第一章數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量緒論

攝影測(cè)量學(xué)有著悠久的歷史，19世紀(jì)中葉，攝影技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，便應(yīng)用于測(cè)量。攝影測(cè)量從模擬攝影測(cè)量開(kāi)始，經(jīng)過(guò)解析攝影測(cè)量階段，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段。當(dāng)代的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是傳統(tǒng)攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它研究的重點(diǎn)是從數(shù)字影像自動(dòng)提取所攝對(duì)象的空間信息。

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量理論建立的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)攝影測(cè)量所使用的模擬測(cè)圖儀與解析測(cè)圖儀。1.1攝影測(cè)量學(xué)的定義與任務(wù)國(guó)際攝影測(cè)量與遙感協(xié)會(huì)ISPRS1988年給攝影測(cè)量與遙感的定義：攝影測(cè)量與遙感是從非接觸成像和其他傳感器系統(tǒng)，通過(guò)記錄、量測(cè)、分析與表達(dá)等處理，獲取地球及其環(huán)境和其他物體可靠信息的工藝、科學(xué)與技術(shù)。攝影測(cè)量側(cè)重提取幾何信息；遙感側(cè)重提取物理信息。攝影測(cè)量的特點(diǎn)：無(wú)需接觸物體本身，較少受到周?chē)h(huán)境與條件的限制。被攝物體：固體、液體、氣體。按成像距離分為：航天攝影測(cè)量、航空~、近景~、顯微~等。按照應(yīng)用成像對(duì)象分為：地形攝影測(cè)量、非地形~。地形攝影測(cè)量主要任務(wù)：測(cè)繪各種比例尺的地形圖及城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、交通、工程、資源與規(guī)劃等部門(mén)需要的各種專(zhuān)題圖，建立地形數(shù)據(jù)庫(kù)，為各種地理信息系統(tǒng)提供三維的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。非地形攝影測(cè)量：用于工業(yè)、建筑、考古、醫(yī)學(xué)、生物、體育、變形觀測(cè)、事故調(diào)查、公安偵破與軍事偵察等各方面。攝影測(cè)量的技術(shù)手段：模擬法、解析法、數(shù)字法。攝影測(cè)量至今劃分為三個(gè)發(fā)展階段：模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。1.2模擬攝影測(cè)量早在18世紀(jì)，數(shù)學(xué)家伯特（JHLambert）在他的著作中（“FregePerspective”，Zurich，1759）就論述了攝影測(cè)量的基礎(chǔ)——透視幾何理論。1839年法國(guó)Niepce等人報(bào)導(dǎo)了第一張攝影像片的產(chǎn)生后，攝影測(cè)量學(xué)開(kāi)始了它的發(fā)展歷程。19世紀(jì)中葉，勞賽達(dá)（ALaussedat，他被認(rèn)為是“攝影測(cè)量之父”）利用所謂“明箱”裝置，測(cè)制了萬(wàn)森城堡圖。當(dāng)時(shí)一般采用圖解法進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)繪。直到20世紀(jì)初，才由維也納軍事地理研究所按奧雷爾（Orel）的思想制成了“立體自動(dòng)測(cè)圖儀”，后來(lái)由德國(guó)卡爾.蔡司廠進(jìn)一步發(fā)展，成功地制造了實(shí)用的“立體自動(dòng)測(cè)圖儀”（stereoautograph）。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，到60~70年代，這種類(lèi)型的儀器發(fā)展到了頂峰。由于這些儀器均采用光學(xué)投影器或機(jī)械投影器或光學(xué)-機(jī)械投影器“模擬”攝影過(guò)程，用它們交會(huì)被攝物體的空間位置，所以稱(chēng)其為“模擬攝影測(cè)量?jī)x器”。著名攝影測(cè)量學(xué)者UVHelava于1957年在他的論文中談到：“能夠用來(lái)解決攝影測(cè)量主要問(wèn)題的現(xiàn)有的全部的攝影測(cè)量測(cè)圖儀，實(shí)際上都是以同樣的原理為基礎(chǔ)的，這個(gè)原理可以成為模擬的原理”。這一發(fā)展時(shí)期也被稱(chēng)為“模擬攝影測(cè)量時(shí)代”。在這一時(shí)期，攝影測(cè)量工作者們都在自豪地欣賞著30年代德國(guó)攝影測(cè)量大師Gruber的一句名言，那就是：“攝影測(cè)量就是能夠避免繁瑣計(jì)算的一種技術(shù)”。有些儀器冠以“自動(dòng)”二字，其含意也僅在于此，即利用光學(xué)機(jī)械模擬裝置，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的攝影測(cè)量解算。但是它并不意味這不需要人工的立體觀測(cè)，而真的實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)測(cè)圖”。在模擬攝影測(cè)量的漫長(zhǎng)發(fā)展階段中，攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展可以說(shuō)基本上是圍繞著十分昂貴的立體測(cè)圖儀進(jìn)行的。立體測(cè)圖的基本原理：攝影過(guò)程的幾何反轉(zhuǎn)。模擬立體測(cè)圖儀：利用光學(xué)機(jī)械模擬投影的光線，由“雙像”上的“同名像點(diǎn)”進(jìn)行“空間前方交會(huì)”，獲得目標(biāo)點(diǎn)的空間位置，建立立體模型，進(jìn)行立體測(cè)圖。模擬投影光線的光機(jī)部件，稱(chēng)為“光機(jī)導(dǎo)桿”。根據(jù)投影方式模擬立體測(cè)圖儀分為：光學(xué)投影、光學(xué)-機(jī)械投影、機(jī)械投影。模擬測(cè)圖儀（光學(xué)投影）

