淺談人工智能對攝影測量與遙感技術(shù)發(fā)展的影響

張一飛

（中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199）

2018 年10 月31 日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局集體學(xué)習(xí)時強調(diào)，“人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量，加快發(fā)展新一代人工智能是事關(guān)我國能否抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機遇的戰(zhàn)略問題”。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及社會的不斷進步，人工智能（AI）從算法到應(yīng)用，新突破層出不窮，對多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響，也推動了多個領(lǐng)域的智能化發(fā)展，例如智能機器人、智能家用電器、智能汽車、智能物流篩選等[1]。測繪是人類感知地球、地形地物、開發(fā)地理信息資源的基礎(chǔ)技術(shù)，是國家推動 “數(shù)字化” 城市向“智能化” 城市發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性行業(yè)，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、AI 等新一代信息技術(shù)的影響和驅(qū)動下，信息化測繪時代逐步到來[2-3]。其中，攝影測量與遙感技術(shù)是構(gòu)建信息化測繪體系最為關(guān)鍵的測繪技術(shù)，是獲取地理信息資源的重要測繪手段，也是受AI 影響最大、關(guān)系最為密切的測繪領(lǐng)域[4]。在AI 的驅(qū)動下，攝影測量與遙感技術(shù)無論是在理論研究，還是在技術(shù)手段應(yīng)用上都獲得了更大發(fā)展機遇，同樣面臨相應(yīng)發(fā)展挑戰(zhàn)。

1 人工智能及其發(fā)展歷程

AI 是通過計算機程序呈現(xiàn)人類智慧的技術(shù)，是工業(yè)革命創(chuàng)新的產(chǎn)物，人類通過AI 實現(xiàn)了對機械設(shè)備注入推理、知識、感知、使用工具和操控等人類智慧，最具代表性的AI 產(chǎn)物是 “智能機器人”[1]。人工智能是研究使計算機仿真和模擬人的某些思維過程和智能行為 （如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等）的學(xué)科。在2017 年 《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》 （國發(fā)〔2017〕35 號）中明確提出，“人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣?、改變世界”，“是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)”，“成為經(jīng)濟發(fā)展的新引擎”。AI 的發(fā)展歷程可以分為4 個時期： 一是AI 芯片與底層平臺認(rèn)知智能、AI 虛擬助理的探索期； 二是工業(yè)機器人和計算機視覺出現(xiàn)的市場啟動期； 三是計算機視覺向語言計算、語言識別認(rèn)知的高速發(fā)展期； 四是未來發(fā)展的AI 的應(yīng)用成熟期。AI 的發(fā)展伴隨著人類對計算機科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)、語言學(xué)、數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域?qū)W科的認(rèn)識發(fā)展，依靠著大數(shù)據(jù)、云平臺、仿真模擬等科學(xué)技術(shù)的進步，是人類社會發(fā)展的結(jié)晶，也是改變?nèi)祟惿姝h(huán)境、工作環(huán)境、競爭環(huán)境的必然產(chǎn)物[2]。AI 被認(rèn)為是20 世紀(jì)70 年代世界三大尖端技術(shù)之一，也被認(rèn)為是21 世紀(jì)三大尖端技術(shù)之一。

2 人工智能對測繪行業(yè)的影響

AI 對經(jīng)濟發(fā)展與社會建設(shè)的影響日益突出，對各行各業(yè)帶來了巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，同時也為行業(yè)的發(fā)展提供了新一輪的機遇。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測繪行業(yè)也迎來了重大變革，智能化、信息化的測繪時代即將代替數(shù)字化測繪，成為測繪的新標(biāo)桿。對測繪行業(yè)的發(fā)展進行深入剖析可以看出，測繪行業(yè)的發(fā)展是測繪科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)的共同創(chuàng)新和進步，需要在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)背景下，依靠先進的測繪方法和技術(shù)以及新技術(shù)、新工藝、新的生產(chǎn)管理模式，共同完成測繪地球、生產(chǎn)與服務(wù)的所有任務(wù)。測繪行業(yè)的發(fā)展與多個應(yīng)用行業(yè)一樣，都是將社會發(fā)展的應(yīng)用需求作為行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力，例如智能城市對高精度實時定位技術(shù)的需求，現(xiàn)代化工程建設(shè)與人類活動等對測繪地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的海量需求。大數(shù)據(jù)、云計算、AI 等信息化技術(shù)在測繪技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，促進了測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提升了地理信息開發(fā)、數(shù)據(jù)處理、服務(wù)應(yīng)用的能力，改變了測繪技術(shù)的實施和應(yīng)用方法[2]。

