天空地多源遥感数据的广义摄影测量学

　　摘要：21世纪以来，随着云计算、大数据、物联网、机器学习等信息技术领域的飞速发展，人类已进入人工智能新时代。摄影测量学科也顺应新一轮科技革命的浪潮，快速发展为全新的广义摄影测量学，其载体平台、仪器设备、数据处理理论技术及应用领域都已发生显著变化，天空地一体化的多传感器多层次综合立体观测技术得到极大发展，全面进入综合智能摄影测量时代。本文提出广义摄影测量学的科学概念，并详细论述其学科内涵、发展特点、研究方向与应用领域。在全新的广义摄影测量框架下，数据获取呈现多视角成像、多模态协同、多时相融合、多尺度联动等特点，数据处理则呈现多特征耦合、多控制约束、多架构处理、多学科交叉等趋势。天空地一体化广义摄影测量学的全面发展和智能服务，尚需在天空地多视角/多模态影像处理、智能信息提取与监测、点云与影像联合建模、无人系统自主导航、智能制造系统视觉检测等方面取得更大突破，形成从天空地多源遥感数据实时/准实时智能几何处理到信息提取服务的完整理论和技术体系，迎接智能化测绘新时代的到来。

　　关键词：广义摄影测量学;天空地一体化综合观测;多传感器集成;多源遥感数据;智能摄影测量

　　1广义摄影测量学的发展背景

　　摄影测量学是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学，通常利用摄影或遥感的手段获取被测物体的影像，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相互关系，起始于19世纪中叶摄影机的发明和立体视觉的发现[1]。传统的摄影测量学科，按照影像获取平台载体类别，可分为航天(卫星)摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量等。

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　　近20年来，随着相关理论技术的进步及应用领域的泛化，其中的界限已不再像过去一样明显，例如航天摄影测量的地面分辨率已达到分米级，完全满足1∶5000比例尺成图的需求[2]，而这是传统航空摄影测量的服务范畴;随着无人飞行器技术的快速发展和消费级数码相机的进步，脱胎于航空摄影测量的低空摄影测量蓬勃发展，分辨率跃升到厘米级甚至毫米级[3-4];而近景摄影测量则由于传感器和平台的进步以及应用范围的扩大，拓展为地面摄影测量、贴近摄影测量、工程摄影测量、工业摄影测量、医学摄影测量等等[5-7]。在摄影测量数据获取仪器方面，则由传统的光学摄影机发展为多镜头倾斜相机、全景相机、视频相机、线阵推扫式相机、多光谱和高光谱相机、激光雷达、微波雷达等多模态传感器，并在定位定姿系统的辅助下，采用多种传感器实现多尺度多角度综合遥感数据获取[8-13]。

　　针对不同的应用需求，这些观测设备能够源源不断地提供不同空间分辨率、时间分辨率和波谱分辨率的遥感图像。可以说，对兴趣区域或目标的天空地一体化的多传感器多层次综合立体观测技术已得到极大发展。在数据处理理论和方法方面，由经典的点摄影测量(共线方程)和线摄影测量(共面方程)模型，发展为点线混合摄影测量[14]和广义点摄影测量[15-16]，为采用多种同名特征和摄影测量网格技术(DPGrid)进行航空航天遥感影像的快速空中三角测量处理奠定了基础[17-18]。

　　随着大数据时代的到来，多源地理空间信息的不断累积尤其是公众地理信息的开放获取，云控制摄影测量的概念应运而生[19]，以带有地理空间信息的数据作为几何控制替代传统的外业控制点，通过自动匹配(或配准)获取大量密集控制信息，实现影像参数全自动解算，进一步加速了摄影测量数据处理的全自动化和智能化步伐[20-22]。近年来，随着云计算、大数据、物联网、人工智能等信息技术领域的飞速发展，人类已进入人工智能新时代，美国已于2018年成立人工智能专门委员会。

