我國航空攝影測量發展現狀

申朝永 趙 靜

(貴州省第三測繪院，貴州貴陽 550004)

航空攝影測量為我們通過另一種方式看世界提供了不一樣的眼睛與視覺。因為直觀性，近二十年來利用航空攝影測量成果進行虛擬三維實景的模擬逐漸成為熱點，現在航空攝影測量已經成為現代測繪及與之相關行業高效且不可或缺的一門技術手段，并且在不斷向更智能化、快捷高效的方向發展。為了更系統地了解我國現代航空攝影測量技術行業的發展狀況，了解現代航測技術應用領域、發展瓶頸及前景等相關信息，對我國航空攝影測量的現狀進行了較詳細地闡述。

1 航空攝影測量概念

根據美國攝影測量與遙感學會ARPRS(Amerisan Society of Photogrammetry and Romote Sensing)的定義，攝影測量為一門透過記錄、量測、判釋像片影像或輻射電磁波的形態或其他現象，以獲得物體及環境之可靠信息的藝術、科學及技術。由于相關軟硬件技術的進步，攝影測量已成為地圖編繪與地形圖制作最準確及行之有效的方法。

早期攝影測量主要應用于測制地形圖、編輯地圖；之后則應用于地面控制加密及運輸路線、管線設計規劃、都市更新計劃等。另外，在地質、土壤、森林、區域規劃等非工程方面亦有廣泛的應用。

航片按照用途分一般有兩種：一為量測攝影測量(Metric Photogrammetry)，主要包括像點的精密量測，求取像點間的距離、角度、面積、高程及物體形狀和大小等信息；一為判釋攝影測量(Interpretative Photogrammetry)，是利用像片上所提供的信息來了解土地利用、自然生態等情況。

2 現代航空攝影測量主要內容

航空攝影測量是通過搭載精密攝影機的飛行器對地面進行像片拍攝，作業過程分為飛行航空攝影(外業)及工作站影像處理(內業)兩大部分。

2.1 飛行航空攝影(外業)

(1)像片控制點聯測

像片控制點一般是航攝前在地面上布設的標志點，也可選用像片上的明顯地物點(如道路交叉點等)，用普通測量方法測定其平面坐標和高程。

(2)像片調繪

是圖像判讀、調查和繪注等工作的總稱。在像片上通過判讀，用規定的地形圖符號繪注地物、地貌等要素，測繪沒有影像的和新增的重要地物，注記通過調查所得的地名等。通過像片調繪所得到的像片稱為調繪片。調繪工作可分為室內、野外和兩者相結合的3種方法。

(3)航空攝影測量參數設計

如航帶、航高等的設計。

(4)航攝過程

空中攝影及導航等工作。

2.2 工作站影像處理(內業)

(1)測圖控制點的加密

整個流程又細分為創建工程、加入原始航空影像、生成影像金字塔、輸入航空影像拍攝的相關參數、點位量測及空中三角測量等。

(2)空三成果制作

主要是制作數字地形模型，制作正射影像及鑲嵌數字地形模型及正射影像。

2.3 航空攝影像片的質量控制

航空攝影像片的質量是外業主要考慮和控制的內容，而高質量像片須具備幾個條件。大氣無云的天氣：拍攝區域被云層覆蓋的話，不僅被云層遮蓋的地面信息減少或消失，且在進行影像匹配時也會有不利的影響；航高要盡量低：航高越低，則在影像尺寸不變的情況下，影像的地面分辨率會越高。為了達到立體模型效果，航片拍攝的航向重疊度一般要求在60%以上。而考慮到空中攝影會因航線偏流、偏向、行高變化及地形起伏變化而引起航帶間的空隙，航攝的旁向重疊度最少要在15%以上。為了保證航片質量，應避免使用邊緣畸變較大的像片，旁向重疊度一般要設定為30%。若航向和旁向重疊度不夠的話，點位匹配出現錯誤的情形會大大增加，直接影響到內業空中三角測量演算的正確性及準確性，也會大大增加后續正射影像和數字地形模型DEM生成的錯誤性。適當的拍攝時間：拍攝時間需考慮日照的角度與強度，日照角度過低，易造成陰影遮蔽使可用信息減少，甚至可能影響DEM生成的真實性，日照強度過強或偏弱，則會造成地表特征物的識別度降低，一天中最佳的拍攝時間應該是11：00～15：00之間。

