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攝影測量學(xué)的前世、今生與未來

發(fā)布日期:2018-04-16 00:00 瀏覽量:12303

  什么是攝影測量?
  攝影測量學(xué)是一門利用光學(xué)像片研究被攝物體的形狀、位置、大小、特性及相互位置關(guān)系的學(xué)科。簡而言之,就是一攝影為工具,以測量為目的。
  如果我們用拼圖來拼湊攝影測量的理論基礎(chǔ),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)攝影與測量是這樣相親相愛的?
  透視變換的幾何原理
  攝影測量理論基礎(chǔ)拼圖的第一個(gè)板塊是透視變換的幾何原理。離開透視變換,就無法計(jì)算相片中物體的形狀位置信息。
  也就是說,如果沒有透視變換,就算你拍出的照片再精美,也無法從照片測量出什么有用信息
  有了透視變換,我們才能在二維的紙張/照片上,展現(xiàn)出物體的三維特征。

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幾何透視變換

  文藝復(fù)興初期的意大利建筑師布魯內(nèi)萊斯基(Brunelleschi,1377-1446),真正建立了幾何意義上的透視法。他啟發(fā)了同時(shí)代的畫家。馬薩喬(Masaccio,1401-1428),是第一個(gè)運(yùn)用透視法的畫家。

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透視窗。從左到右分別是:模特、透視窗、對著透視窗臨摹的畫家

  十九世紀(jì)中葉,法國測量學(xué)家和攝影測量學(xué)的先驅(qū)Fourcade首先發(fā)現(xiàn)了用立體照片可重建立體視覺,從而促進(jìn)了攝影測量的誕生。此處高亮“雙目視覺”的概念。
  成像設(shè)備
  幾何透視變換和雙目視覺理論的發(fā)展為攝影和測量牽上了線,然而要想共乘友誼之舟不翻船,需要一個(gè)重要的工具:
  相機(jī)?不,用我們學(xué)術(shù)期刊的專業(yè)術(shù)語,叫,成像設(shè)備。
  19世紀(jì)早期,德國教授舒爾茲發(fā)現(xiàn)銀的混合物在日光下會(huì)變黑。1839年,法國畫家達(dá)蓋爾發(fā)明了銀版攝影法,并制作了世界上第一臺(tái)真正的照相機(jī)。
  1969年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的博伊爾和史密斯發(fā)明了一種稱作為電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)的元件,這是一種高感光度的半導(dǎo)體單晶材料。
  看到這里,相信無數(shù)老法師小伙伴已經(jīng)露出了欣慰或心酸的微笑,膠片/數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn),讓許多人在“單反窮三代”和“毒、德味、大師、學(xué)習(xí)了”的大坑中越陷越深,也讓攝影測量有了最關(guān)鍵的工具。

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哈蘇數(shù)碼相機(jī)

  在其后漫長的歲月里,相機(jī)和照片幫助人們將野外測量工作搬運(yùn)至室內(nèi)?!眱?nèi)業(yè)“工作成為主體,照片替代了三腳架、經(jīng)緯儀和標(biāo)尺,成了主要的研究對象。

傳統(tǒng)測繪地形圖 -------> 航片

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攝影測量5.jpeg

  載 體
  攝影測量的第3個(gè)板塊是載體。狹義上的攝影測量一般指航空攝影測量,成熟的飛行平臺(tái)是重要的組成部分。
  18世紀(jì),西方的孟格菲兄弟重新發(fā)明熱氣球,并于1783年第一次載人航行。
  一年后,法國的羅伯特兄弟乘坐氫氣球飛上天空。
  1858年,法國攝影師納達(dá)爾乘坐氣球拍攝了世界上第一張航空影像。
  1903年,萊特兄弟駕駛自制的世界上第一架飛機(jī)上了天。
  以航天飛行器為載體的攝影測量應(yīng)運(yùn)而生。
第一次世界大戰(zhàn)中,首臺(tái)航攝儀問世、立體坐標(biāo)量測儀和1318立體測圖儀投入使用。


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  1957年,第一顆衛(wèi)星被發(fā)射到外太空,同時(shí)開啟了衛(wèi)星攝影測量時(shí)代。
  2000年前后,各國陸續(xù)開始深空探測項(xiàng)目,雖然沒有“深空攝影測量”的明確說法,攝影測量學(xué)者對基于光學(xué)的深空探測項(xiàng)目也貢獻(xiàn)良多。

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月球車玉兔

  攝影測量多樣化的攝影平臺(tái)如下圖所示:

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上排:手持儀器架、地面移動(dòng)測圖系統(tǒng)、無人機(jī);
下排:無人飛艇、國產(chǎn)運(yùn)12航攝飛機(jī)、測繪衛(wèi)星;
中排:嫦娥月球探測車

  測量法和測量工具
  1795年,年僅18歲的高斯發(fā)明了最小二乘法。
  1959年,德國的Schmid教授提出光束法區(qū)域網(wǎng)平差,這是小孔成像的物理原理與最小二乘的完美結(jié)合。
  根據(jù)測量工具的演進(jìn),將攝影測量的發(fā)展區(qū)分為三個(gè)時(shí)代。


2.jpg  


各個(gè)時(shí)代的部分儀器如下:

攝影測量9.jpeg

  由此我們可以總結(jié)出:
  狹義的攝影測量
  根據(jù)一系列像片,利用三角測量獲取像片的位置和姿態(tài),并交會(huì)出所攝物體的位置和深度。
  攝影測量數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
  透視幾何、核線幾何與光束法區(qū)域網(wǎng)平差(bundle adjustment)(代表作: 王之卓.攝影測量原理,1990)。
  攝影測量產(chǎn)品
  DEM、DOM、DRGDLG、專題圖、各級縮編地圖等等。

攝影測量10.jpeg

  什么是計(jì)算機(jī)視覺?
  如果說攝影測量學(xué)是攝影與測量這對好基友結(jié)合的產(chǎn)物,那么計(jì)算機(jī)視覺和攝影測量就可以說是離散多年的兄弟了。
  兩者在定義、目的、經(jīng)典算法、概念稱呼等都有精妙的類似之處。
  計(jì)算機(jī)視覺的定義可簡單概括為“用計(jì)算機(jī)代替人眼,從圖片中重建和解譯世界”。
  看看這些經(jīng)典的算法和算子:Canny邊緣檢測、Shape from Shading、Hough 變換、LoG(Laplace of Gaussian)等……
  再看看計(jì)算機(jī)視覺的數(shù)學(xué)基礎(chǔ):透視幾何、核線幾何、多視幾何、光束法平差……
  最后看看視覺幾何的應(yīng)用 :

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人對著棋盤網(wǎng)格攝影,以檢校相機(jī)內(nèi)參數(shù)

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用SLAM獲得的半密集的三維map

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采用圖割法生成室內(nèi)模型的深度圖

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汽車三維模型的構(gòu)建

  可見,僅從視覺中的幾何出發(fā),兩門學(xué)科具有相同的理論基礎(chǔ),差別甚少。而且,技術(shù)細(xì)節(jié)上也有許多相近的實(shí)例。
  20世紀(jì)90年代后,攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺都得到物理和技術(shù)領(lǐng)域的強(qiáng)大推動(dòng),兩個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者們都在處理相似的問題,但也有細(xì)微的區(qū)別。將兩門學(xué)科的細(xì)微區(qū)別與同源等價(jià)之處總結(jié)歸納(藍(lán)色為區(qū)別,紫色為等價(jià))。

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  計(jì)算機(jī)視覺的經(jīng)典著作是Marr在1982年發(fā)表的《視覺:從計(jì)算的視角研究人的視覺信息表達(dá)與處理》,詳細(xì)分析了二維圖像的表達(dá)、立體圖像的對應(yīng)和重建、算法以及硬件的實(shí)現(xiàn)。
  如果僅僅只有這些細(xì)微的差別,這兩門學(xué)科早就合而為一了。兩者間的區(qū)別主要在于數(shù)據(jù)源和應(yīng)用。
  如果用表格來表示,兩者應(yīng)用之間的區(qū)別為:

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  攝影測量中以地面移動(dòng)測量系統(tǒng)(mobile mapping system, MMS)采集道路和街景;而計(jì)算機(jī)視覺同樣關(guān)注道路信息(以及室內(nèi)場景)的提取與重建,并應(yīng)用于機(jī)器人、城市地圖、智能交通和自動(dòng)駕駛汽車中,并由此產(chǎn)生了一個(gè)稱為同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping, SLAM)的研究支流。

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同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)

