我國航空攝影測量發(fā)展現(xiàn)狀

申朝永 趙 靜

(貴州省第三測繪院，貴州貴陽 550004)

航空攝影測量為我們通過另一種方式看世界提供了不一樣的眼睛與視覺。因為直觀性，近二十年來利用航空攝影測量成果進行虛擬三維實景的模擬逐漸成為熱點，現(xiàn)在航空攝影測量已經(jīng)成為現(xiàn)代測繪及與之相關行業(yè)高效且不可或缺的一門技術手段，并且在不斷向更智能化、快捷高效的方向發(fā)展。為了更系統(tǒng)地了解我國現(xiàn)代航空攝影測量技術行業(yè)的發(fā)展狀況，了解現(xiàn)代航測技術應用領域、發(fā)展瓶頸及前景等相關信息，對我國航空攝影測量的現(xiàn)狀進行了較詳細地闡述。

1 航空攝影測量概念

根據(jù)美國攝影測量與遙感學會ARPRS(Amerisan Society of Photogrammetry and Romote Sensing)的定義，攝影測量為一門透過記錄、量測、判釋像片影像或輻射電磁波的形態(tài)或其他現(xiàn)象，以獲得物體及環(huán)境之可靠信息的藝術、科學及技術。由于相關軟硬件技術的進步，攝影測量已成為地圖編繪與地形圖制作最準確及行之有效的方法。

早期攝影測量主要應用于測制地形圖、編輯地圖；之后則應用于地面控制加密及運輸路線、管線設計規(guī)劃、都市更新計劃等。另外，在地質、土壤、森林、區(qū)域規(guī)劃等非工程方面亦有廣泛的應用。

航片按照用途分一般有兩種：一為量測攝影測量(Metric Photogrammetry)，主要包括像點的精密量測，求取像點間的距離、角度、面積、高程及物體形狀和大小等信息；一為判釋攝影測量(Interpretative Photogrammetry)，是利用像片上所提供的信息來了解土地利用、自然生態(tài)等情況。

2 現(xiàn)代航空攝影測量主要內(nèi)容

航空攝影測量是通過搭載精密攝影機的飛行器對地面進行像片拍攝，作業(yè)過程分為飛行航空攝影(外業(yè))及工作站影像處理(內(nèi)業(yè))兩大部分。

2.1 飛行航空攝影(外業(yè))

(1)像片控制點聯(lián)測

像片控制點一般是航攝前在地面上布設的標志點，也可選用像片上的明顯地物點(如道路交叉點等)，用普通測量方法測定其平面坐標和高程。

(2)像片調(diào)繪

是圖像判讀、調(diào)查和繪注等工作的總稱。在像片上通過判讀，用規(guī)定的地形圖符號繪注地物、地貌等要素，測繪沒有影像的和新增的重要地物，注記通過調(diào)查所得的地名等。通過像片調(diào)繪所得到的像片稱為調(diào)繪片。調(diào)繪工作可分為室內(nèi)、野外和兩者相結合的3種方法。

(3)航空攝影測量參數(shù)設計

如航帶、航高等的設計。

(4)航攝過程

空中攝影及導航等工作。

2.2 工作站影像處理(內(nèi)業(yè))