2.4 影響航空攝影成果的因素

內業處理過程是運用軟件程序對原始的航空影像進行處理，生產正射影像DOM及數字地形模型DEM的過程。對原始航空影像的處理過程也是空中三角測量過程，指的是通過像點坐標來決定該點空間坐標的作業程序。為了建立可供量測的立體模型，模型中須有平面及高程控制點，借由這些控制點來完成模型在空間上的絕對定位，進而求得拍攝區域任意點的真實地面坐標。經過空中三角測量后，可以確定相機、影像和地面間的數學關系(即準確的內外方位元素)，地面匹配連接點的地面三維坐標；由地面控制點的誤差值可了解定位的精度及誤差。

在整個空中三角測量過程中不得不說的一個概念是影像匹配技術，它是攝影測量邁入自動化的第一步，主要是通過一定的方法對兩幅或多幅影像的內容，特征，結構，關系，紋理及灰度等的對應關系、相似性和一致性進行分析，尋求相同影像目標和識別同名點的過程。根據匹配原理及方法的不同，大致有三種分類，即區域匹配(Area-based Matching)、特征匹配(Feature-based Matching)、關聯式匹配(Relation-based Matching)。

而影響空中三角測量精度的因素有以下幾項。

(1)控制點精度。控制點的精度直接影響到匹配點的精度及正確性，而經驗表明此過程應注意：控制點盡量選擇在地面上，如道路交叉口、操場轉角、湖泊和田埂等較尖銳的特征點，避免選擇具有高程的地表特征物，如屋角、樹頂，因其高程所引起的視差會影響控制點的精確度。而每張影像至少需要3個控制點，具體數量根據影像的質量、大小及形狀特征適當增加。理論上來說，控制點越多，匹配的影像應該越準確，但控制點本身的精度要高。

(2)外在條件。包括相機類型、區域形狀及大小、像片航向及旁向重疊度、比例尺大小、航高、控制點及匹配連接點的數量、輔助資料的使用。

(3)系統誤差。鏡頭畸變差、折光率、地球曲率、底片變形等。

(4)人為誤差即對點位的識別力。

3 我國航空攝影測量現狀

3.1 應用需求分析

隨著航空攝影測量技術的更新與進步，生產作業時間大大縮短，其成果的應用也逐漸廣泛，不僅在資源普查、災害調查與分析、現代城市管理過程中發揮著非常重要的作用，也使得以往只能通過經驗判斷和估計的工程及研究有了量化的可能性。對于傳統的航測過程來說，航空攝影測量技術的更新與進步也大大減少了航測外業的工作量，提高了航測成圖的效率。根據應用分類，其需求領域主要體現在以下幾個方面。

(1)現代數字測繪的發展趨勢及基礎空間數據的全覆蓋和現勢性需求

社會經濟快速發展，社會公共服務和廣大電子產品市場需要及時更新和齊全的基礎空間信息數據，而傳統基礎空間信息數據的測量以及更新主要是以野外的人工測制進行，這種方式獲取的數據形式較單一，大面積數據更新速度慢，費用高，已經不能完全滿足土地管理、城市規劃、城市管理與建設等的需要。基于航攝的數字測繪成果種類豐富，大面積更新速度快，野外工作量小，能夠滿足大范圍、全覆蓋、現勢性要求強的基礎空間信息數據需求。以航空攝影測量這種適應現代數字測繪發展趨勢的測繪方式，定期對基礎空間數據及數據庫進行更新是社會發展的迫切需求。

(2)豐富地理信息資源的需求

航空攝影測量可以提供多種尺度分辨率、多時態、局部或者大面積地域范圍的4D信息產品，涵蓋了DOM(數字正射影像)、DEM(數字高程模型)、DLG(數字線劃地圖)和DTM(數字地形模型)成果。豐富的地理信息資源，以及二維、三維數據表達相結合，不僅能夠更加生動的表達測區的現實狀況，也方便用戶更直觀的了解理解測區的具體情況，甚至可以模擬電力、交通、管道等多項工程的效果和成果狀態，為智能化科學化的工程決策提供支撐和基礎保障。此外，豐富的地理信息資源更是多樣化地理信息市場應用的基礎，能夠直接促進地理信息產業的快速發展。