以DPGrid，VirtuoZo 等為代表的全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)實現(xiàn)了航空影像的匹配、數(shù)據(jù)模型提取、正攝影像獲取、影像疊加、影像鑲嵌等工作的自動化進行，攝影測量與遙感影像的智能化解析和判譯；“全站型自動測量機器人” 實現(xiàn)了目標(biāo)的自動追蹤、自動角度測量和距離測量、自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)的實時性傳輸。這些都極大地提高了測繪技術(shù)的智能化和信息化水平，AI 代替了人工作業(yè)，消除了人工作業(yè)的外界因素干擾，提高了測繪作業(yè)效率和數(shù)據(jù)獲取精度[3-5]。以自主高精度導(dǎo)航系統(tǒng)、多種分辨率的攝影測量和遙感裝備、三維激光掃描系統(tǒng)、地理信息數(shù)據(jù)智能化獲取的測量裝置等，實現(xiàn)了航空航天、地上地下、水上水下等多層面測繪的遠程控制，地理信息的智能化測量和獲取，智能化地理信息篩選，海量數(shù)據(jù)的快速分析處理，智能化的生成、處理、應(yīng)用等綜合性圖紙服務(wù)，建立了擁有海量多源時空地理信息數(shù)據(jù)的地理信息數(shù)據(jù)庫[2，6-7]。而隨著AI 在測繪行業(yè)的不斷深入應(yīng)用，其對測繪科學(xué)的未來發(fā)展可以起到顛覆性的影響。

3 人工智能對攝影測量與遙感技術(shù)的深遠影響

攝影測量是通過飛行器搭載的攝影機對區(qū)域像片進行獲取，經(jīng)過解析空中三角測量 （也稱為空三加密）、幾何定向等對像片進行處理，從而獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系的一門測量學(xué)科[4]。遙感技術(shù)是通過衛(wèi)星等搭載的各類傳感器對遠距離目標(biāo)的紅外線、可見光等電磁波進行感知，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的探測和識別的技術(shù)。從宏觀的角度來說，攝影測量也是一種遙感技術(shù)，而遙感可以看成是攝影測量發(fā)展的產(chǎn)物之一。在1988 年國際攝影測量與遙感學(xué)會 （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ISPRS）會議上，參會學(xué)者對攝影測量與遙感進行了重新定義，即對非接觸傳感器系統(tǒng)獲得的影像及其數(shù)字表達進行記錄、量測和解譯，從而獲得自然物體和環(huán)境的可靠信息的一門工藝、科學(xué)和技術(shù)。攝影測量與遙感獲取地理信息數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于影像與地面的絕對定向、影像信息的識別和提取，而隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展以及人類活動和社會發(fā)展對地理信息數(shù)據(jù)需求的日益增多和多元化，攝影測量與遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢必然向更為智能、高效、多樣化的方向發(fā)展[4]。AI 本身的優(yōu)勢以及其對測繪科技發(fā)展的巨大影響，對攝影測量與遙感技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新改革具有深遠影響，而從攝影測量與遙感技術(shù)的理論及應(yīng)用來講，AI 和攝影測量與遙感技術(shù)之間存在密切的聯(lián)系。攝影測量與遙感技術(shù)和AI 中的計算機視覺與模式識別等技術(shù)無論是在理論方法，還是在技術(shù)手段上都有諸多相似之處，兩者都是利用攝影機和電腦代替人眼對目標(biāo)進行識別、跟蹤和分析的技術(shù)，只不過前者是利用影像進行感知，后者是利用人類思維模擬進行感知[8]。AI 對攝影測量與遙感技術(shù)發(fā)展的影響和驅(qū)動，可根據(jù)攝影測量與遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢重點進行如下分類。