(1)測圖控制點的加密

整個流程又細分為創(chuàng)建工程、加入原始航空影像、生成影像金字塔、輸入航空影像拍攝的相關參數(shù)、點位量測及空中三角測量等。

(2)空三成果制作

主要是制作數(shù)字地形模型，制作正射影像及鑲嵌數(shù)字地形模型及正射影像。

2.3 航空攝影像片的質量控制

航空攝影像片的質量是外業(yè)主要考慮和控制的內(nèi)容，而高質量像片須具備幾個條件。大氣無云的天氣：拍攝區(qū)域被云層覆蓋的話，不僅被云層遮蓋的地面信息減少或消失，且在進行影像匹配時也會有不利的影響；航高要盡量低：航高越低，則在影像尺寸不變的情況下，影像的地面分辨率會越高。為了達到立體模型效果，航片拍攝的航向重疊度一般要求在60%以上。而考慮到空中攝影會因航線偏流、偏向、行高變化及地形起伏變化而引起航帶間的空隙，航攝的旁向重疊度最少要在15%以上。為了保證航片質量，應避免使用邊緣畸變較大的像片，旁向重疊度一般要設定為30%。若航向和旁向重疊度不夠的話，點位匹配出現(xiàn)錯誤的情形會大大增加，直接影響到內(nèi)業(yè)空中三角測量演算的正確性及準確性，也會大大增加后續(xù)正射影像和數(shù)字地形模型DEM生成的錯誤性。適當?shù)呐臄z時間：拍攝時間需考慮日照的角度與強度，日照角度過低，易造成陰影遮蔽使可用信息減少，甚至可能影響DEM生成的真實性，日照強度過強或偏弱，則會造成地表特征物的識別度降低，一天中最佳的拍攝時間應該是11：00～15：00之間。

2.4 影響航空攝影成果的因素

內(nèi)業(yè)處理過程是運用軟件程序對原始的航空影像進行處理，生產(chǎn)正射影像DOM及數(shù)字地形模型DEM的過程。對原始航空影像的處理過程也是空中三角測量過程，指的是通過像點坐標來決定該點空間坐標的作業(yè)程序。為了建立可供量測的立體模型，模型中須有平面及高程控制點，借由這些控制點來完成模型在空間上的絕對定位，進而求得拍攝區(qū)域任意點的真實地面坐標。經(jīng)過空中三角測量后，可以確定相機、影像和地面間的數(shù)學關系(即準確的內(nèi)外方位元素)，地面匹配連接點的地面三維坐標；由地面控制點的誤差值可了解定位的精度及誤差。

在整個空中三角測量過程中不得不說的一個概念是影像匹配技術，它是攝影測量邁入自動化的第一步，主要是通過一定的方法對兩幅或多幅影像的內(nèi)容，特征，結構，關系，紋理及灰度等的對應關系、相似性和一致性進行分析，尋求相同影像目標和識別同名點的過程。根據(jù)匹配原理及方法的不同，大致有三種分類，即區(qū)域匹配(Area-based Matching)、特征匹配(Feature-based Matching)、關聯(lián)式匹配(Relation-based Matching)。

而影響空中三角測量精度的因素有以下幾項。

(1)控制點精度。控制點的精度直接影響到匹配點的精度及正確性，而經(jīng)驗表明此過程應注意：控制點盡量選擇在地面上，如道路交叉口、操場轉角、湖泊和田埂等較尖銳的特征點，避免選擇具有高程的地表特征物，如屋角、樹頂，因其高程所引起的視差會影響控制點的精確度。而每張影像至少需要3個控制點，具體數(shù)量根據(jù)影像的質量、大小及形狀特征適當增加。理論上來說，控制點越多，匹配的影像應該越準確，但控制點本身的精度要高。

(2)外在條件。包括相機類型、區(qū)域形狀及大小、像片航向及旁向重疊度、比例尺大小、航高、控制點及匹配連接點的數(shù)量、輔助資料的使用。

(3)系統(tǒng)誤差。鏡頭畸變差、折光率、地球曲率、底片變形等。

(4)人為誤差即對點位的識別力。

3 我國航空攝影測量現(xiàn)狀

3.1 應用需求分析

隨著航空攝影測量技術的更新與進步，生產(chǎn)作業(yè)時間大大縮短，其成果的應用也逐漸廣泛，不僅在資源普查、災害調(diào)查與分析、現(xiàn)代城市管理過程中發(fā)揮著非常重要的作用，也使得以往只能通過經(jīng)驗判斷和估計的工程及研究有了量化的可能性。對于傳統(tǒng)的航測過程來說，航空攝影測量技術的更新與進步也大大減少了航測外業(yè)的工作量，提高了航測成圖的效率。根據(jù)應用分類，其需求領域主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)現(xiàn)代數(shù)字測繪的發(fā)展趨勢及基礎空間數(shù)據(jù)的全覆蓋和現(xiàn)勢性需求