(3)政策科學制定及有效決策的需求

客觀、現勢的地理信息，能全面反映土地、礦產、水利、旅游、文化、教育、人口等資源狀況以及基礎設施情況。航空攝影測量是獲取測繪地理信息數據的主要來源，政府和企業需要在廣泛掌握攝影成果基礎上結合專業信息進行分析、判斷，才能夠制定科學的開發政策和合理配置資源，準確地把經濟建設、資源開發、土地管理、生態建設、環境保護、產業結構調整有機結合起來，進行有效決策。因此，航測是輔助和保障政策的科學制定和有效決策的重要方式。

(4)動態監管的需求

不論是開展農林業的退耕還林進展和效果調查，還是土地利用和礦山開采的執法監測；不論是開展地理國情監測，還是城市動態擴張、城市化進程、發展趨勢預測，都要求航空攝影測量對大面積區域范圍影像的實時更新，以準確掌握市情市力，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測信息，推進政府工作和政府建設。

(5)資源環境調查、地災預防及公共應急救急測繪保障服務的需求

自然資源是區域發展的基礎，對資源的動態監測和安全狀況評估可以為區域政策實施結果評價及發展戰略規劃調整提供依據。國土資源、礦產資源、林業資源、水資源調查及環境保護等都需要全覆蓋現勢性強的航攝成果數據。

充分利用高分辨率航空遙感數據，發揮遙感影像處理技術優勢，針對土地利用、耕地與森林保護、水資源、道路交通等重要地理信息，實施定期監測與統計分析，不僅能夠定期充分了解一個地區的地理環境狀態，更可以分析其發展趨勢，對可能發生的災害及規模進行預防與估計，減少地災發生時的經濟財產損失。當發生滑坡，泥石流等緊急災情時，航空攝影測量資料將是第一手實時反映災區狀況的數據，為政府及有關部門的搶災救災決策提供技術支持和決策依據。

(6)各項規劃設計的需求

要提高城市經濟整體發展水平和現代化程度，必須提升城市科學規劃水平，加快城市基礎設施建設，優化城市資源配置，構建科學合理的城市空間布局。航攝成果所反映的地形、地貌、交通、水系、資源分布等基礎地理信息是規劃城鎮的功能和空間布局十分重要的基礎和依據，通過整合航攝成果信息和社會經濟及其他信息，可為城鎮的規劃、設計、施工和管理提供廣泛的信息支持。其中，水利設施的規劃需要地形、地貌資料的支持，鐵路、公路、水電、石油線路選線及規劃需要以基礎地理信息作為基礎進行設計，機場建設、重點工程建設的前期可行性研究需要現勢性好、準確度高的地理信息作為支撐，流域環境治理，山塘、水庫清淤等也需要提供地形數據及航攝影像數據，對其實施動態監控和管理。

3.2 存在的主要問題

(1)成果的廣泛性和現勢性不能滿足使用需求

盡管國家對一部分重點城市進行了航空遙感影像的廣覆蓋，各省市根據自身情況也進行了相應的補充和擴充，較發達地區的航空影像覆蓋能夠基本滿足基礎地理信息的需求及更新，但是欠發達地區不論從覆蓋度還是影像精度上都不能完全滿足當地基礎地理空間數據對影像的需求。以貴陽市為例，現有的航空影像數據不能滿足當地土地管理、城市規劃、城市管理與建設的需要，尤其缺少大比例尺的市域范圍全覆蓋航空影像；且現有基礎數據生產時間嚴重滯后，成果的現勢性不能完全保障社會經濟的發展及公眾多樣化應用的使用需求。

(2)管理薄弱，更新機制不完善，數據利用率低

近年我國的航空攝影測量在各行業的應用發展迅猛，而相對應的航攝技術規范、管理辦法、成果質量檢查、過程監督、成果共享，還包括長期有效的數據更新機制等方面都尚缺乏統一的標準和完善的機制，加之某些部門對航攝的應用和作用認識不夠全面，導致航攝效率和成果的利用率較低。缺乏長效的更新機制，不能保障航攝的相關投入和數據的定期更新，也使得航攝成果數據的連續性降低，導致很多依靠某個時間段的部門分析決策無法進行，降低了航攝的意義，阻礙了航攝的發展。