1）AI 對定向信息獲取的影響。為了吻合影像與實際地物信息，將影像所表現(xiàn)的地理信息數(shù)據(jù)顯示在一定的參考坐標(biāo)框架中，需要在野外布設(shè)相應(yīng)的像控點，通過室內(nèi)計算機影像解譯，對影像進行校正和框架確定，這項工作是直接影響攝影測量與遙感技術(shù)地理信息數(shù)據(jù)獲取結(jié)果精度的重要因素。利用AI 技術(shù)研發(fā)的測量機器人、雷達技術(shù)、高分辨率傳感器設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等為像控點的布設(shè)提供了多類型的測量方法，最具代表性的是視覺同步定位與建圖 （Simultaneous Localization And Mapping，SLAM）技術(shù)在攝影測量與遙感技術(shù)中的應(yīng)用探討，它改變了傳統(tǒng)攝影測量方法，提供了一種實時定位、實時地圖構(gòu)建的攝影測量方法，即在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，通過計算機模擬和深度學(xué)習(xí)理論對自身未知進行估計，參照地圖進行自身定位，同時自動構(gòu)建新的地圖模式，實現(xiàn)攝影測量與遙感技術(shù)的自主定位和導(dǎo)航[6-8]。

2）AI 對信息提取和分析效率的影響?；跀z影測量與遙感技術(shù)獲取的影像，包含了海量地理信息數(shù)據(jù)，如何在海量數(shù)據(jù)中提取有效的信息數(shù)據(jù)以滿足用戶需求，是信息提取和分析面臨的最大難題。大數(shù)據(jù)、云計算、AI 等科學(xué)技術(shù)為海量地理信息數(shù)據(jù)的提取、分析和管理提供了一個優(yōu)越平臺。AI 具備的人類某些意識、思維和行為過程等，在大數(shù)據(jù)和云計算支撐下，通過一定的數(shù)學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，可以顯著提高地理信息數(shù)據(jù)的計算、識別、提取、判斷、解譯、分析等方面的能力和效率，并且能夠有效避免人為因素產(chǎn)生的誤差。此外，還可以通過深度學(xué)習(xí)從多種渠道獲取有效的文本、圖紙信息、圖表等多元化的地理信息數(shù)據(jù)，將其與攝影測量與遙感技術(shù)獲取的地理信息數(shù)據(jù)進行融合，進而極大地豐富地理信息數(shù)據(jù)源。充分利用AI 和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，與經(jīng)濟、社會、人文等多種數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建多源化、多數(shù)據(jù)類型、動態(tài)的地理信息數(shù)據(jù)庫，并且實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)庫信息的自動提取、自動解譯、自動數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等多方位、多層次的地理信息數(shù)據(jù)處理平臺，為我國社會發(fā)展和國防建設(shè)等多個領(lǐng)域提供智能化的地理信息服務(wù)。

4 結(jié)束語

隨著測繪科技的不斷發(fā)展，攝影測量與遙感技術(shù)將成為地理信息數(shù)據(jù)快速獲取的最主要方式。大數(shù)據(jù)、云計算、AI 等新一代信息技術(shù)的發(fā)展將對攝影測量與遙感技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生革命性影響，為海量地理信息數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析、管理、應(yīng)用等提供更為智能化、信息化、高效的測繪手段。隨著各種難題的逐步攻克，例如利用AI 實現(xiàn)遙感影像中地理信息數(shù)據(jù)的全自動、高精度、高效的目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)全智能化空中三角測量等攝影測量，AI 距離完全代替人工的目標(biāo)將會越來越近。