社會經(jīng)濟快速發(fā)展，社會公共服務和廣大電子產(chǎn)品市場需要及時更新和齊全的基礎空間信息數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)基礎空間信息數(shù)據(jù)的測量以及更新主要是以野外的人工測制進行，這種方式獲取的數(shù)據(jù)形式較單一，大面積數(shù)據(jù)更新速度慢，費用高，已經(jīng)不能完全滿足土地管理、城市規(guī)劃、城市管理與建設等的需要?；诤綌z的數(shù)字測繪成果種類豐富，大面積更新速度快，野外工作量小，能夠滿足大范圍、全覆蓋、現(xiàn)勢性要求強的基礎空間信息數(shù)據(jù)需求。以航空攝影測量這種適應現(xiàn)代數(shù)字測繪發(fā)展趨勢的測繪方式，定期對基礎空間數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫進行更新是社會發(fā)展的迫切需求。

(2)豐富地理信息資源的需求

航空攝影測量可以提供多種尺度分辨率、多時態(tài)、局部或者大面積地域范圍的4D信息產(chǎn)品，涵蓋了DOM(數(shù)字正射影像)、DEM(數(shù)字高程模型)、DLG(數(shù)字線劃地圖)和DTM(數(shù)字地形模型)成果。豐富的地理信息資源，以及二維、三維數(shù)據(jù)表達相結合，不僅能夠更加生動的表達測區(qū)的現(xiàn)實狀況，也方便用戶更直觀的了解理解測區(qū)的具體情況，甚至可以模擬電力、交通、管道等多項工程的效果和成果狀態(tài)，為智能化科學化的工程決策提供支撐和基礎保障。此外，豐富的地理信息資源更是多樣化地理信息市場應用的基礎，能夠直接促進地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

(3)政策科學制定及有效決策的需求

客觀、現(xiàn)勢的地理信息，能全面反映土地、礦產(chǎn)、水利、旅游、文化、教育、人口等資源狀況以及基礎設施情況。航空攝影測量是獲取測繪地理信息數(shù)據(jù)的主要來源，政府和企業(yè)需要在廣泛掌握攝影成果基礎上結合專業(yè)信息進行分析、判斷，才能夠制定科學的開發(fā)政策和合理配置資源，準確地把經(jīng)濟建設、資源開發(fā)、土地管理、生態(tài)建設、環(huán)境保護、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整有機結合起來，進行有效決策。因此，航測是輔助和保障政策的科學制定和有效決策的重要方式。

(4)動態(tài)監(jiān)管的需求

不論是開展農(nóng)林業(yè)的退耕還林進展和效果調(diào)查，還是土地利用和礦山開采的執(zhí)法監(jiān)測；不論是開展地理國情監(jiān)測，還是城市動態(tài)擴張、城市化進程、發(fā)展趨勢預測，都要求航空攝影測量對大面積區(qū)域范圍影像的實時更新，以準確掌握市情市力，形成反映各類資源、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測信息，推進政府工作和政府建設。

(5)資源環(huán)境調(diào)查、地災預防及公共應急救急測繪保障服務的需求

自然資源是區(qū)域發(fā)展的基礎，對資源的動態(tài)監(jiān)測和安全狀況評估可以為區(qū)域政策實施結果評價及發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃調(diào)整提供依據(jù)。國土資源、礦產(chǎn)資源、林業(yè)資源、水資源調(diào)查及環(huán)境保護等都需要全覆蓋現(xiàn)勢性強的航攝成果數(shù)據(jù)。

充分利用高分辨率航空遙感數(shù)據(jù)，發(fā)揮遙感影像處理技術優(yōu)勢，針對土地利用、耕地與森林保護、水資源、道路交通等重要地理信息，實施定期監(jiān)測與統(tǒng)計分析，不僅能夠定期充分了解一個地區(qū)的地理環(huán)境狀態(tài)，更可以分析其發(fā)展趨勢，對可能發(fā)生的災害及規(guī)模進行預防與估計，減少地災發(fā)生時的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。當發(fā)生滑坡，泥石流等緊急災情時，航空攝影測量資料將是第一手實時反映災區(qū)狀況的數(shù)據(jù)，為政府及有關部門的搶災救災決策提供技術支持和決策依據(jù)。

