數字攝影測量

數字攝影測量的發展起源於攝影測量自動化的實踐，即利用相關技術，實現真正的自動化測圖。攝影測量自動化是攝影測量工作者多年來所追求的理想。最早涉及攝影測量自動化的研究可追溯到1930年，但並未付諸實施。直到1950年，由美國工程兵研究發展實驗室與Bausch and Lomb光學儀器公司合作研製了第一台自動化攝影測量測圖儀。當時是將像片上灰度的變化轉換成電信號，利用電子技術實現自動化。這種努力經過了許多年的發展歷程，先後在光學投影型、機械型或解析型儀器上實施，例如B8-Stereomat、Topocart等。也有一些專門採用CRT掃描的自動攝影測量系統，如UNAMACE、GPM系統。與此同時，攝影測量工作者也試圖將由影像灰度轉換成的電信號再轉變成數字信號（即數字影像），然後，由電子計算機來實現攝影測量的自動化過程。美國於20世紀60年代初，研製成功的DAMC系統就是屬於這種全數字的自動化測圖系統。它採用瑞士Wild公司生產的STK-1精密立體座標儀進行影像數字化，然後用1台IBM7094型電子計算機實現攝影測量自動化。武漢測繪科技大學王之卓教授於1978年提出了發展全數字自動化測圖系統的設想與方案，並於1985年完成了全數字自動化測圖軟件系統WUDAMS，也採用數字方式實現了攝影測量自動化。因此，數字攝影測量是攝影測量自動化的必然產物。

隨着計算機技術及其應用的發展以及數字圖像處理、模式識別、人工智能、專家系統以及計算機視覺等學科的不斷髮展，數字攝影測量的內涵已遠遠超過了傳統攝影測量的範圍，現已被公認為攝影測量的第三個發展階段。數字攝影測量與模擬、解析攝影測量的最大區別在於：它處理的原始信息不僅可以是像片，更主要的是數字影像（如SPOT影像）或數字化影像；它最終是以計算機視覺代替人眼的立體觀測，因而它所使用的儀器最終將是通用計算機及其相應外部設備，特別是當代，工作站的發展為數字攝影測量的發展提供了廣闊的前景；其產品是數字形式的，傳統的產品只是該數字產品的模擬輸出。 ^[2] 

對數字攝影測量的定義，在世界上主要有兩種觀點。

其一認為數字攝影測量是基於數字影像與攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數字影像處理、影像匹配、模式識別等多種學科的理論與方法，提取所攝對象用數字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量學的分支學科。這種定義在美國等國家稱為軟拷貝攝影測量（Soft Copy Photogrammetry）。中國著名攝影測量學者王之卓教授稱之為全數字攝影測量（All Digital Photogrammetry或）。這種定義認為，在數字攝影測量中，不僅產品是數字的，而且中間數據的記錄及處理的原始資料均是數字的，所處理的原始資料也是數字影像或數字化的影像。

其二則只強調其中間數據記錄及最終產品是數字形式的，即數字攝影測量是基於攝影測量的基本原理，從攝影測量與遙感所獲取的數據中，採用數字攝影影像或數字化影像，在計算機中進行各種數值、圖形和影像處理，以研究目標的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數字化產品，如數字地圖、數字高程模型、數字正射影像、景觀圖等。 ^[3] 

一、計算機輔助測圖

計算機輔助測圖是利用解析測圖儀或模擬光機型測圖儀與計算機相連的機助（或機控）系統，進行數據採集、數據處理，形成數字高程模型DEM與數字地圖，最後輸入相應的數據庫。根據需要也可利用數控繪圖儀輸出線劃圖，或利用數控正射投影儀輸出正射影像圖，或利用打印機打印各種表格。這種情況所處理的依然是傳統的像片，且對影像的處理仍然需要人眼的立體量測，計算機則起進行數據的記錄與輔助處理的作用，是一種半自動化的方式。計算機輔助測圖是攝影測量從解析化向數字化的過渡階段。

二、影像數字化測圖

影像數字化測圖是利用計算機對數字影像或數字化影像進行處理，由計算機視覺（其核心是影像匹配與影像識別）代替人眼的立體量測與識別，完成影像幾何與物理信息的自動提取。此時不再需要傳統的光機儀器的人工操作方式，而是自動化的方式。若處理的原始資料是光學影像（即像片），則需要利用影像數字化儀對其數字化。按對影像進行數字化的程度，又可分為混合數字攝影測量與全數字攝影測量。

(1)混合數字攝影測量

混合數字攝影測量通常是在解析測圖儀上安裝一對CCD數字相機，對要進行量測的局部影像進行數字化，由數字相關（匹配）獲得點的空間座標。Zeiss的解析測圖儀C100附加一對CCD相機構成INDU SURF（industrial surface measurement）系統，可自動量測物體的表面。原Wild與Kern的解析測圖儀也可以構成類似的系統。海拉瓦的DCCS（digital compaprator correlation system）也屬於此種系統。

(2)全數字攝影測量

全數字攝影測量（也稱軟拷貝攝影測量）處理的是完整的數字影像，若原始資料是像片，則首先利用影像數字化儀對影像進行完全數字化。利用傳感器直接獲取的數字影像可直接進入計算機，或記錄在磁帶上，通過磁帶機輸入計算機。由於自動影像解釋仍然處於研究階段，因而全數字攝影測量主要是生成數字地面模型（DTM）與正射影像圖。其主要內容包括：方位參數的解算、沿核線重採樣、影像匹配、解算空間座標、內插數字表面模型（如DTM）、自動繪製等值線、數字糾正產生正射影像及生成帶等值線的正射影像圖等。第一套全數字攝影測量系統是20世紀60年代在美國建立的DAMCS（digital automatic map cornpilation system）。20世紀90年代，隨着計算機的飛速發展，許多全數字攝影測量系統已相繼建立，如Helava的DPW（digital photogrammetry workstation）與中國武漢測繪科技大學的WUDAMS（Wuhan digital automatic mapping system）等。 ^[2] 

數字攝影測量處理的過程一般包括如下6個步驟。

圖像數字化轉換的目的是將航空或航天的攝影類圖像數字化為數字圖像，並以二維像元灰度矩陣表示。

數字圖像的定向包括整幅數字圖像的內定向、相對定向和絕對定向，以確定相關參數。

內定向：確定掃描座標系和像平面座標系的關係。

相對定向：用圖像匹配算法自動確定立體數字圖像中的相對定向點的像座標，用解析攝影測量相對定向解算相對方向參數。

絕對定向：用已知控制點的像座標和內定向參數計算控制點在一幅數字圖像中的座標，用圖像匹配算法自動確定它們在另一幅數字圖像中的座標。

數字圖像處理包括數字圖像像元按掃描座標系排列變換為按核線方向排列，且對圖像進行增強和特徵提取。

建立數字地面模型包括沿核線的一維圖像匹配、計算點的模型座標、建立帶圖像灰度值的數字地面模型。

根據規則格網DEM，採用一定的插值算法生成數字等高線。具體過程是首先在DEM中按規定的等高線間隔跟蹤等高線離散點，然後光滑加密形成數字等高線數據。

正射數字圖像：用數字正射投影（數字微分校正）技術將原數字圖像校正為正射圖像。如果將數字等高線與數字正射圖像套合，即產生帶等高線的正射數字圖像。 ^[4]