GFTournachon(1820-1910),hecallhimselfNadar.Thefirst-knownaerialphotographwasobtainedfromaballoonbyaParisianphotographerin1858nearParis,France.

Intrepidballoon,1862TheballoonbeinginflatedbyusingportablehydrogengeneratingsystemduringtheCivilWar.

1903，WrightBrothers發(fā)明了飛機(jī)，使航空攝影測(cè)量成為可能。Engine-poweredflightonDecember17,1903.Itlasted12secondsandcovered120ft.

AerialphotographyinWorldwarIFigureClose-upviewofaworldwarIFigureVerticalphotographyofWorldWarItrenchesinEurope.AerialphotographyinWorldwarIIFigureVerticalaerialphotographofaV2rocketlaunchingfacilityaPeenemundeinWorldWarII.1.3解析攝影測(cè)量隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，Helava（海拉瓦）于1957年提出了攝影測(cè)量的一個(gè)新概念，就是“用數(shù)字投影代替物理投影”?！拔锢硗队啊保骸肮鈱W(xué)的、機(jī)械的、光學(xué)-機(jī)械的”模擬投影?！皵?shù)字投影”：利用電子計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行投影光線（共線方程）的解算，從而交會(huì)被攝物體的空間位置。解析攝影測(cè)量代表性?xún)x器：解析立體測(cè)圖儀。解析測(cè)圖儀與模擬測(cè)圖儀的區(qū)別：前者是數(shù)字投影方式，后者是模擬的物理投影方式。儀器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上不同：前者是計(jì)算機(jī)控制的坐標(biāo)量測(cè)系統(tǒng)，后者使用純光學(xué)、機(jī)械型的模擬測(cè)圖裝置。操控方式不同：前者是計(jì)算機(jī)輔助的人工操作，后者是完全的手工操作。相同點(diǎn)：都是使用攝影的正片（負(fù)片）或相片，并都需要人用手去操縱（或指揮）儀器，同時(shí)用眼進(jìn)行觀測(cè)。其產(chǎn)品主要是描繪在紙上的線畫(huà)地圖或印在相紙上的影像圖，即模擬的產(chǎn)品。模擬測(cè)圖儀上附加數(shù)字記錄裝置或在解析測(cè)圖儀上以數(shù)值形式記錄多種信息，也可形成數(shù)字的產(chǎn)品。解析測(cè)圖儀1.4數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展起源于攝影測(cè)量自動(dòng)化的實(shí)踐，即利用相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化測(cè)圖。攝影測(cè)量自動(dòng)化是攝影測(cè)量工作者多年來(lái)所追求的理想。最早涉及到攝影測(cè)量自動(dòng)化的研究可追溯到1930年，但并未付諸實(shí)施。直到1950年，由美國(guó)工程兵研究發(fā)展實(shí)驗(yàn)室與BauschandLomb光學(xué)儀器公司合作研制了第一臺(tái)自動(dòng)化攝影測(cè)量測(cè)圖儀。當(dāng)時(shí)是將像片上灰度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這種努力經(jīng)過(guò)許多年的發(fā)展歷程，先后在光學(xué)投影型、機(jī)械型或解析型儀器上實(shí)施，例如B8-Stereomat，Topocart等。也有一些專(zhuān)門(mén)采用CRT掃描的自動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)，如UNAMACE，GPM系統(tǒng)。攝影測(cè)量工作者也試圖將由影像灰度轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)再轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)（即數(shù)字影像），然后，由電子計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量的自動(dòng)化過(guò)程。美國(guó)于60年代初，研制成功的DAMC系統(tǒng)就是屬于這種全數(shù)字的自動(dòng)化測(cè)圖系統(tǒng)。它采用瑞士Wild公司生產(chǎn)的STK-1精密立體坐標(biāo)儀進(jìn)行影像數(shù)字化，然后用1臺(tái)IBM7094型電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量自動(dòng)化。武漢測(cè)繪科技大學(xué)王之卓教授于1978年提出了發(fā)展全數(shù)字自動(dòng)化測(cè)圖系統(tǒng)的設(shè)想與方案，并與1985年完成了全數(shù)字自動(dòng)化測(cè)圖軟件系統(tǒng)WUDAMS，也采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量自動(dòng)化。