(6)各項規(guī)劃設計的需求

要提高城市經(jīng)濟整體發(fā)展水平和現(xiàn)代化程度，必須提升城市科學規(guī)劃水平，加快城市基礎設施建設，優(yōu)化城市資源配置，構建科學合理的城市空間布局。航攝成果所反映的地形、地貌、交通、水系、資源分布等基礎地理信息是規(guī)劃城鎮(zhèn)的功能和空間布局十分重要的基礎和依據(jù)，通過整合航攝成果信息和社會經(jīng)濟及其他信息，可為城鎮(zhèn)的規(guī)劃、設計、施工和管理提供廣泛的信息支持。其中，水利設施的規(guī)劃需要地形、地貌資料的支持，鐵路、公路、水電、石油線路選線及規(guī)劃需要以基礎地理信息作為基礎進行設計，機場建設、重點工程建設的前期可行性研究需要現(xiàn)勢性好、準確度高的地理信息作為支撐，流域環(huán)境治理，山塘、水庫清淤等也需要提供地形數(shù)據(jù)及航攝影像數(shù)據(jù)，對其實施動態(tài)監(jiān)控和管理。

3.2 存在的主要問題

(1)成果的廣泛性和現(xiàn)勢性不能滿足使用需求

盡管國家對一部分重點城市進行了航空遙感影像的廣覆蓋，各省市根據(jù)自身情況也進行了相應的補充和擴充，較發(fā)達地區(qū)的航空影像覆蓋能夠基本滿足基礎地理信息的需求及更新，但是欠發(fā)達地區(qū)不論從覆蓋度還是影像精度上都不能完全滿足當?shù)鼗A地理空間數(shù)據(jù)對影像的需求。以貴陽市為例，現(xiàn)有的航空影像數(shù)據(jù)不能滿足當?shù)赝恋毓芾怼⒊鞘幸?guī)劃、城市管理與建設的需要，尤其缺少大比例尺的市域范圍全覆蓋航空影像；且現(xiàn)有基礎數(shù)據(jù)生產(chǎn)時間嚴重滯后，成果的現(xiàn)勢性不能完全保障社會經(jīng)濟的發(fā)展及公眾多樣化應用的使用需求。

(2)管理薄弱，更新機制不完善，數(shù)據(jù)利用率低

近年我國的航空攝影測量在各行業(yè)的應用發(fā)展迅猛，而相對應的航攝技術規(guī)范、管理辦法、成果質量檢查、過程監(jiān)督、成果共享，還包括長期有效的數(shù)據(jù)更新機制等方面都尚缺乏統(tǒng)一的標準和完善的機制，加之某些部門對航攝的應用和作用認識不夠全面，導致航攝效率和成果的利用率較低。缺乏長效的更新機制，不能保障航攝的相關投入和數(shù)據(jù)的定期更新，也使得航攝成果數(shù)據(jù)的連續(xù)性降低，導致很多依靠某個時間段的部門分析決策無法進行，降低了航攝的意義，阻礙了航攝的發(fā)展。

(3)航空攝影測量的智能化程度有待進一步提升

相對于傳統(tǒng)攝影測量來說，航空攝影測量的發(fā)展基本上把人力從作業(yè)中解放了出來，大大縮短了成圖時間和提升了成圖效率，野外作業(yè)的減少也改善了從業(yè)人員的工作環(huán)境。但是現(xiàn)代流程化的航空攝影測量作業(yè)程序因為很多關鍵技術尚未攻關及完善，在實際的操作中還不能完全實現(xiàn)全智能化，內(nèi)業(yè)作業(yè)的工作量還比較大也較龐雜。主要體現(xiàn)在：航空影像的矢量化過程需要較大的人工干預，尚無法進行精度高且準確的自動化成圖；部分數(shù)據(jù)必須在人工的判斷下編繪完成；各種攝影測量及編繪軟件之間的轉換使用存在較大的不一致，致使轉換過程中的部分信息丟失、錯亂，增加了作業(yè)人員工作量。

