信息, 这显然是今后进一步发展所必须的一步。
4. 一般趋势
除了测绘界的努力以外, 其他方面技术的发展也对
摄影测量的发展起了很大作用。如图形数据处理和交互
式图形工作站的整个领域。现在摄影测量中常用到图形
数据处理, 这导致了数据制图、高级排版技术以及各种
编辑工具的诞生。
与图形数据处理有关但又独立于它的是: GIS 的出
现。GIS 彻底改变了我们的规则, 它不仅考虑到了更为
复杂的地理数据的获取, 而且为子系统以及为图形表示
而对信息进行融合、集成、提取、选择与表示等处理。从
摄影测量的技术水平上来说, 数字摄影测量的方法与技
术已融为一体, 数字图像处理工作站已被作为硬件对
待。目标自动识别是今后发展的一个挑战, 如果我们仍
想在数字信息技术中占有一席之地, 必然要遇到这个问
题。
　　二、摄影测量的现状与展望
1. 现状
(1) 几个模糊的概念
很明显, 摄影测量目前的状况表示它与GIS 及遥感
的结合具有普遍性的趋势与发展, 现在每次座谈会上,
都有人说数字摄影测量正向着计算机科学发展, 其更深
层次的发展将由计算机视觉专家们通过引入图像理解、
人工智能、专家系统和语义模式来实现。那么, 摄影测量
能否保持其地位, 计算机科学是否会取而代之? 另一方
面, 现在有许多价格低廉的被广告称之为“傻瓜工具”的
遥感图像处理系统和摄影测量数字系统, 声称已达到任
何人都能处理其中每一项工作的自动化程度。另外像
等这类莫名其妙的话更进一步增加了人们的迷惑。难道
信息技术真的会代替了摄影测量? 我们很本能地倾向于
没法接受这种结果, 但是关于摄影测量今后将向何处发
展, 现在的确有些错误导向, 不过任何大的变革年代总
是这样的, 这种混乱已波及教育系统, 他们在怎样迎合
发展以及教会学生如何应付发展这个问题中遇到了很
大困难。
(2) 发展的三阶段
当然, 从看似杂乱无章的发展中也可以看到一些连
贯结构, 我认为, 在摄影测量当前的发展中可以找出三
个主要阶段, 这种发展阶段是动态的互相联系的。第一
阶段是: 由图像处理和自动化等新技术工具带来的性能
上的改善。第二阶段是: ① 方法与主题的扩展; ② 结构
的改变; ③ 传感器集成; ④ 大众化的摄影测量。第三阶
段是: ① 全面开放; ② 与其他学科融合; ③ 超越测绘信
息技术领域。
第一阶段: 来自技术发展的推动力。现在, 加速的技
术进步正不断开拓新的技术领域和新的应用领域, 特别
是数字技术将以越来越快的速度把常规发展推动到一
定高的程度。摄影测量中的上述所有发展几乎都发生在
第一阶段, 是由技术进步推动的。主要例子如新型传感
器; 新的计算机方法和软件; 图形数据处理; 数字图像处
理; 数字图像处理工作站以及图像处理功能的自动化。
在面向技术发展的第一阶段, 仍有许多问题有待解决。
仅以数据获取和数据处理为例, 我们就有传感器系统检
校, 中级图像处理过程的自动化, 数据库的数据结构, 近
景摄影测量应用中的数字相机, 像片扫描仪的测试与检
校以及像变形监测等方面的专门应用等问题需要解决。
现在, 有许多课题特别适合于ITC 人员和大学生来研
究。其中一类便是与图像数据获取和传感器定位有关的
问题。我们一定要记住, 摄影测量不仅仅是数据获取的
问题。数据自身并不是信息, 而只有通过一定的参考模
型才能成为信息, 数据必须涉及到对象和对象结构。过
去, 目标识别和建模的多数工作都由人工完成, 也没把
它当成什么问题, 但图像处理实现自动化以后, 目标的
结构和建模成了独立的任务块, 与数据的获取和处理密
切相关, 这样就把我们带到了发展的第二阶段, 第二阶
段是第一阶段的逻辑结果。
第二阶段: 摄影测量方法与主题的扩展。人们普遍
都有这种感受, 技术发展往往会超过其自身的范围, 由
于克服了初步困难, 其工具的潜力便成了推动力。扩展
性发展看起来好像是在自身压力下向前发展, 而与什么
思想一开始便占优势无关。技术好像受到内部强烈扩展
力的驱动而进入一个未知的空间, 在我们的领域中如空