因此，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是攝影測(cè)量自動(dòng)化的必然產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展以及數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的內(nèi)涵已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的范圍，現(xiàn)已被公認(rèn)為攝影測(cè)量的第三發(fā)展階段。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于：它處理的原始信息不僅可以是像片，更主要的是數(shù)字影像（如SPOT影像）或數(shù)字化影像；它最終是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼的立體觀測(cè)，因而它所使用的儀器最終將只是通過(guò)計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)外部設(shè)備，特別是當(dāng)代，工作站的發(fā)展為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展提供了廣闊的前景；其產(chǎn)品是數(shù)字形式的，傳統(tǒng)的產(chǎn)品只是該數(shù)字產(chǎn)品的模擬輸出。在美國(guó)等國(guó)家稱(chēng)為軟拷貝攝影測(cè)量（softcopyphotogrammetry）。中國(guó)著名攝影測(cè)量學(xué)者王之卓教授稱(chēng)之為全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量（alldigitalphotogrammetry或fulldigitalphotogrammetry）。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，不僅其產(chǎn)品是數(shù)字的，而且其中間過(guò)程數(shù)據(jù)的記錄以及處理的原始資料均是數(shù)字的，所處理的原始資料自然是數(shù)字影像或數(shù)字化影像。十分強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化或半自動(dòng)化，即應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)（包括：計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等）的理論與方法，自動(dòng)或半自動(dòng)地提取所攝對(duì)象的信息。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是將攝影測(cè)量的基本原理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合，從數(shù)字影像中自動(dòng)（半自動(dòng)）提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)視覺(jué)（其核心是影像匹配與識(shí)別）代替人的立體量測(cè)與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取。（必須使用數(shù)字影像或數(shù)字化影像）按對(duì)影像進(jìn)行數(shù)字化的方式：混合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)、全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。混合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

混合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量通常是在解析測(cè)圖儀上安裝一對(duì)CCD數(shù)字相機(jī)，對(duì)要進(jìn)行量測(cè)的局部影像進(jìn)行數(shù)字化，有數(shù)字相關(guān)（匹配）獲得點(diǎn)的空間坐標(biāo)。全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理的是完整的數(shù)字影像，若原始資料是像片，則首先利用影像數(shù)字化儀對(duì)影像進(jìn)行完全數(shù)字化。利用傳感器直接獲取的數(shù)字影像可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，或記錄在磁帶上，通過(guò)磁帶機(jī)輸入計(jì)算機(jī)。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量

當(dāng)影像獲取與處理幾乎同時(shí)進(jìn)行，在一個(gè)視頻周期內(nèi)完成，這就是實(shí)時(shí)攝影測(cè)量，它是全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的一個(gè)分支。計(jì)算機(jī)輔助測(cè)