  早期的SLAM以激光掃描儀為主,這也是名詞中mapping的由來;后來基于視覺的SLAM,即Visual SLAM成為主流,并與攝影測量特別是實(shí)時(shí)攝影測量在各個(gè)研究點(diǎn)上(匹配、平差、定位和重建)都有共通之處。
  SLAM與空三的明顯區(qū)別在于,SLAM定位的同時(shí)生成了半密集點(diǎn)云,這些點(diǎn)云可以通過激光掃描獲得,也可通過圖像匹配獲得。
  遙感、機(jī)器學(xué)習(xí)與未來
  遙感是攝影測量的延伸。在攝影測量已經(jīng)解決大部分幾何問題的前提下,遙感的工作重點(diǎn)就集中在“解譯”上。
  解譯是回答“是什么”和“為什么”的問題,與語義方向的計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等異曲同工。
  但遙感中的數(shù)據(jù)源不同于計(jì)算機(jī)視覺,光譜段被大大擴(kuò)充(至多光譜)并細(xì)化(至高光譜)。

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遙感的電磁波譜

  這些輻射信息有利于解決農(nóng)業(yè)、測繪、環(huán)境、地質(zhì)和地理所關(guān)心的宏觀問題,如土地利用覆蓋分類、農(nóng)作物趨勢分析、大氣的長期變化監(jiān)測、泥石流和洪水等自然災(zāi)害的評估與預(yù)測。

攝影測量19.jpeg

  因?yàn)閿?shù)據(jù)源的特殊性,遙感領(lǐng)域也發(fā)展了一些特有的算法。

  1956年提出“人工智能”的概念后,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的思想被廣泛應(yīng)用于攝影測量與遙感、計(jì)算機(jī)視覺。
  而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型和感知機(jī),在2000年后更名為“深度學(xué)習(xí)”,并大有一統(tǒng)天下的趨勢。大量實(shí)驗(yàn)表明,在圖像分類、物體識(shí)別、語音識(shí)別、遙感應(yīng)用等關(guān)于學(xué)習(xí)和語義的研究領(lǐng)域,深度學(xué)習(xí)都占據(jù)上風(fēng)。
  目前,許多攝影測量與遙感中的實(shí)際應(yīng)用,如道路網(wǎng)的提取、作物的精細(xì)分類、車牌和交通標(biāo)志的識(shí)別等,都逐漸被深度學(xué)習(xí)占領(lǐng),傳統(tǒng)方法僅能保住深度學(xué)習(xí)無法涉及之處,即幾何領(lǐng)域。這也是大勢所趨。
  雖然理論上多層網(wǎng)絡(luò)確實(shí)可能學(xué)習(xí)出最優(yōu)的函數(shù)模型,但它無法解釋該模型如何構(gòu)建以及模型背后的含義,并導(dǎo)致傳統(tǒng)、優(yōu)雅的理論研究工作被缺乏激情、簡單的“調(diào)參”所取代。這種缺失,將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能帶往何方,依然是一個(gè)需要長期思考的問題。

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  由此,我們可以回答
  攝影測量到底是一個(gè)什么樣的專業(yè)?
  攝影測量學(xué)是一門利用光學(xué)像片研究被攝物體的形狀、位置、大小、特性及相互位置關(guān)系的學(xué)科。
  攝影和測量這兩項(xiàng)看似八竿子打不著的職業(yè)是如何成為好基友并孕育出一門學(xué)科的呢?
  四個(gè)拼圖板塊:透視變換的幾何原理、成像設(shè)備、載體、測量法和測量工具
  計(jì)算機(jī)視覺和攝影測量是什么關(guān)系?
  有區(qū)別也有聯(lián)系,幾何上同源,應(yīng)用上區(qū)別。與計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等學(xué)科的進(jìn)一步交叉融合是攝影測量發(fā)展的必然之路。
  遙感和攝影測量是什么關(guān)系?
  遙感是攝影測量的延伸,從可見光到多光譜高光譜信息,出現(xiàn)了一些新的算法。
  人工智能、深度學(xué)習(xí)和攝影測量學(xué)的發(fā)展有什么關(guān)系?
  人工智能和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于攝影測量學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域,發(fā)揮了重要作用。
  未來的攝影測量學(xué)會(huì)是怎樣的?
  作為一門古老的應(yīng)用型學(xué)科,攝影測量的許多研究內(nèi)容,特別是幾何部分已經(jīng)成熟。然而,受到傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)數(shù)學(xué)理論的推動(dòng),它也一直處于持續(xù)發(fā)展中。特別是平臺(tái)技術(shù),除了現(xiàn)有的航空、航天、無人機(jī)和車載平臺(tái),攝影測量也逐漸向著深空、水下和地下平臺(tái)發(fā)展。此外,與計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等專業(yè)的進(jìn)一步交叉融合,是攝影測量與遙感學(xué)科向著更深的理論基礎(chǔ)、更廣泛的應(yīng)用前景和更實(shí)際的自動(dòng)化解題能力前進(jìn)的必然之路。

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