基于數字攝影測量的虛擬地形生成技術

發布日期：2018-05-08 00:00 瀏覽量：15554

　　二十世紀發展起來的攝影測量學，特別是航空攝影測量是我國傳統測繪重要組成部分，在大地、航測和制圖三大組成部分中，航測是測制地形圖的最基本手段。由于高科技的發展，攝影測量正受到史無前例的影響，正在經歷一場深刻的變革，本文主要介紹現代科技發展對攝影測量與遙感技術的影響，目前發展方向，以及發展中存在的問題。
　　1.計算機發展對攝影測量的影響
　　1.1攝影測量的回顧
　　航空攝影測量是傳統地形圖測繪的基本手段，通過量測航空像片計算地面真實坐標。攝影測量工作者早就關注計算機在該領域中的應用，但是由于這種計算極為復雜，因此隨著計算機的發展，計算機在攝影測量中的應用才逐步深入。
　　攝影測量中的航片與地面關系公式是攝影測量中最基本公式，該公式為［1］：
　　x=-fa1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)
　　y=-fa2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)
　　式中a、b、c為方向余弦，與航向、旁向傾角和旋角有關，其關系式為：
　　a1=cosφcosκ+sinφsinωsinκ
　　b1=cosφsinκ-sinφsinωcosκ
　　c1=sinφcosω
　　a2=-cosωsinκ
　　b2=cosωcosκ
　　c2=sinω
　　a3=-sinφcosκ+cosφsinωsinκ
　　b3=-sinφsinκ-cosφsinωcosκ
　　c3=cosφcosω
　　f 為攝影機焦距。
　　x、y 為像點坐標。
　　Xs、Ys、Zs 為攝站投影中心坐標。
　　X、Y、Z 為地面點坐標。
　　攝影測量中的其它許多公式可由此公式推導而成，因此該公式是攝影測量的基礎，從該公式中可清楚看到計算關系的復雜性。在此介紹該公式的目的是為了說明解算該公式的方法確定了攝影測量發展的三個階段，即模擬、解析和全數字測圖。在計算機水平發展還不高時，測圖無法用計算機來實現，只能用機械模擬的辦法，例如多倍儀和各種精密全能測圖儀，還有為了降低造價，利用簡化公式設計的模擬儀器。這些儀器由于精度要求極高，因此制造困難，價格昂貴。這些儀器在測繪事業中起到了一定的歷史作用。
　　在60-70年代，由于容量和計算速度的限制，計算機僅用于攝影測量的加密。到80年代，計算機的發展，使得解析測圖儀問世，將計算機用于測圖領域，把原來模擬儀器的機械交會求解改用計算機計算，從而簡化了儀器結構，降低儀器造價。測圖過程與模擬儀器相仿。到90年代，計算機有了飛躍發展，特別是1995 年以后，其計算速度和存儲容量有了明顯提高，使數字攝影測量成為現實。

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　　1.2計算機發展對攝影測量的影響
　　隨著計算機的不斷發展，攝影測量中最困難的測圖部分用計算機來解決，從而使攝影測量步入計算機處理的新時代，使得攝影測量產生了巨大的變化，該變化可從下列四個方面得到反映。
　　(1)測量儀器的徹底改變
　　傳統攝影測量儀器主要分二大類，一類用于測量像片的坐標，用于加密，提供測圖時控制點坐標。第二類是用于測圖，通常為機械模擬方式。這些儀器由于精度高，制造比較困難，過去大部分從德國、瑞士進口，價格自然昂貴。而現在只要有高精度像片數字化儀和基于計算機的處理系統，便可實現航測生產的全過程。這些儀器與原來儀器相比，具有結構簡單、體積小、重量輕、價格低、效率高等特點。如果將來航空攝影采用數碼像機，直接得到數字影像，到那時像片數字化儀都不要，利用基于計算機的一些處理系統便可實現地形圖等測繪產品的生產。由此可看出，計算機的發展對航測儀器帶來了徹底變革。
　　(2)產品形式的改變