中三角测量的发展便是一例。空中三角测量解算现在已
比当初预计的精度还高, 不仅达到了更好的性能而且还
产生了新的应用领域, 如地籍摄影测量、摄影大地测量
和近景三角摄影测量。随着GPS 相机定位系统的发展,
航空三角摄影测量已逐步变得独立了, 几乎可以不要地
面控制点。另一类似的例子是DTM , 以前仅用于生成等
高线, 而现在它本身就是一种产品, 其应用已不再仅限
于制图了。不管我们从哪个方面来看, 都能看到由于技
术进步和技术工具开发所带来的巨大变化, 这些变化不
仅仅考虑到方法的应用与性能, 而且还考虑到概念与目
标上的根本改变, 这些变化随着工具的威力与应用的增
长而增长。考虑到摄影测量的任务与结果, 我们现在的
理解和想法与二三十年前完全不一样了, 特别是背景条
件与参考完全不同了。M urphy 第二定律(即计算机中没
有的东西是不存在的东西) 与并不久以前的定律(即摄
影测量就是避免计算的问题) 相比较就能证明这个事
实。
我想将重点放在数字摄影测量的内部集成上。传感
器数据获取、定向与数据自动处理的直接技术问题正得
到解决, 数字技术起到越来越重要的作用。众所周知, 通
过把数字图像数据、激光扫描数据、GPS 数据和IN S 数
据联合起来使用的多传感器方法, 打破了摄影测量传统
的单传感器方法的局限。另外一个例子是将图像数据与
地籍数据、地形数据库和其他数据集成到GIS 的开发与
维护中。MOM S 已提到过了, 它由高精度、高分辨率的
立体影像数据与高分辨率的遥感数据联合组成。现在有第二个集成领域是与GIS 的集成。我们知道, 尽管
一个关于从数字影像数据中自动识别和提取建筑物的从测量这一方面到整个的土地信息系统(L IS) 都对GIS
全新问题以及用三维目标描述进行三维地形建模的全概念的形成有着最初的影响, 但GIS 概念的发展已超出
新概念, 这些都是传统的地形制图从未涉及过的问题。了摄影测量与一般测量的范围, GIS 已发展成了一个主
当然, 摄影测量中更具革命性的发展在技术上也会是可
行的。例如, 近景摄影测量领域中已有了数字相机的影
响, 使实时摄影测量能够成为现实。另一重大发展可能
在于挖掘图像激光扫描仪直接把图像的辐射数据和几
何数据联系起来的潜力, 如果成功, 则可能会把摄影测
量从光线相交推向极面几何, 可能会带来与经历过电子
速测仪的地面测量类似的结果。这类传感器与系统的发
展可能会完全地改变我们的职业活动和竞争领域, 也会
给应用带来巨大的改变。所有这些发展都与大众化摄影
测量与遥感的集成有关, 但技术的成就与性能的性质当
然会与我们当前较低的技术水平很不相同, 肯定会有很
不错的结果, 也需要特别的努力来迎接挑战。第二阶段
的发展将占用摄影测量师、其他科学家和专家的一些时
间, 但可以预测到, 其结果将会对当今的摄影测量和遥
感在技术、方法和性能上带来根本性的改变。
第三阶段: 开放的相互约束的关系。以上所考虑的
情况探索了新方法和技术工具的内在力怎样把发展驱
动到一个新的无法预知的性能水平和应用水平上, 但它
们仍停留在摄影测量学科范围内, 这是第二阶段的特
征。然而另外还有一种扩展的情况, 将得到更为革命性
的结果, 它着重于把摄影测量学科向相互约束的关系和
应用开放, 此处定义为第三阶段。摄影测量的新性能及
其扩展的应用都使得它受到测绘传统领域以外的人们
和应用的关注。由于与其他学科的交叉可能会有不同的
形式, 所以很难评估这类发展的价值。摄影测量的新性
能与其他学科相互作用的方式以及将来可能出现的应
用都不是我们所能控制的, 部分超出了我们的影响, 不
过还是能预测某些趋势。这类相互作用显然会发生在数
字图像处理和数字摄影测量领域。数字图像处理不仅仅
是现代摄影测量师的“游乐场”, 而且它还从计算机科学
和计算机视觉的发展中得到了发展, 使其反过来又成为
信息科学和信息技术的一部分, 专家们则谈论到机器人
视觉, 图像理解和语义模式, 还有专家系统和人工智能。
他们的理论概念当然要比我们摄影测量界的要超前得
