我国航空摄影测量发展现状

申朝永 赵 静

(贵州省第三测绘院，贵州贵阳 550004)

航空摄影测量为我们通过另一种方式看世界提供了不一样的眼睛与视觉。因为直观性，近二十年来利用航空摄影测量成果进行虚拟三维实景的模拟逐渐成为热点，现在航空摄影测量已经成为现代测绘及与之相关行业高效且不可或缺的一门技术手段，并且在不断向更智能化、快捷高效的方向发展。为了更系统地了解我国现代航空摄影测量技术行业的发展状况，了解现代航测技术应用领域、发展瓶颈及前景等相关信息，对我国航空摄影测量的现状进行了较详细地阐述。

1 航空摄影测量概念

根据美国摄影测量与遥感学会ARPRS(Amerisan Society of Photogrammetry and Romote Sensing)的定义，摄影测量为一门透过记录、量测、判释像片影像或辐射电磁波的形态或其他现象，以获得物体及环境之可靠信息的艺术、科学及技术。由于相关软硬件技术的进步，摄影测量已成为地图编绘与地形图制作最准确及行之有效的方法。

早期摄影测量主要应用于测制地形图、编辑地图；之后则应用于地面控制加密及运输路线、管线设计规划、都市更新计划等。另外，在地质、土壤、森林、区域规划等非工程方面亦有广泛的应用。

航片按照用途分一般有两种：一为量测摄影测量(Metric Photogrammetry)，主要包括像点的精密量测，求取像点间的距离、角度、面积、高程及物体形状和大小等信息；一为判释摄影测量(Interpretative Photogrammetry)，是利用像片上所提供的信息来了解土地利用、自然生态等情况。

2 现代航空摄影测量主要内容

航空摄影测量是通过搭载精密摄影机的飞行器对地面进行像片拍摄，作业过程分为飞行航空摄影(外业)及工作站影像处理(内业)两大部分。

2.1 飞行航空摄影(外业)

(1)像片控制点联测

像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点，也可选用像片上的明显地物点(如道路交叉点等)，用普通测量方法测定其平面坐标和高程。

(2)像片调绘

是图像判读、调查和绘注等工作的总称。在像片上通过判读，用规定的地形图符号绘注地物、地貌等要素，测绘没有影像的和新增的重要地物，注记通过调查所得的地名等。通过像片调绘所得到的像片称为调绘片。调绘工作可分为室内、野外和两者相结合的3种方法。

(3)航空摄影测量参数设计

如航带、航高等的设计。

(4)航摄过程

空中摄影及导航等工作。

2.2 工作站影像处理(内业)

(1)测图控制点的加密

整个流程又细分为创建工程、加入原始航空影像、生成影像金字塔、输入航空影像拍摄的相关参数、点位量测及空中三角测量等。

(2)空三成果制作

主要是制作数字地形模型，制作正射影像及镶嵌数字地形模型及正射影像。

2.3 航空摄影像片的质量控制

航空摄影像片的质量是外业主要考虑和控制的内容，而高质量像片须具备几个条件。大气无云的天气：拍摄区域被云层覆盖的话，不仅被云层遮盖的地面信息减少或消失，且在进行影像匹配时也会有不利的影响；航高要尽量低：航高越低，则在影像尺寸不变的情况下，影像的地面分辨率会越高。为了达到立体模型效果，航片拍摄的航向重叠度一般要求在60%以上。而考虑到空中摄影会因航线偏流、偏向、行高变化及地形起伏变化而引起航带间的空隙，航摄的旁向重叠度最少要在15%以上。为了保证航片质量，应避免使用边缘畸变较大的像片，旁向重叠度一般要设定为30%。若航向和旁向重叠度不够的话，点位匹配出现错误的情形会大大增加，直接影响到内业空中三角测量演算的正确性及准确性，也会大大增加后续正射影像和数字地形模型DEM生成的错误性。适当的拍摄时间：拍摄时间需考虑日照的角度与强度，日照角度过低，易造成阴影遮蔽使可用信息减少，甚至可能影响DEM生成的真实性，日照强度过强或偏弱，则会造成地表特征物的识别度降低，一天中最佳的拍摄时间应该是11：00～15：00之间。