　　由于計算機的發展，測繪生產的產品模式發生了根本變化，由過去的模擬表達方式改為全數字形式，即4D產品。在數字測繪產品生產中，首先應重視數據的格式，即制訂數據生產標準。目前各國的標準不一致，因此在用數據前，必須先了解數據格式，否則無法應用。在數字測繪產品中，另一重要轉變是產品的管理，在模擬圖時代，利用倉庫儲存，用戶親自領取的方式。在數字時代，利用計算機管理，公用數據可以上網，用戶從網上直接下載數據。在管理上更為科學，使用更為方便。
　　(3)生產工藝的改變
　　由于處理方法和產品形式的改變，使得生產工藝流程也產生重大變化，朝著簡單、高效方向發展。模擬產品生產中一個重要缺陷是繪圖結果不能有效利用，從生產原圖到出版須重復標描多次，而在數字產品生產中該問題就不存在。由此也導致航測與制圖無明確分界。現在的生產工藝流程主要包括下列部分：航片數字化，把模擬圖像變為數字影像；影像處理和信息提取，包括影像幾何糾正及產品信息的提取與編輯；建立數據庫，實現數據的有效管理和應用。
　　(4)理論方法上的改變
　　在過去，攝影測量主要著重模型的研究，目的是為了提高測量精度，而現在計算機的水平，對攝影測量計算而言，已根本解決，可以用最嚴密的公式計算，解算精度能得到完全保證。攝影測量幾何模型已不再是研究的重點，而轉向影像匹配與信息自動提取方面。影像匹配是數字攝影測量的核心，數字攝影測量的效能能否得到充分發揮在某種程度上取決于影像自動匹配的水平。影像匹配不僅在數字攝影測量中占有重要地位，同時也是計算機視覺目標自動識別的核心，為此影像匹配引起許多學者的關注。經過多年研究，結合計算機發展水平，影像匹配已從理論研究走向實際應用，這是攝影測量取得的重大進展。由于地面影像極其復雜，影像匹配尚不能做到完全成功，目前當匹配失敗時尚需人工干預。在信息提取方面，已進行了大量研究，有些進展，但距實際應用尚有較大距離，這方面是今后應努力研究的方向。
　　2.空間技術發展的影響
　　2.1 航天遙感的發展
　　2.1.1 航天遙感發展過程
　　1972年美國開始發射陸地衛星Landsat，該系列共有7顆衛星組成，其中Landsat6發射失敗，最后一顆Landsat7于1999年4月15 日發射，4月18日己傳送回第一幅圖像，證明發射已經成功。Landsat1～3的主要成像儀器為多光譜掃描儀（MSS）,為4個波段，地面分辨率大約為70m，Landsat4,5的主要成像儀器為專題制圖儀（TM），由7個波段，除波段6外，地面分辨率為30m, Landsat7除30m的多光譜圖像外，增加了一個15m分辨率的全色波段。Landsat圖像的地面復蓋范圍為185×185km2，由于光譜波段設計合理，價格合適，得到全球的廣泛應用。
　　1986年法國開始發射SPOT衛星，現在已發射4顆。SPOT的成像儀器為高分辨率可見光成像儀（HRV），HRV觀測方法不是采用掃描鏡，而是采用 CCD電子式掃描。可采用多光譜和全色二種模式，多光譜，有3個波段，地面分辨率為20m。全色的地面分辨率為10m。SPOT圖像的地面覆蓋范圍為60 ×60km2。試驗證明，多光譜圖像的3個波段，其中波段1和波段2數據嚴重相關，對應用具有較大影響。其全色波段，由于分辨率較高，具有廣泛應用價值，但是由于價格較貴，在應用中受到一定限制。SPOT4 成像儀器性能進一步改進，多光譜改為4個波段，并增加了地面掃描寬度為2200km2、地面分辨率為1150m的 SPOT Vegetation，用于植被調查。SPOT5多光譜分辨率將提高到10m，全色提高到5m。
　　1996年印度發射了IRS-1C衛星，其多光譜地面分辨率有3個波段為23.5m，1個波段為70.5m，全色波段為5.8m。圖像地面覆蓋范圍多光譜為141×141km2，全色為70×70km2。IRS-1C衛星還帶有一個廣角傳感器（WFS），其圖像地面復蓋范圍為770×770km2，地面分辨率為188m，用于植被變化的研究。
　　雷達衛星也有發射，如歐空局的ERS1/2合成孔徑雷達（SAR），地面分辨率約為30m, 圖像地面覆蓋寬度為102.5km2。加拿大的RADARSAT，地面分辨率為10～100m，圖像地面覆蓋范圍為從100×100km2至500× 500km2。日本的JERS SAR，地面分辨率為18m, 圖像地面覆蓋范圍為75×75km2。