　　21世纪以来，数字摄影测量自身的理论和技术已取得长足进步，并正在积极拥抱大数据和人工智能浪潮的到来[23]。摄影测量的发展阶段也从模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量[24，1]，发展到智能摄影测量的新阶段。例如基于人工智能机制的地形地物识别与信息提取、语义专题图制作、变化信息自动监测等应用是数字摄影测量时代多年来可望而不可即的目标，这些成功范例预示着一个全新的时代———智能摄影测量时代的到来[25]。摄影测量应用领域也由影像制图和地形图测绘发展到影像理解与分类[26]、遥感信息提取与目标识别[23]、变化监测[27]、室内外三维建模[28-29]、无人系统智能驾驶[30-31]、深空探测[32-33]、精密工业测量[6，34]、突发灾害应急响应等众多领域[35-36]。

　　美国摄影测量学家、俄亥俄州立大学ToniSchenk教授在他的著作《数字摄影测量》中提到，“摄影测量和猫都有一个共同的也是最重要的特点———都有多条命，摄影测量的终结已经被预测过多次，但是仍然非常具有活力，数字摄影测量更具有使当前的许多问题得到更有效解决的潜力，许多新的问题也可以得到解决”[37]。

　　笔者认为，正如传统测绘学发展为地球空间信息学[38-39]，传统测绘手段发展为泛在测绘[40]，传统地理信息系统发展为空间信息智能服务科学[41]，摄影测量学科也顺应新一轮科技革命的浪潮，快速发展为全新的广义摄影测量学，或称为遥感影像信息学，进入天空地一体化综合智能摄影测量时代。

　　2广义摄影测量学的内涵与特点

　　广义摄影测量学，或称为遥感影像信息学，是利用天空地一体化的多传感器综合观测技术，获取多视角、多模态、多时相、多尺度遥感影像数据，并结合数字摄影测量及计算机视觉等多学科前沿技术，在多源控制资料的辅助下自动化智能化地研究和确定被摄物体的形状、位置、大小、性质及其时序变化关系的一门多学科交叉科学和技术。当前世界科技发展已进入大数据及人工智能新时代，地球空间信息领域也面临新的发展机遇与挑战，数据全球化、处理实时化、服务智能化是国际前沿和热点。

　　在全新的广义摄影测量框架下，天空地多源遥感数据的获取手段及数据处理的理论方法，具有与传统摄影测量显著不同的全新模式和发展趋势，笔者认为总体呈现“八多”态势，且演化趋势十分迅捷。例如天空地多源遥感数据获取方面，呈现多视角成像、多模态协同、多时相融合、多尺度联动等态势，观测手段越来越灵活，数据获取成本大幅下降，更多用户可以使用不同来源、不同视角、不同分辨率、不同时相、甚至不同模态的影像联合完成观测任务。天空地多源遥感数据处理方面，则呈现多特征耦合、多控制约束、多架构处理、多学科交叉等趋势，可以充分发挥多源多重覆盖观测数据的互补性和冗余性优势，并交叉融合多个学科的最新研究成果，构建实时/准实时智能处理技术体系，为天空地多源遥感数据的各领域应用奠定基础。

　　2.1天空地多源遥感数据智能获取

　　2.1.1由单视角向多视角成像发展

　　传统航空摄影测量的主要成像方式为下视成像，即相机主光轴垂直对地，相邻影像间具有一定重叠，从而构成立体影像和区域网。1957年，苏联制造的第一颗人造卫星成功发射到外太空，摄影测量由航空摄影测量迈向了航天摄影测量新阶段，为多视角全球遥感提供了新的途径[1]。各类高分辨率星载相机在对地观测成像时，由于卫星轨道高、相机成像视场角小，相邻轨道的下视影像间无法构成有效的立体观测，因此采用同轨/异轨侧摆机动成像模式，并进一步发展为同轨双线阵和三线阵立体成像，如SPOT-5、ALOS、天绘一号、资源三号、高分七号等，大幅提升了立体观测效率[20，42-43]。