2.4 影响航空摄影成果的因素

内业处理过程是运用软件程序对原始的航空影像进行处理，生产正射影像DOM及数字地形模型DEM的过程。对原始航空影像的处理过程也是空中三角测量过程，指的是通过像点坐标来决定该点空间坐标的作业程序。为了建立可供量测的立体模型，模型中须有平面及高程控制点，借由这些控制点来完成模型在空间上的绝对定位，进而求得拍摄区域任意点的真实地面坐标。经过空中三角测量后，可以确定相机、影像和地面间的数学关系(即准确的内外方位元素)，地面匹配连接点的地面三维坐标；由地面控制点的误差值可了解定位的精度及误差。

在整个空中三角测量过程中不得不说的一个概念是影像匹配技术，它是摄影测量迈入自动化的第一步，主要是通过一定的方法对两幅或多幅影像的内容，特征，结构，关系，纹理及灰度等的对应关系、相似性和一致性进行分析，寻求相同影像目标和识别同名点的过程。根据匹配原理及方法的不同，大致有三种分类，即区域匹配(Area-based Matching)、特征匹配(Feature-based Matching)、关联式匹配(Relation-based Matching)。

而影响空中三角测量精度的因素有以下几项。

(1)控制点精度。控制点的精度直接影响到匹配点的精度及正确性，而经验表明此过程应注意：控制点尽量选择在地面上，如道路交叉口、操场转角、湖泊和田埂等较尖锐的特征点，避免选择具有高程的地表特征物，如屋角、树顶，因其高程所引起的视差会影响控制点的精确度。而每张影像至少需要3个控制点，具体数量根据影像的质量、大小及形状特征适当增加。理论上来说，控制点越多，匹配的影像应该越准确，但控制点本身的精度要高。

(2)外在条件。包括相机类型、区域形状及大小、像片航向及旁向重叠度、比例尺大小、航高、控制点及匹配连接点的数量、辅助资料的使用。

(3)系统误差。镜头畸变差、折光率、地球曲率、底片变形等。

(4)人为误差即对点位的识别力。

3 我国航空摄影测量现状

3.1 应用需求分析

随着航空摄影测量技术的更新与进步，生产作业时间大大缩短，其成果的应用也逐渐广泛，不仅在资源普查、灾害调查与分析、现代城市管理过程中发挥着非常重要的作用，也使得以往只能通过经验判断和估计的工程及研究有了量化的可能性。对于传统的航测过程来说，航空摄影测量技术的更新与进步也大大减少了航测外业的工作量，提高了航测成图的效率。根据应用分类，其需求领域主要体现在以下几个方面。

(1)现代数字测绘的发展趋势及基础空间数据的全覆盖和现势性需求

社会经济快速发展，社会公共服务和广大电子产品市场需要及时更新和齐全的基础空间信息数据，而传统基础空间信息数据的测量以及更新主要是以野外的人工测制进行，这种方式获取的数据形式较单一，大面积数据更新速度慢，费用高，已经不能完全满足土地管理、城市规划、城市管理与建设等的需要。基于航摄的数字测绘成果种类丰富，大面积更新速度快，野外工作量小，能够满足大范围、全覆盖、现势性要求强的基础空间信息数据需求。以航空摄影测量这种适应现代数字测绘发展趋势的测绘方式，定期对基础空间数据及数据库进行更新是社会发展的迫切需求。

(2)丰富地理信息资源的需求

航空摄影测量可以提供多种尺度分辨率、多时态、局部或者大面积地域范围的4D信息产品，涵盖了DOM(数字正射影像)、DEM(数字高程模型)、DLG(数字线划地图)和DTM(数字地形模型)成果。丰富的地理信息资源，以及二维、三维数据表达相结合，不仅能够更加生动的表达测区的现实状况，也方便用户更直观的了解理解测区的具体情况，甚至可以模拟电力、交通、管道等多项工程的效果和成果状态，为智能化科学化的工程决策提供支撑和基础保障。此外，丰富的地理信息资源更是多样化地理信息市场应用的基础，能够直接促进地理信息产业的快速发展。