　　20多年來，航天遙感得到了較大發展，獲得了大量衛星影像，并在許多領域已有成功的應用。
　　2.1.2航天遙感的現代發展
　　隨著科學技術的發展，航天遙感不僅走向成熟，同時又提出了新的要求，其中有二個特點，其一是地面分辨率愈來愈高，美國在南斯拉夫所用軍事偵察衛星地面分辨率為0.1m。在衛星發射計劃中，許多國家或公司將要發射地面分辨率為1m的衛星。美國在“數字地球”計劃中，分辨率為1×1m的全球影像是其中重要內容之一，這些高分辨率影像將來主要靠航天遙感來獲得。
　　其二是面向全球變化監測，我們賴以生存的地球由于人類活動的影響正在發生不斷變化，許多自然現象及變化規律尚不清楚，為了進行研究，必須獲得大氣圈、水圈和生物圈的各種數據，須對地球表面的陸地、海洋及大氣層進行全面監測，為此美國提出了地球觀測系統（EOS）計劃，衛星上傳感器共有19種。這些傳感器用幾顆衛星發射，其中AM?1計劃在1999年7月發射。下面介紹一些傳感器的性能及用途［2］。
　　*ＣＥＲＥＳ（Clouds and the Earth's Radiant Energy System 云及地球輻射能系統），通過短波和長波輻射兩種方式對地球輻射進行測量。
　　*ＬＩＳ（Lightning Image Sensor 光亮成像傳感器）,將搜集地球上光亮的變化與分布信息。此傳感器覆蓋范圍６００×６００km2，空間分辨率５km。
　　*ＡＳＴＥＲ（ Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer 高級星載熱量發射及反射輻射計）,提供高分辨率（１５～９０m）的地表及云的數據，供氣候學、水文學、生態學及地質學進行研究。
　　*ＭＩＳＲ（Multi?angle Image SpectroRadiometer 多角度成像光譜輻射計）,將獲得全球各種反射光線的方向特性數據以及用于地表的地質特性和霧、云及生態研究的信息。掃描寬度為３６０km，空間分辨率為２７５m、５５０m及1100m，４個波段，9天覆蓋全球。
　　*ＭＯＤＩＳ（Moderate?Resolution Image Spectroradiometer 中等分辨率成像光譜輻射計），共３６個波段，其中２個為２５０m，５個為５００m，２９個為１km，１至２天覆蓋全球，將提供多種全球數據產品，包括１km分辨率的地表溫度、海洋顏色、植被／地表覆蓋等大量信息，可用來進行全球生態及物理變化的測量。
　　*ＳＡＧＥⅢ（Stratospheric Aerosol and Gas Experiment Ⅲ 對流層云霧及氣體實驗室3號）,用于對云霧、臭氧、二氧化氮、水蒸汽、溫度、壓力等的研究，空間分辨率為１～２km。
　　*Ocean Color Instrument 海洋顏色儀，用于進行全球碳循環的研究。
　　*ＳＥＡＷＩＮＤＳ，對全球無冰的海洋上空的風進行連續、全天候測量，掃描幅寬為１８００km，空間分辨率為５０km。
　　*ＡＣＲＩＭ（ Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor 空洞變化輻射計及輻照率監測器），用于監測太陽總輻照率的變化。
　　*ＥＯＳＰ（ Earth Observing Scanning Polerimeter 地球觀測掃描極化儀），用于提供全球云及霧圖像，包括１２個多光譜波段，空間分辨率１０km。
　　*ＭＩＭＲ（Multi?frequency Image Microwave Radiometer 多頻成像微波輻射計），用于獲得水循環的重復參數，包括大氣中水的含量，雨量，土壤濕度，冰雪覆蓋及海面溫度等，幅寬為１２５０km，空間分辨率為５．６km、１４km、２４km、４５km及７０km。
