一、對(duì)攝影測(cè)量教學(xué)、科研的思考
就攝影測(cè)量本身而言，從測(cè)繪的角度上來看數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量還是利用影像來進(jìn)行測(cè)繪的科學(xué)與技術(shù)；而從信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺科學(xué)的角度來看，它是利用影像來重建三維表面模型的科學(xué)與技術(shù)，也就是在“室內(nèi)”重建地形的三維表面模型，然后在模型上進(jìn)行測(cè)繪。因此，從本質(zhì)上來說，它與原來的攝影測(cè)量沒有區(qū)別。因而，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中，整個(gè)的生產(chǎn)流程與作業(yè)方式，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量差別似乎不大。但是它給傳統(tǒng)的攝影測(cè)量帶來了重大的變革。
在二十世紀(jì)三十年代，針對(duì)當(dāng)時(shí)的模擬攝影測(cè)量?jī)x器，德國著名的攝影測(cè)量專家V.Gruber給攝影測(cè)量下了這樣的定義：“攝影測(cè)量是一種技術(shù)，它可以避免計(jì)算”。這是因?yàn)?，模擬攝影測(cè)量?jī)x器解決了傳統(tǒng)野外測(cè)量中前方交會(huì)、后方交會(huì)的計(jì)算問題。實(shí)質(zhì)上，當(dāng)時(shí)的模擬攝影測(cè)量?jī)x器本身就是一臺(tái)精密的、機(jī)械的、模擬計(jì)算器。該“計(jì)算器”用兩根精密的空間導(dǎo)桿模擬前方交會(huì)，從像點(diǎn)坐標(biāo)直接解算，給出其模型坐標(biāo)。因此，當(dāng)時(shí)的模擬測(cè)量?jī)x器，多稱為自動(dòng)測(cè)圖儀(Autograph)。所謂自動(dòng)，就是可以避免人工的計(jì)算。從這個(gè)角度來說，攝影測(cè)量當(dāng)時(shí)就與計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起，而不是真正的不需要計(jì)算。但是所謂自動(dòng)，它并不是可以離開作業(yè)員的觀測(cè)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)圖，而只是避免了人工的計(jì)算，不需要人工用“對(duì)數(shù)表”或機(jī)械的手搖計(jì)算機(jī)，進(jìn)行前方和后方交會(huì)計(jì)算。
由于當(dāng)時(shí)的攝影測(cè)量與各種各樣的模擬攝影測(cè)量?jī)x器緊密地聯(lián)系在一起，因此，當(dāng)時(shí)的教學(xué)和研究的內(nèi)容多數(shù)是圍繞著那些精密的攝影測(cè)量?jī)x器展開的。例如：儀器的結(jié)構(gòu)，各種控制器以及怎樣利用模擬測(cè)圖儀器來重建模型(相對(duì)定向)等。又如：相對(duì)定向的點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)位的分布，即所謂標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，到現(xiàn)在為止還被稱為Gruber點(diǎn)位，以及如何利用六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上的上下視差進(jìn)行逐步的趨近；利用過渡改正倍數(shù)，加快相對(duì)定向的速度等。
但是，到解析攝影測(cè)量的時(shí)代，精密的機(jī)械導(dǎo)桿被共線方程——又稱為“數(shù)字導(dǎo)桿”所代替，簡(jiǎn)化了儀器的結(jié)構(gòu)，形成了解析測(cè)圖儀。然而利用六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行相對(duì)定向仍然沒有變化，只是人們只需觀測(cè)六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的上下視差，計(jì)算機(jī)就能自動(dòng)解算相對(duì)定向的元素。計(jì)算的過程雖然還是迭代的過程，但是，作業(yè)員的作業(yè)中避免了迭代過程，從而加快了定向速度。在解析攝影測(cè)量時(shí)代，由于數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與引入，攝影測(cè)量的嚴(yán)密解算成可能。從而，空中三角測(cè)量的嚴(yán)密解算、各種區(qū)域網(wǎng)平差模型、粗差檢測(cè)、可靠性的理論等，成為解析攝影測(cè)量時(shí)代的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。與模擬攝影測(cè)量時(shí)代相比，解析攝影測(cè)量的教學(xué)、科研的內(nèi)容要寬得多，而且研究已經(jīng)不再僅僅圍繞測(cè)量的儀器展開。這時(shí)，攝影測(cè)量不僅僅需要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，引起了測(cè)量一次深刻的變革。但是，無論是模擬攝影測(cè)量或者是解析攝影測(cè)量，都離不開人的雙眼分別照準(zhǔn)左、右影像上的同名點(diǎn)，因此，它們都不可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的“自動(dòng)化”。