(3)政策科学制定及有效决策的需求

客观、现势的地理信息，能全面反映土地、矿产、水利、旅游、文化、教育、人口等资源状况以及基础设施情况。航空摄影测量是获取测绘地理信息数据的主要来源，政府和企业需要在广泛掌握摄影成果基础上结合专业信息进行分析、判断，才能够制定科学的开发政策和合理配置资源，准确地把经济建设、资源开发、土地管理、生态建设、环境保护、产业结构调整有机结合起来，进行有效决策。因此，航测是辅助和保障政策的科学制定和有效决策的重要方式。

(4)动态监管的需求

不论是开展农林业的退耕还林进展和效果调查，还是土地利用和矿山开采的执法监测；不论是开展地理国情监测，还是城市动态扩张、城市化进程、发展趋势预测，都要求航空摄影测量对大面积区域范围影像的实时更新，以准确掌握市情市力，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测信息，推进政府工作和政府建设。

(5)资源环境调查、地灾预防及公共应急救急测绘保障服务的需求

自然资源是区域发展的基础，对资源的动态监测和安全状况评估可以为区域政策实施结果评价及发展战略规划调整提供依据。国土资源、矿产资源、林业资源、水资源调查及环境保护等都需要全覆盖现势性强的航摄成果数据。

充分利用高分辨率航空遥感数据，发挥遥感影像处理技术优势，针对土地利用、耕地与森林保护、水资源、道路交通等重要地理信息，实施定期监测与统计分析，不仅能够定期充分了解一个地区的地理环境状态，更可以分析其发展趋势，对可能发生的灾害及规模进行预防与估计，减少地灾发生时的经济财产损失。当发生滑坡，泥石流等紧急灾情时，航空摄影测量资料将是第一手实时反映灾区状况的数据，为政府及有关部门的抢灾救灾决策提供技术支持和决策依据。

(6)各项规划设计的需求

要提高城市经济整体发展水平和现代化程度，必须提升城市科学规划水平，加快城市基础设施建设，优化城市资源配置，构建科学合理的城市空间布局。航摄成果所反映的地形、地貌、交通、水系、资源分布等基础地理信息是规划城镇的功能和空间布局十分重要的基础和依据，通过整合航摄成果信息和社会经济及其他信息，可为城镇的规划、设计、施工和管理提供广泛的信息支持。其中，水利设施的规划需要地形、地貌资料的支持，铁路、公路、水电、石油线路选线及规划需要以基础地理信息作为基础进行设计，机场建设、重点工程建设的前期可行性研究需要现势性好、准确度高的地理信息作为支撑，流域环境治理，山塘、水库清淤等也需要提供地形数据及航摄影像数据，对其实施动态监控和管理。

3.2 存在的主要问题

(1)成果的广泛性和现势性不能满足使用需求

尽管国家对一部分重点城市进行了航空遥感影像的广覆盖，各省市根据自身情况也进行了相应的补充和扩充，较发达地区的航空影像覆盖能够基本满足基础地理信息的需求及更新，但是欠发达地区不论从覆盖度还是影像精度上都不能完全满足当地基础地理空间数据对影像的需求。以贵阳市为例，现有的航空影像数据不能满足当地土地管理、城市规划、城市管理与建设的需要，尤其缺少大比例尺的市域范围全覆盖航空影像；且现有基础数据生产时间严重滞后，成果的现势性不能完全保障社会经济的发展及公众多样化应用的使用需求。

(2)管理薄弱，更新机制不完善，数据利用率低

近年我国的航空摄影测量在各行业的应用发展迅猛，而相对应的航摄技术规范、管理办法、成果质量检查、过程监督、成果共享，还包括长期有效的数据更新机制等方面都尚缺乏统一的标准和完善的机制，加之某些部门对航摄的应用和作用认识不够全面，导致航摄效率和成果的利用率较低。缺乏长效的更新机制，不能保障航摄的相关投入和数据的定期更新，也使得航摄成果数据的连续性降低，导致很多依靠某个时间段的部门分析决策无法进行，降低了航摄的意义，阻碍了航摄的发展。