(3)航空攝影測量的智能化程度有待進一步提升

相對于傳統攝影測量來說，航空攝影測量的發展基本上把人力從作業中解放了出來，大大縮短了成圖時間和提升了成圖效率，野外作業的減少也改善了從業人員的工作環境。但是現代流程化的航空攝影測量作業程序因為很多關鍵技術尚未攻關及完善，在實際的操作中還不能完全實現全智能化，內業作業的工作量還比較大也較龐雜。主要體現在：航空影像的矢量化過程需要較大的人工干預，尚無法進行精度高且準確的自動化成圖；部分數據必須在人工的判斷下編繪完成；各種攝影測量及編繪軟件之間的轉換使用存在較大的不一致，致使轉換過程中的部分信息丟失、錯亂，增加了作業人員工作量。

3.3 發展趨勢

(1)航攝的發展必將促進我國基礎地理信息數據庫的優化及更新

隨著數字時代的到來，數字化的基礎地理信息的應用深入到社會經濟生活領域的各個方面，航空攝影測量生產的基礎測繪數據因其效率及成本相對較低，將成為基礎地理信息數據庫更新和擴充的重要手段和方式，完善地理基礎信息數據庫，包括：地理實體數據、地圖線劃數據、影像數據、DEM數據和三維虛擬現實數據等，以滿足公眾生活、城市規劃、土地利用規劃、道路選線及設計、電力選線及設計、水利建設、生態保護及環境保護等對數據多樣性的需求。

(2)航攝的發展是“數字城市”建設與發展的重要保障

“數字城市”地理空間框架建設是利用計算機技術、地理信息技術、全球定位系統、遙感技術等多種高新技術手段，建立多尺度、多分辨率、多種類的城市地理空間信息數據庫，形成統一的、權威的，擴展性好、集成性強的開放式城市地理空間信息公共平臺，實現地理空間信息的統一存儲與資源共享，促進城市地理信息資源的整合利用。航攝不僅能夠為數字城市建設提供現勢性強的高分辨率航空影像，且能在此基礎上生產數字城市建設必須的DLG數據、DEM數據及基于影像和DEM數據的三維地形數據，以滿足數字城市建設的數據集合、地圖瀏覽、查詢、其他相關測量與計算的需求。

(3)地理國情監測的推進將進一步促進航攝的應用

地理國情監測關鍵技術的突破和應用示范是國家《測繪地理信息科技發展“十二五”規劃》的一項重大科技任務。航空攝影測量作為現代測繪和信息技術的重要支撐力量，在全面獲取地形地貌變化、交通路網發展、地表覆蓋演變、城市擴張、水系變遷等地理要素變化信息時能夠發揮關鍵性的作用，為建設地理國情監測系統提供保障。此外，綜合分析航攝成果，定期對各類地理國情信息進行統計分析，能逐步揭示地理國情信息的分布特征、內在聯系及發展演化規律，揭示經濟社會發展和自然資源環境在地理空間上的變化和演進趨勢。

(4)航攝技術走向智能化、集成化、快速化

計算機技術的快速更新，各種軟件、硬件的更新發展必將推進航攝技術由現在的在人工干預下完成向全自動化流程化智能化發展，而這種發展趨勢又將帶動航攝技術向其他需要航攝產品卻因現在人工干預下無法快速完成處理獲得的相關領域應用得到擴展，其數據和產品與其他領域產品的結合與集成也將更廣泛。

5 結束語

綜上所述，航空攝影測量技術在現階段及之前的應用雖然成績斐然，但是其技術應用主要還穩定和局限于基礎數據的供給上，在現代快速發展的其他數字領域的應用尚未有較好的開發，主要原因還是其技術本身在效率及產品的豐富化多樣化方面還需進一步挖掘與分析。為此，航空攝影不論是在本身的產品生產過程領域技術的提升還是在其應用分析領域的挖掘與擴展都還任重道遠，當然，這也正是航空攝影發展的大機遇。

[1] 孫永旺.無人機航空攝影測量技術在核電廠址測量中的應用[J].城市建設理論研究，2011(1)