多, 并且摄影测量需要的应用也吸引了计算机科学家。
另一方面, 摄影测量师有数据处理和数据质量评估与控
制方面的知识与经验, 这却是不太容易被别的科学家所
能取代的。因此, 各学科应该而且也会把他们的努力和
专长联合起来, 显然有这么一片合作与集成的领域。
要领域。我们以地形数据库和信息系统而成为GIS 的一
部分。但更一般地说, 我们是通过各种环境信息系统成
为GIS 的一部分, 而不能忘了用于地籍系统、市政管理
或公共事业信息系统的数据。只有在对整体级别的空间
地理信息系统进行组建、维护和交互操作时, 图像与遥
感数据的运用才开始起作用。
根据摄影测量中的一个基础主题, 作为紧急任务,
现正在组建混合型系统, 即把栅格数据(数字正射影像)
与矢量数据集成起来。另一个实际的研究主题便是考虑
数据结构, 特别是与时间有关的数据结构和建模以及变
形监测等。包括数据管理、数据分析、数据建模和数据可
视化在内都与GIS 的数据获取和数据结构有关, 其结果
便作用到多功能GIS 的更为一般的方面, 也作用于查询
结构和对次级数据和结构进行选择、提取、组合的建模。
摄影测量当然将是并且持续是GIS 的重要部分, 可能范
围还会更广些。我们摄影测量学科可能会走到信息管理
中去, 在信息管理中, 我们将接触到公众与政治领域, 在
这些方面, 是否职业的责任减少了, 而由管理者、商人和
政治家来负起责任呢? 但不管在什么情况下, 我们已触
及到环境管理的领域、自然资源、经济增长、生活水平以
及社会需求等方面的问题。以后将直接影响到全国制图
组织的未来发展, 使他们不能再以传统的方法操作, 而
应把他们的机构进行扩展和重新组建以便提供并监测
更完全范围的环境和地理信息, 他所能提供的服务应扩
展到超出经典大地测量、传统制图和地籍测量所涉及的
内容。
2. 对未来发展的预测
概括地说, 未来发展大致为以下趋势:
1. 目前的发展势头将继续下去, 因为这种发展是受
技术驱动的;
2. 在社会各层次上对管理的需求将极大地增加, 因
为传统的管理结构将不再满足需要;
3. 上述3 个阶段的技术发展仍将继续, 大众化的摄
影测量将在其中起重要作用。
比较细一点的问题是发展速度的问题。我们常说,
现在技术更新的半存留期为5 年, 甚至有时(如计算机
的发展) 为两三年。在第一阶段(技术) 发展水平上有许
多严重的后果, 尤其是技术教育; 第二、三阶段的发展一
样也将面临同样严重的问题。在第二阶段(考虑摄影测
量内部的特性) 将发生结构上的重大变革, 这将强烈影
响到职业的竞争; 第三阶段(与其他学科和政治影响相
互作用) 会产生许多别的问题, 最普遍的问题就是没有
一样东西能保持固定不变, 传统的参照框架将会解体,
尤其是我们不得不面对一大堆重大变革, 这就是:
1. 以后每件事对计算机的依赖性更强;
2. 我们的研究领域将有其新目标: 获取完整的环境
数据(取代了地形制图) ; 有完全的3D 建模并集成到
GIS 中;
3. 当数字自动化在测绘界盛行起来之后, 过去的竞
争领域和职业本体将受到威胁; 其他学科和组织结构将
在测绘中占有一席之地; 国家制图机构将彻底改变他们
的范围和结构;
4. 今后的技术和就业情况将更好, 比过去一切时候
都更吸引人, 最大的挑战就是去实现这种变革, 这些变
革是不依赖于任何伴随技术发展的结构或组织的变化
而变化的;
5. 集成过程最一般的后果将是没有一个职业团体
或组织能够独具竞争优势, 这种震动看起来是不可避免
的。
我认为, 所有这些结果从某种方式上来说都是自然
的, 是技术发展带来的结果。其实, 这类事在我们的社会
已开始好些时候了, 只不过到目前为止, 我们的职业还
没受到大的影响而已。而且, 我还可以预见在不久的将
来, 我们的领域内和领域以外将有场重大变革。摄影测
量将极大地扩展其应用范围, 而使其运作的实际结构和
名称无关。
原载《ITC Journal》1996 年第3～ 4 期
陈虹　宣柱香编译　张祖勋校

谢谢