　　*ＡＩＲＳ／ＡＭＳＵ／ＭＨＳ（Atmospheric Infrared Sounder大氣紅外探測器／ Advanced Microwave Sounding Unit 高級微波探測單元／ Microwave Humidity Sounder 微波水份探測器），用于測量大氣溫度，提供大氣的水蒸汽,云、海／陸地表面溫度及大氣濕度數據。幅寬１６５０km，空間分辨率ＡＩＲＳ水平為１３．５km，垂直１km，ＡＭＳＵ為４０km，ＭＨＳ為１３．５km。
　　*ＴＥＳ（Tropspheric Emission Spectrometer 對流層散射光譜輻射計），用于對流層質量變化監測，包括對流層的組成、變化及對流層－平流層交換以及對氣候和生態的影響。
　　*ＨＩＲＤＬＳ（High Resolution Dynamics Limb Sounder 高分辨率動態探測器），利用紅外輻射計對對流層上層、平流層及散逸層進行測量，包括溫度、臭氧、水蒸汽等的含量。　*ＭＬＳ（Microwave Limb Sounder 微波探測器），測量平流層下層溫度及對流層上層的化學成分及研究火山對全球變化的影響。
　　*ＧＬＡＳ（Geoscience Laser Altimeter System 地球科學激光測高系統）,用于測量冰山地形的激光測高儀，同時用來測定云及大氣特性。
　　*Ｌａｎｄｓａｔ?7也并入ＥＯＳ計劃，主要的儀器為ＥＴＭ＋（Enhanced Thematic Mapping Plus ）增強型專題制圖儀。
　　雷達衛星也是以后發展的重要方向，信息獲取不受氣候影響的特點吸引著人們的普遍關注，雷達衛星的特有特性為應用開辟了廣闊前景。我們在這方面研究尚不夠，有待進一步加強。

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　　2.1.3 航天遙感的影響
　　為了應用需要，必須對航天遙感影像進行處理和分析，鑒于航天遙感影像具有數據量大、分析復雜等特點，因此對處理設備和方法提出了新的要求，對許多相關領域引起重要影響。例如存儲設備，為了解決海量數據存儲問題，美國 NASA和 EROS中心研制了專用存儲設施，存放5000盤磁帶，用機械手自動取帶和存帶。下面主要從數字圖像處理和模式識別方面論述航天遙感的影響。
　　(1)數字圖像處理
　　數字圖像處理是一門新興學科，自發展至今只有幾十年的歷史，除在遙感中應用外，主要用于空間探測、生物醫學、人工智能及工業檢測等領域［4］。該學科發展初期，由于計算機水平的限制，主要是學術上的理論研究，其理論基礎的核心是 FOURIER變換。自衛星遙感發展后，由于實際應用的需要，使該學科有了長足發展，例如幾何糾正，從幾何糾正模型到影像取樣理論都得到了發展和完善。在影像增強、信息融合等方法上有了重要發展，例如 KL變換，RGB與 IHS間的色度變換等。在邊緣信息提取方面，盡管作了大量研究，與數字攝影測量一樣，距實際應用尚有較遠的距離。這是因為航空、航天影像的復雜性決定的，邊緣不能唯一和閾值的確定問題始終限制著實際應用。目前最好發展一些半自動化方法，人工引導與自動提取相結合才能達到較好的效果。
　　(2)模式識別目前衛星遙感的重要應用方向之一是利用影像來識別物體，這一領域是模式識別的重要組成部分。自衛星遙感發展以來，以統計為基礎的自動分類方法得到了進一步完善和發展，例如，最大似然法的實用化算法，神經元網絡在分類中的應用，在聚類分析中的ISO法，利用輔助數據提高分類精度的各種方法，都給模式識別的發展提供了新的活力。
　　2.2航天遙感的特點
　　2.2.1航天遙感目前的應用方向
　　利用衛星遙感獲取各種信息是目前最有效的方法。在實現數字地球的今天，衛星遙感更顯示出它的重要性。數字地球可以看成是一個虛擬地球，把地球上的各種信息以數字形式表達，實現多分辨率、三維形式的地球的描述。要把整個地球上的信息數字化，進入計算機管理，其工作量極大，在開始階段，可以從已成圖的資料提取部分信息，但是從長遠觀點、從信息更新角度，衛星遙感是提供信息源的最有效手段和保證。
　　根據我國國情，目前有二個方面的問題從中央到地方都極為關注，即環境變化監測和耕地保護，要想比較好的解決這些問題，要靠衛星遙感技術的發展。因為只有該技術才能快速提供有效的信息。