　　为了进一步提升航空影像获取效率，满足智慧城市等应用对于建筑物侧面高清纹理的需求，国内外摄影测量仪器厂商研发了机载多面阵拼接大视场相机、多镜头倾斜摄影测量相机和全景相机等，并在进一步集成化和小型化后，可搭载于低空无人机和地面移动平台[12-13，44]。在观测机制方面，也由传统的单平台获取演进为天空地协同、多平台组网，甚至基于互联网的众包方式获取数据，从而构建多成像视角的天空地多平台综合立体观测模式[38，45]。

　　3广义摄影测量学的若干研究方向

　　相对于非常强大的天空地多源遥感数据获取能力，当前的摄影测量数据处理理论和方法还存在种种制约，遥感信息产品的快速生产和服务能力显著滞后，海量数据堆积与有限信息孤岛并存的矛盾仍然突出。在大数据及人工智能新时代，实景三维中国、信息提取监测、智慧城市建模、自主驾驶、智能制造等应用领域必将取得飞速发展，广义摄影测量学的发展尚需交叉融合多个学科的最新研究成果，在天空地一体化多源数据智能处理的理论技术和应用领域取得更大突破，例如天空地多视角/多模态影像几何处理、多时相影像智能信息提取与动态监测、激光点云与多视角影像联合精细建模、多传感器集成的无人系统自主导航、智能制造系统视觉检测等等，以便充分发挥每个平台、每个传感器、每个谱段、每个有效像元的作用，形成从天空地多源遥感数据几何处理到信息提取和智能决策服务的完整理论和技术体系。

　　4总结与展望

　　随着天空地多源遥感数据获取和摄影测量处理理论方法的进步，以及云计算、大数据、物联网、人工智能等新一轮科技革命浪潮的到来，摄影测量也与计算机视觉、人工智能等多个相关学科交叉融合，发展成为广义摄影测量学，进入天空地一体化综合智能摄影测量新阶段。在广义摄影测量学框架下，天空地多源遥感数据的获取手段及数据处理的理论方法都具有全新的模式和发展趋势，例如天空地多源遥感数据获取方面呈现多视角成像、多模态协同、多时相融合、多尺度联动等态势;而多源遥感数据处理方面则呈现多特征耦合、多控制约束、多架构处理、多学科交叉等趋势。

　　在大数据及人工智能新时代，天空地一体化广义摄影测量学的全面发展和智能服务，尚需尽快开展多学科交叉的创新型高端人才培养，并融合多个学科的最新研究成果，在天空地多视角/多模态影像几何处理、多时相影像智能信息提取与动态监测、激光点云与多视角影像联合精细建模、多传感器集成的无人系统自主导航、智能制造系统视觉检测等领域的理论和技术方面取得更大突破，形成从天空地多源遥感数据实时/准实时智能几何处理到信息提取服务的完整理论和技术体系，为智能化测绘时代天空地多源遥感数据的各领域应用奠定基础。

　　参考文献：

　　[1]龚健雅，季顺平.从摄影测量到计算机视觉[J].武汉大学学报(信息科学版)，2017，42(11)：1518-1522，1615.GONGJianya，JIShunping.Fromphotogrammetrytocomputervision[J].GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity，2017，42(11)：1518-1522，1615.

　　[2]SEFERCIKUG，ALKANM，BUYUKSALIHG，etal.Generationandvalidationofhigh-resolutionDEMsfromWorldview-2stereodata[J].ThePhotogrammetricRecord，2013，28(144)：362-374.

　　[3]ZHANGYongjun，XIONGJinxin，HAOLijuan.Photo-grammetricprocessingoflow-altitudeimagesacquiredbyunpilotedaerialvehicles[J].ThePhotogrammetricRecord，2011，26(134)：190-211.

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　　[5]ZHANGYongjun，ZHANGZuxun，ZHANGJianqing.Auto-maticmeasurementofindustrialsheetmetalpartswithCADdataandnon-metricimagesequence[J].ComputerVisionandImageUnderstanding，2006，102(1)：52-59.

　　作者：张永军，张祖勋，龚健雅