淺談攝影測量技術(shù)的發(fā)展歷程及未來趨勢

張彥會(huì)

（中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199）

攝影測量技術(shù)是借助航空飛行器和輔助測量設(shè)備對被測目標(biāo)進(jìn)行攝影獲取被測目標(biāo)的影像數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)處理軟件和平臺(tái)對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取被測目標(biāo)形狀、大小、空間位置、紋理信息等地理信息屬性的一種測繪技術(shù)[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國測繪技術(shù)也在不斷進(jìn)步，尤其是攝影測量技術(shù)的應(yīng)用與革新發(fā)展，在實(shí)際測繪地理信息行業(yè)中展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢，成為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和現(xiàn)代數(shù)字化、智能化城市建設(shè)的最主要測繪手段[1-2]。然而，隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、數(shù)字化城市向智能化城市發(fā)展，以及智能化測繪體系構(gòu)建對攝影測量技術(shù)提出了更高的應(yīng)用和發(fā)展要求，即技術(shù)手段的智能化、地理信息數(shù)據(jù)的高效率和高質(zhì)量、地理信息數(shù)據(jù)的多樣性等[3]。攝影測量技術(shù)如何在現(xiàn)代化科技引領(lǐng)下，在智能化測繪體系構(gòu)建契機(jī)下，在技術(shù)裝備、智能化領(lǐng)域、測繪技術(shù)方法、地理信息數(shù)據(jù)獲取和資源共享等方面逐漸進(jìn)行革新和發(fā)展，成為攝影測量技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展亟待解決的問題。

1 攝影測量技術(shù)的發(fā)展歷程

20 世紀(jì)初，北洋大學(xué)利用攝影經(jīng)緯儀進(jìn)行建筑攝影測量試驗(yàn)，1931 年浙江省水利局首次開展航空攝影，至現(xiàn)在無人機(jī)航測、高精度遙感技術(shù)的應(yīng)用，我國航空攝影測量技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。至20 世紀(jì)中期，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，攝影測量技術(shù)也迎來了快速發(fā)展和技術(shù)提升轉(zhuǎn)變的契機(jī)。而進(jìn)入20 世紀(jì)末期，基于全數(shù)字自動(dòng)測圖軟件的生成和應(yīng)用，攝影測量逐步進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量階段，而隨著先進(jìn)科技、計(jì)算機(jī)科學(xué)與攝影測量的不斷交叉，數(shù)字?jǐn)z影測量在信息提取、影像識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、資源共享等方面均得到了質(zhì)的飛躍，已然成為測繪地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)方法。

根據(jù)攝影測量技術(shù)手段的不同，攝影測量技術(shù)經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量3 個(gè)階段。模擬攝影測量是利用光學(xué)或機(jī)械方法模擬攝影過程，即根據(jù)攝影位置、姿態(tài)和相互關(guān)系構(gòu)建幾何模型，基于此對被測對象進(jìn)行量測；解析攝影測量是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對攝影測量復(fù)雜的幾何模型構(gòu)建進(jìn)行解算和數(shù)值計(jì)算；數(shù)字?jǐn)z影測量是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，根據(jù)攝影測量和遙感獲取數(shù)據(jù)中的采集數(shù)字化影像信息，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對采集的信息進(jìn)行處理、分析，進(jìn)而對被測對象的幾何、紋理特性等屬性進(jìn)行解析，從而獲取數(shù)字產(chǎn)品以及實(shí)現(xiàn)被測對象的可視化呈現(xiàn)等。