(3)航空摄影测量的智能化程度有待进一步提升

相对于传统摄影测量来说，航空摄影测量的发展基本上把人力从作业中解放了出来，大大缩短了成图时间和提升了成图效率，野外作业的减少也改善了从业人员的工作环境。但是现代流程化的航空摄影测量作业程序因为很多关键技术尚未攻关及完善，在实际的操作中还不能完全实现全智能化，内业作业的工作量还比较大也较庞杂。主要体现在：航空影像的矢量化过程需要较大的人工干预，尚无法进行精度高且准确的自动化成图；部分数据必须在人工的判断下编绘完成；各种摄影测量及编绘软件之间的转换使用存在较大的不一致，致使转换过程中的部分信息丢失、错乱，增加了作业人员工作量。

3.3 发展趋势

(1)航摄的发展必将促进我国基础地理信息数据库的优化及更新

随着数字时代的到来，数字化的基础地理信息的应用深入到社会经济生活领域的各个方面，航空摄影测量生产的基础测绘数据因其效率及成本相对较低，将成为基础地理信息数据库更新和扩充的重要手段和方式，完善地理基础信息数据库，包括：地理实体数据、地图线划数据、影像数据、DEM数据和三维虚拟现实数据等，以满足公众生活、城市规划、土地利用规划、道路选线及设计、电力选线及设计、水利建设、生态保护及环境保护等对数据多样性的需求。

(2)航摄的发展是“数字城市”建设与发展的重要保障

“数字城市”地理空间框架建设是利用计算机技术、地理信息技术、全球定位系统、遥感技术等多种高新技术手段，建立多尺度、多分辨率、多种类的城市地理空间信息数据库，形成统一的、权威的，扩展性好、集成性强的开放式城市地理空间信息公共平台，实现地理空间信息的统一存储与资源共享，促进城市地理信息资源的整合利用。航摄不仅能够为数字城市建设提供现势性强的高分辨率航空影像，且能在此基础上生产数字城市建设必须的DLG数据、DEM数据及基于影像和DEM数据的三维地形数据，以满足数字城市建设的数据集合、地图浏览、查询、其他相关测量与计算的需求。

(3)地理国情监测的推进将进一步促进航摄的应用

地理国情监测关键技术的突破和应用示范是国家《测绘地理信息科技发展“十二五”规划》的一项重大科技任务。航空摄影测量作为现代测绘和信息技术的重要支撑力量，在全面获取地形地貌变化、交通路网发展、地表覆盖演变、城市扩张、水系变迁等地理要素变化信息时能够发挥关键性的作用，为建设地理国情监测系统提供保障。此外，综合分析航摄成果，定期对各类地理国情信息进行统计分析，能逐步揭示地理国情信息的分布特征、内在联系及发展演化规律，揭示经济社会发展和自然资源环境在地理空间上的变化和演进趋势。

(4)航摄技术走向智能化、集成化、快速化

计算机技术的快速更新，各种软件、硬件的更新发展必将推进航摄技术由现在的在人工干预下完成向全自动化流程化智能化发展，而这种发展趋势又将带动航摄技术向其他需要航摄产品却因现在人工干预下无法快速完成处理获得的相关领域应用得到扩展，其数据和产品与其他领域产品的结合与集成也将更广泛。

5 结束语

综上所述，航空摄影测量技术在现阶段及之前的应用虽然成绩斐然，但是其技术应用主要还稳定和局限于基础数据的供给上，在现代快速发展的其他数字领域的应用尚未有较好的开发，主要原因还是其技术本身在效率及产品的丰富化多样化方面还需进一步挖掘与分析。为此，航空摄影不论是在本身的产品生产过程领域技术的提升还是在其应用分析领域的挖掘与扩展都还任重道远，当然，这也正是航空摄影发展的大机遇。

[1] 孙永旺.无人机航空摄影测量技术在核电厂址测量中的应用[J].城市建设理论研究，2011(1)