到了今天，由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，計(jì)算機(jī)不僅可以代替人工進(jìn)行大量的計(jì)算，而且已經(jīng)完全可能代替人眼來識(shí)別同名點(diǎn)，從而為攝影測(cè)量開辟了真正的自動(dòng)化道路。它不僅大大提高了生產(chǎn)效率，而且在某些領(lǐng)域，在傳統(tǒng)的攝影測(cè)量觀念認(rèn)為是一些最基本的內(nèi)容上，正在發(fā)生觀念性的變革。
首先，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，加上專業(yè)的攝影測(cè)量軟件，就代替了過去傳統(tǒng)的、所有的攝影測(cè)量的儀器。其中包括糾正儀、正射投影儀、立體坐標(biāo)儀、轉(zhuǎn)點(diǎn)儀、各種類型的模擬測(cè)量?jī)x以及解析測(cè)量?jī)x。這些儀器設(shè)備曾經(jīng)被認(rèn)為是攝影測(cè)量界的驕傲，但是，目前除解析測(cè)圖儀還有少量的生產(chǎn)外，其他所有的攝影測(cè)量光機(jī)儀器已經(jīng)完全停止生產(chǎn)。這種發(fā)展已經(jīng)引起了產(chǎn)業(yè)界的變革，即精密的光學(xué)、機(jī)械制造業(yè)轉(zhuǎn)為信息產(chǎn)業(yè)，其重心也從歐洲轉(zhuǎn)移到了美國。原來著名的攝影測(cè)量、光機(jī)儀器制造廠商，瑞士的Leica已經(jīng)與美國的Helava合并；德國的Zeiss也將與美國的Intergraph合并。
從教育的角度來看，過去欲辦一個(gè)攝影測(cè)量專業(yè)非常困難，這是由于攝影測(cè)量專用儀器十分昂貴。而現(xiàn)在，所有的攝影測(cè)量專用儀器多由當(dāng)代最通用的設(shè)備—計(jì)算機(jī)所替代，攝影測(cè)量除了專用的軟件外，幾乎沒有專用的硬件設(shè)備。因此，在美國通常將數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量稱為“軟拷貝攝影測(cè)量”，這似乎很有道理。另外，也正是由于這個(gè)變革，攝影測(cè)量已經(jīng)超出了“測(cè)繪”的范疇，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量也已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的一個(gè)部分。1995年9月27日，中國科學(xué)報(bào)發(fā)表了田峰同志《模式識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用》的文章，其中談到：“最近，人們利用立體視覺的原理，正在探索綜合運(yùn)用同一地區(qū)的多張不同角度拍攝所得的照片來恢復(fù)出地面的高度信息，以獲得真正的三維地形圖，并已取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展”。顯然，這是計(jì)算機(jī)界從“立體視覺”的角度來描述“數(shù)字?jǐn)z 影測(cè)量”的。由此可以看出，攝影測(cè)量教學(xué)從設(shè)備的角度來看，要比傳統(tǒng)的攝影測(cè)量容易得多；從學(xué)科內(nèi)容的角度來看，其范圍要比傳統(tǒng)的攝影測(cè)量廣泛得多。
從攝影測(cè)量的教學(xué)內(nèi)容來看，由于上述的變革，有關(guān)傳統(tǒng)攝影測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)原理，以及與此有關(guān)的各種控制器的理論，也不言而喻地被淘汰。另外，一些傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容——可能曾被視為攝影測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)，而在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的教學(xué)中，也顯得沒有必要了。
例如：上面所說的6個(gè)Gruber標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，它只是考慮了立體像對(duì)最大的控制范圍，還有一個(gè)多余觀測(cè)值，因此，Gruber 6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的概念一直被沿用到解析攝影測(cè)量，甚至到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的某些系統(tǒng)中。這個(gè)概念不僅被應(yīng)用于立體模型的相對(duì)定向中，而且還被應(yīng)用在空中三角測(cè)量(加密)選點(diǎn)過程中。這個(gè)概念曾對(duì)攝影測(cè)量的發(fā)展起了重要的作用，但是到今天，它可能束縛了我們的思想。假定在“標(biāo)準(zhǔn)”點(diǎn)位上是一片森林、一片水域或者是一大片建筑[]物，而數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中又沒有考慮自動(dòng)分類(分類問題要比自動(dòng)匹配、尋找同名點(diǎn)的問題難得多)，從而它不能自動(dòng)避開有問題的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位。因此，也就妨礙了整個(gè)相對(duì)定向自動(dòng)化系統(tǒng)的成功率。而VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)一開始就放棄了6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的概念的束縛，而由計(jì)算機(jī)在整個(gè)像對(duì)上自動(dòng)選取均勻分布的特征點(diǎn)，且所選的點(diǎn)數(shù)一般在200個(gè)左右，大大地超過了所需的6個(gè)點(diǎn)的要求，從而使相對(duì)定向自動(dòng)化的成功率大大地提高，可以達(dá)到99.99%。