對于攝影測量技術(shù)來說，攝影測量技術(shù)設(shè)備的科技提升也是攝影測量技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測繪地理信息多領(lǐng)域的關(guān)鍵，尤其是遙感技術(shù)、無人機(jī)攝影測量技術(shù)的發(fā)展。遙感技術(shù)可以成為廣義的攝影測量技術(shù)，是基于搭載在衛(wèi)星、飛機(jī)或者其他飛行器上的遙感器收集地物目標(biāo)的電磁輻射信息，從而對目標(biāo)進(jìn)行探測和識(shí)別的技術(shù)。無人機(jī)攝影測量技術(shù)是目前常規(guī)測繪地理信息領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的測繪技術(shù)，結(jié)合了無線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制飛行等系統(tǒng)及全自動(dòng)化攝影測量、GPS 自動(dòng)定位等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航測遙感數(shù)據(jù)的快速獲取與同步處理，靈活性高，效率和精度較常規(guī)攝影測量都有很大提升，作業(yè)成本也極大降低，適用領(lǐng)域和地域較多，數(shù)據(jù)生成和地理信息獲取的時(shí)間周期短[4]。尤其是無人機(jī)傾斜攝影測量的出現(xiàn)，一臺(tái)無人機(jī)上搭載多臺(tái)傳感器，可以從不同角度對被測對象進(jìn)行影像信息采集，配合定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS） 高精度定位技術(shù)，可以獲取被測對象任何位置的地理信息三維數(shù)據(jù)，可以對影像任何位置進(jìn)行三維量測，獲取高精度的三維地理信息數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟件自動(dòng)生成三維地理信息模型，廣泛應(yīng)用于城市地圖構(gòu)建、土石方量計(jì)算、地質(zhì)環(huán)境勘探、三維可視化管理平臺(tái)建設(shè)等多方面，極大拓寬了測繪地理信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[5]。

2 當(dāng)前攝影測量技術(shù)存在的問題

攝影測量技術(shù)是基于影像對被測目標(biāo)進(jìn)行解譯分析，從而獲取相關(guān)屬性信息的測繪技術(shù)，雖然現(xiàn)有攝影測量技術(shù)已經(jīng)成為測繪地理信息領(lǐng)域的主要技術(shù)方法，但因數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智能化水平、設(shè)備設(shè)施等的不足，仍舊存在一定問題。

1） 免像控問題。共線方程是攝影測量技術(shù)最為關(guān)鍵的數(shù)學(xué)模型，如何構(gòu)建被測目標(biāo)和相機(jī)之間在規(guī)定坐標(biāo)系統(tǒng)中的共線方程、如何構(gòu)建幾何計(jì)算機(jī)的投影方程是攝影測量技術(shù)的關(guān)鍵，這就需要將像控點(diǎn)作為計(jì)算橋梁。雖然免像控技術(shù)作為近年來新出現(xiàn)的一種測量作業(yè)模式，在攝影測量技術(shù)中可以整體提高作業(yè)效率，但在實(shí)際應(yīng)用中，免像控?cái)z影測量技術(shù)無法達(dá)到地籍或地形測量的精度標(biāo)準(zhǔn)。

2） 平臺(tái)、載體、軟件集成度低。攝影測量設(shè)備可以分為相機(jī)、搭載平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理軟件等，雖然目前市場上攝影測量產(chǎn)業(yè)鏈較為飽和，但攝影測量整體產(chǎn)業(yè)的集成度較低，往往一套攝影測量設(shè)備中，相機(jī)、飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理軟件等都有可能出自不同的廠商，導(dǎo)致系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率、客戶體驗(yàn)等不高，且在數(shù)據(jù)處理過程中可能存在因集成問題而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)混亂、影像信息獲取不準(zhǔn)確且效率較低等現(xiàn)象。

3） 信息的提取和數(shù)據(jù)的處理不夠精確。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)顛覆了以往正射投影攝影測量技術(shù)只能從垂直角度拍攝的局限，可以對被測目標(biāo)進(jìn)行多角度的影像采集，不僅能夠真實(shí)反映被測目標(biāo)的情況，高精度的獲取紋理信息還可以通過定位、融合、建模等技術(shù)，生成較為真實(shí)的三維模型。但生成的三維模型是以平面投影為基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)孛媸莻€(gè)坡面時(shí)，模型相對真實(shí)目標(biāo)就會(huì)發(fā)生變形，從而無法對目標(biāo)進(jìn)行有效測量。

4） 攝影測量技術(shù)應(yīng)用場景單一，無法兼顧。目前，最普遍的攝影測量技術(shù)應(yīng)用的載荷是單相機(jī)；而為了滿足傾斜攝影測量需要，還需要配備五鏡頭的傾斜攝影相機(jī)，但本質(zhì)上都是單相機(jī)的集成。但在實(shí)際應(yīng)用中，單相機(jī)只能用來做二維正射，多鏡頭相機(jī)用來做三維傾斜攝影測量。在野外實(shí)際測量中，為了不同的測量需要，必須對相機(jī)進(jìn)行更換，兩者應(yīng)用場景獨(dú)立單一，性價(jià)比低。