3.3 發(fā)展趨勢

(1)航攝的發(fā)展必將促進我國基礎地理信息數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化及更新

隨著數(shù)字時代的到來，數(shù)字化的基礎地理信息的應用深入到社會經(jīng)濟生活領域的各個方面，航空攝影測量生產(chǎn)的基礎測繪數(shù)據(jù)因其效率及成本相對較低，將成為基礎地理信息數(shù)據(jù)庫更新和擴充的重要手段和方式，完善地理基礎信息數(shù)據(jù)庫，包括：地理實體數(shù)據(jù)、地圖線劃數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和三維虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)等，以滿足公眾生活、城市規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、道路選線及設計、電力選線及設計、水利建設、生態(tài)保護及環(huán)境保護等對數(shù)據(jù)多樣性的需求。

(2)航攝的發(fā)展是“數(shù)字城市”建設與發(fā)展的重要保障

“數(shù)字城市”地理空間框架建設是利用計算機技術、地理信息技術、全球定位系統(tǒng)、遙感技術等多種高新技術手段，建立多尺度、多分辨率、多種類的城市地理空間信息數(shù)據(jù)庫，形成統(tǒng)一的、權威的，擴展性好、集成性強的開放式城市地理空間信息公共平臺，實現(xiàn)地理空間信息的統(tǒng)一存儲與資源共享，促進城市地理信息資源的整合利用。航攝不僅能夠為數(shù)字城市建設提供現(xiàn)勢性強的高分辨率航空影像，且能在此基礎上生產(chǎn)數(shù)字城市建設必須的DLG數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)及基于影像和DEM數(shù)據(jù)的三維地形數(shù)據(jù)，以滿足數(shù)字城市建設的數(shù)據(jù)集合、地圖瀏覽、查詢、其他相關測量與計算的需求。

(3)地理國情監(jiān)測的推進將進一步促進航攝的應用

地理國情監(jiān)測關鍵技術的突破和應用示范是國家《測繪地理信息科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的一項重大科技任務。航空攝影測量作為現(xiàn)代測繪和信息技術的重要支撐力量，在全面獲取地形地貌變化、交通路網(wǎng)發(fā)展、地表覆蓋演變、城市擴張、水系變遷等地理要素變化信息時能夠發(fā)揮關鍵性的作用，為建設地理國情監(jiān)測系統(tǒng)提供保障。此外，綜合分析航攝成果，定期對各類地理國情信息進行統(tǒng)計分析，能逐步揭示地理國情信息的分布特征、內(nèi)在聯(lián)系及發(fā)展演化規(guī)律，揭示經(jīng)濟社會發(fā)展和自然資源環(huán)境在地理空間上的變化和演進趨勢。

(4)航攝技術走向智能化、集成化、快速化

計算機技術的快速更新，各種軟件、硬件的更新發(fā)展必將推進航攝技術由現(xiàn)在的在人工干預下完成向全自動化流程化智能化發(fā)展，而這種發(fā)展趨勢又將帶動航攝技術向其他需要航攝產(chǎn)品卻因現(xiàn)在人工干預下無法快速完成處理獲得的相關領域應用得到擴展，其數(shù)據(jù)和產(chǎn)品與其他領域產(chǎn)品的結合與集成也將更廣泛。

5 結束語

綜上所述，航空攝影測量技術在現(xiàn)階段及之前的應用雖然成績斐然，但是其技術應用主要還穩(wěn)定和局限于基礎數(shù)據(jù)的供給上，在現(xiàn)代快速發(fā)展的其他數(shù)字領域的應用尚未有較好的開發(fā)，主要原因還是其技術本身在效率及產(chǎn)品的豐富化多樣化方面還需進一步挖掘與分析。為此，航空攝影不論是在本身的產(chǎn)品生產(chǎn)過程領域技術的提升還是在其應用分析領域的挖掘與擴展都還任重道遠，當然，這也正是航空攝影發(fā)展的大機遇。

[1] 孫永旺.無人機航空攝影測量技術在核電廠址測量中的應用[J].城市建設理論研究，2011(1)