同時(shí)由于觀測(cè)值的數(shù)量大大地超過人工觀測(cè)所需的最低要求，從而使原來粗差理論所研究、討論的問題對(duì)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的影響也顯得有些微不足道。例如：在相對(duì)定向過程中利用6個(gè)Gruber標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行剔除粗差(因?yàn)橹挥幸粋€(gè)多余觀測(cè)值)是十分困難的，但是到了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段，由于相對(duì)定向點(diǎn)位的選擇、匹配都是由計(jì)算機(jī)來完成，它的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，而且可以進(jìn)行批處理，也就是在作業(yè)員休息的時(shí)候，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。因此將相對(duì)定向的點(diǎn)數(shù)從6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位提高到100～200個(gè)，它使得原來只用6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行小樣本觀測(cè)變成為大樣本觀測(cè)，從而大大地提高了成果的可靠性。從下面表格的示例中可以看出：原來的觀測(cè)樣本為185個(gè)，最大誤差為32μ，中誤差為12.5μ；若將誤差大于10μ的點(diǎn)全部刪除，點(diǎn)數(shù)降為95個(gè)點(diǎn)，中誤差降為5.9μ，但是，相對(duì)定向元素變化僅為1/10000。
點(diǎn)數(shù) rms 最大誤差 φ1 κ1 φ2 ω2 κ2
185 12.5μ 32μ -0.0217 0.0268 -0.0157 -0.0139 0.0489
94 5.9μ 10μ -0.0218 0.0267 -0.0156 -0.0140 0.0489
又如過去我們常 把空中三角測(cè)量稱為“加密”。顧名思義就是把按區(qū)域布設(shè)的少量的野外像控點(diǎn)進(jìn)行加密。最終我們所需要的是加密點(diǎn)的坐標(biāo)，提供給下一個(gè)攝影測(cè)量工序進(jìn)行絕對(duì)定向使用。但是，進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以后，“加密點(diǎn)”的涵義只是要將影像連接成航帶、連接成區(qū)域，將整個(gè)區(qū)域的影像連接，構(gòu)成為一個(gè)整體。而在攝影測(cè)量的后續(xù)工序中，并不需要直接利用這些“加密點(diǎn)”，而只需利用由自動(dòng)空中三角測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差所生成的影像的方位元素。而且，在其后續(xù)工序——DEM的生成、正射影像的生成、地物測(cè)繪中，無需進(jìn)行任何定向，從而大大地提高了作業(yè)效率。因此，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，如將空中三角測(cè)量還稱為“加密”，顯然不妥。
從以上的例子可以看出，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以后，很多的觀念必須引起新的思考。當(dāng)然，進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以后，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的本身已經(jīng)與計(jì)算機(jī)立體視覺的概念緊密地聯(lián)系在一起。從而把數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)立體視覺的理論大量地引入了攝影測(cè)量中。因此，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量實(shí)際上是由兩部分組成：一部分是攝影測(cè)量的關(guān)系；而另一部分是模式識(shí)別與視覺。隨著數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，后者的影響將越來越大，但是攝影測(cè)量工作者在這個(gè)過程中間還是大有可為的。因?yàn)榈谝?，攝影測(cè)量工作者了解攝影測(cè)量生產(chǎn)和需要，因此，到目前為止，國際上多數(shù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)是由攝影測(cè)量工作者開發(fā)完成的。第二，攝影測(cè)量工作者熟悉攝影測(cè)量的幾何關(guān)系與平差理論，因此，他們常常會(huì)在模式識(shí)別的理論中引入幾何約束條件，利用最小二乘法獲得最優(yōu)解，如所謂帶有幾何約束條件的最小二乘影像匹配的理論等。
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