3 攝影測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

基于現(xiàn)有攝影測量技術(shù)存在的問題，以及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展需求、現(xiàn)代數(shù)字化和智能化城市建設(shè)對攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲(chǔ)、共享等方面在時(shí)間上、空間上、數(shù)據(jù)質(zhì)量上提出的更高要求，攝影測量技術(shù)應(yīng)當(dāng)把握智能化測繪體系構(gòu)建的契機(jī)，從技術(shù)裝備、智能化領(lǐng)域、創(chuàng)新技術(shù)方法、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和資源共享等多方面進(jìn)行全面的提升與發(fā)展。

1） 技術(shù)方法的有效提升。首先，最為直接的是免像控功能的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，雖然現(xiàn)有技術(shù)能夠支持免像控作業(yè)，但是這只是個(gè)別廠商，且精度標(biāo)準(zhǔn)無法滿足用戶精度要求，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提升攝影測量技術(shù)水平，真正實(shí)現(xiàn)免像控且逐漸完全普及。其次，提高攝影測量的靈活性和作業(yè)效率，主要體現(xiàn)在如何將在保證精度的前提下提升飛行速度、擴(kuò)大單張影像的拍攝面積、增加有效的作業(yè)時(shí)長進(jìn)行有效融合。

2） 攝影測量設(shè)備的發(fā)展和提升。首先是提高平臺(tái)、相機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的集成度，提高攝影測量技術(shù)外業(yè)測量的靈活度、質(zhì)量和效率，提高影像的數(shù)據(jù)處理和信息提取準(zhǔn)確度、精確度和效率，提升攝影測量流程的整體性和質(zhì)量。其次是單相機(jī)和多鏡頭傾斜攝影相機(jī)在應(yīng)用場景上的兼容性，有效提升相機(jī)的性價(jià)比和應(yīng)用廣度，提升搭載平臺(tái)在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性，降低由于外界條件對設(shè)備設(shè)施的干擾而產(chǎn)生的影像結(jié)果精度影響。

3） 智能化攝影測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)革命的不斷發(fā)展，智能化攝影測量技術(shù)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)成為未來攝影測量發(fā)展的一大熱門趨勢[6]。通過人工智能研發(fā)的測量機(jī)器人、高分辨率的傳感器設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、智能化操作系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)攝影測量技術(shù)的自主定位導(dǎo)航和智能化作業(yè)。通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等科技為攝影測量技術(shù)獲取的海量影像數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率、高準(zhǔn)確率的智能化信息提取、分析、判譯和管理。人工智能具備人類的某些意識(shí)、思維和行為過程等，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)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(jì)算、識(shí)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[3]。

4） 貼近攝影測量的實(shí)現(xiàn)。貼近攝影測量是張祖勛院士團(tuán)隊(duì)提出的全新攝影測量技術(shù)，是攝影測量技術(shù)基于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求、精細(xì)化測量管理理念、現(xiàn)代化攝影測量技術(shù)向融合發(fā)展的必然產(chǎn)物，是繼垂直攝影、傾斜攝影后的第三種攝影方式，垂直攝影可以認(rèn)為是對被測目標(biāo)三維地理信息的獲取，傾斜攝影是對其紋理信息的獲取，而貼近攝影是以物體的“面”為攝影對象，通過貼近攝影獲取超高分辨率影像，從而實(shí)現(xiàn)精益化地理信息提取，可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有傾斜攝影測量構(gòu)建的三維模型存在坡面變形的缺陷，可以有效應(yīng)用于邊坡檢測、滑坡預(yù)警等領(lǐng)域[7]。

4 結(jié)束語

隨著測繪科技的不斷發(fā)展，攝影測量技術(shù)將成為地理信息數(shù)據(jù)快速獲取的最主要方式。攝影測量經(jīng)歷了模擬法、解析法時(shí)代，目前已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代。但隨著先進(jìn)科技、計(jì)算機(jī)科學(xué)與攝影測量的不斷交叉，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求和信息化測繪時(shí)代驅(qū)使下，攝影測量技術(shù)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)。必須正視現(xiàn)存不足，把握發(fā)展契機(jī)，基于科技創(chuàng)新和技術(shù)革新不斷提升攝影測量技術(shù)水平，以便不斷滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展需求、智能化城市建設(shè)對攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲(chǔ)、共享等方面在時(shí)間上、空間上、數(shù)據(jù)質(zhì)量上提出的更高要求。