　　2.2.2應用中應注意的問題
　　目前衛星遙感的主要應用是根據衛星影像來解釋人們所需要的信息，應該屬于二維處理的范圍，盡管利用某些衛星遙感圖像可以進行高程測量，但目前尚不是主流。
　　根據衛星影像來解釋出各種所需信息，主要根據影像的灰度、顏色、紋理、結構、形狀等許多信息來確定，目前大部分衛星遙感（SAR除外）根據光譜成像理論來獲取信息，鑒于地物光譜受到周圍環境、大氣衰減等許多因素的影響，使得影像特征與地物間的關系極為復雜，同時由于分辨率的限制，有些地物難以區分，這對影像解釋帶來極大困難。特別在中國，小農經濟的耕作模式，使得地塊小，作物混亂，對解釋更為困難。
　　不論采用何種方法，衛星影像解釋必須與外業調查相結合，否則很難保證解釋質量。航空攝影測量主要測量地球表面的幾何形態，其精度主要取決于影像質量與測量儀器，人為因素影響相對較小，在一定的條件下，質量較易控制。而在衛星影像解釋中，人為因素影響較大，對作業員的素質要求更高。因此在產業結構的調整中，應重視作業員素質的培養。
　　2.2.3計算機自動解釋中存在的困難
　　利用計算機來進行衛星影像自動解釋是科技工作者的奮斗目標，經過幾十年的研究，已獲得一定進展，但是距自動解釋的目標甚遠。
　　基于統計理論的分類方法已較完善和成熟，已在生產中得到廣泛的應用，鑒于這種方法主要根據光譜特征，而光譜特征與地物的對應關系比較復雜，即異物同譜現象，因此分類精度受到一定限制。使得有部分人寧愿采用目視解釋，而不用計算機分類的現象。當衛星影像分辨率較低時，基于統計理論的分類方法較有成效，隨著分辨率的提高，統計分類方法將會失去其作用。
　　要想提高計算機自動分類精度，要注意二個方面的問題，第一是二維特征的分析，目前基于統計的分類方法基本上利用點的特征，影像中的關系信息利用較少，而影像的二維特征分析首先要確定邊界，而地物邊界預先又無法確定，這是目前分類方法中存在的主要問題。為了解決這一困難，提出了并行處理的設想，當然這對計算機又提出了新的要求，要研制新一代計算機。在算法上也要作重要改變，要研究適合于平行處理的新算法。第二是多因素的智能分析，鑒于衛星影像解釋要依賴很多因素，在自動解釋時，最好把這些影響因素都考慮進去，這樣才能保證正確的自動識別，這就是所謂的專家判讀系統或影像理解要解決的內容。
　　目前在以上方面都進行了一些研究，但僅僅是開始，離應用目標相距甚遠，有待我們深入研究。
　　3.現代科技發展在測繪變革中的作用
　　測繪技術由于現代科技的發展正在經歷一場深刻的變革，從該變革中我們可清楚看到科學技術的發展對提高勞動生產率所起的作用。
　　由于空間技術的發展，使得信息獲取手段得到根本改變，例如大地測量，過去通過測角、測高來獲取基本信息，而現在通過GPS衛星來獲取信息，過去利用航空攝影來獲取地面信息，而現在可通過衛星來獲取，并且是數字形式。由于信息獲取手段的提高，為測繪的變革提供了重要保證。
　　由于計算機的發展，使得測繪生產工具發生徹底變革，例如航測成圖生產中所使用的全能測圖儀將要進入歷史博物館，基于計算機的各種處理和管理系統登上歷史舞臺。由于生產工具的改進，使得傳統的生產方式得到徹底的改變。
　　由于測繪中引用了這些高科技，使得信息獲取更為方便，生產速度加快，生產成本降低，勞動強度減輕。不僅如此，還為測繪產品的應用提供了廣闊前景。由于測繪產品為數字形式，不僅使用方便，經過適當組合和處理，便可生成形式多樣的產品或其它形式的副產品，例如，從DEM可以生成坡度圖、坡向圖、暈渲圖，利用DEM和專題圖可生成暈渲專題圖。由于是數字形式，為綜合分析提供了條件，為深層次的應用提供了可能。
　　測繪技術雖然得到很大發展，但在發展進程中又面臨著新的問題和困難，例如航天遙感的發展，可以大量獲取各種信息，如何快速、高效處理這些數據，己擺在我們面前。目前計算機的水平，對于數值計算和文字處理己能滿足，但是對于數字影像的信息提取和影像分析尚不能適應，期望新一代計算機的研制。我們相信，隨著現代科技的發展，攝影測量與遙感技術將會提高到一個新的水平。