攝影測量學(xué)的前世、今生與未來(lái)

　　什么是攝影測量？
　　攝影測量學(xué)是一門(mén)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(jiǎn)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(lái)拼湊攝影測量的理論基礎，我們會(huì )發(fā)現攝影與測量是這樣相親相愛(ài)的?
　　透視變換的幾何原理
　　攝影測量理論基礎拼圖的第一個(gè)板塊是透視變換的幾何原理。離開(kāi)透視變換，就無(wú)法計算相片中物體的形狀位置信息。
　　也就是說(shuō)，如果沒(méi)有透視變換，就算你拍出的照片再精美，也無(wú)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，展現出物體的三維特征。

幾何透視變換

　　文藝復興初期的意大利建筑師布魯內萊斯基（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(huà)家。馬薩喬（Masaccio，1401-1428），是第一個(gè)運用透視法的畫(huà)家。

透視窗。從左到右分別是：模特、透視窗、對著(zhù)透視窗臨摹的畫(huà)家

　　十九世紀中葉，法國測量學(xué)家和攝影測量學(xué)的先驅Fourcade首先發(fā)現了用立體照片可重建立體視覺(jué)，從而促進(jìn)了攝影測量的誕生。此處高亮“雙目視覺(jué)”的概念。
　　成像設備
　　幾何透視變換和雙目視覺(jué)理論的發(fā)展為攝影和測量牽上了線(xiàn)，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？不，用我們學(xué)術(shù)期刊的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，叫，成像設備。
　　19世紀早期，德國教授舒爾茲發(fā)現銀的混合物在日光下會(huì )變黑。1839年，法國畫(huà)家達蓋爾發(fā)明了銀版攝影法，并制作了世界上第一臺真正的照相機。
　　1969年，貝爾實(shí)驗室的博伊爾和史密斯發(fā)明了一種稱(chēng)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體單晶材料。
　　看到這里，相信無(wú)數老法師小伙伴已經(jīng)露出了欣慰或心酸的微笑，膠片/數碼相機的出現，讓許多人在“單反窮三代”和“毒、德味、大師、學(xué)習了”的大坑中越陷越深，也讓攝影測量有了最關(guān)鍵的工具。

哈蘇數碼相機

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

傳統測繪地形圖 -------> 航片

　　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，成熟的飛行平臺是重要的組成部分。
　　18世紀，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上了天。
　　以航天飛行器為載體的攝影測量應運而生。第一次世界大戰中，首臺航攝儀問(wèn)世、立體坐標量測儀和1318立體測圖儀投入使用。

　　1957年，第一顆衛星被發(fā)射到外太空，同時(shí)開(kāi)啟了衛星攝影測量時(shí)代。
　　2000年前后，各國陸續開(kāi)始深空探測項目，雖然沒(méi)有“深空攝影測量”的明確說(shuō)法，攝影測量學(xué)者對基于光學(xué)的深空探測項目也貢獻良多。

月球車(chē)玉兔

　　攝影測量多樣化的攝影平臺如下圖所示：

上排：手持儀器架、地面移動(dòng)測圖系統、無(wú)人機；
下排：無(wú)人飛艇、國產(chǎn)運12航攝飛機、測繪衛星；
中排：嫦娥月球探測車(chē)

　　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合。
　　根據測量工具的演進(jìn)，將攝影測量的發(fā)展區分為三個(gè)時(shí)代。

各個(gè)時(shí)代的部分儀器如下：

　　由此我們可以總結出：
　　狹義的攝影測量
　　根據一系列像片，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。
　　攝影測量數學(xué)基礎
　　透視幾何、核線(xiàn)幾何與光束法區域網(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、DRG、DLG、專(zhuān)題圖、各級縮編地圖等等。

　　什么是計算機視覺(jué)？
　　如果說(shuō)攝影測量學(xué)是攝影與測量這對好基友結合的產(chǎn)物，那么計算機視覺(jué)和攝影測量就可以說(shuō)是離散多年的兄弟了。
　　兩者在定義、目的、經(jīng)典算法、概念稱(chēng)呼等都有精妙的類(lèi)似之處。
　　計算機視覺(jué)的定義可簡(jiǎn)單概括為“用計算機代替人眼，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……
　　再看看計算機視覺(jué)的數學(xué)基礎：透視幾何、核線(xiàn)幾何、多視幾何、光束法平差……
　　最后看看視覺(jué)幾何的應用 ：

人對著(zhù)棋盤(pán)網(wǎng)格攝影，以檢校相機內參數

用SLAM獲得的半密集的三維map

采用圖割法生成室內模型的深度圖

汽車(chē)三維模型的構建

　　可見(jiàn)，僅從視覺(jué)中的幾何出發(fā)，兩門(mén)學(xué)科具有相同的理論基礎，差別甚少。而且，技術(shù)細節上也有許多相近的實(shí)例。
　　20世紀90年代后，攝影測量與計算機視覺(jué)都得到物理和技術(shù)領(lǐng)域的強大推動(dòng)，兩個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者們都在處理相似的問(wèn)題，但也有細微的區別。將兩門(mén)學(xué)科的細微區別與同源等價(jià)之處總結歸納（藍色為區別，紫色為等價(jià)）。

　　計算機視覺(jué)的經(jīng)典著(zhù)作是Marr在1982年發(fā)表的《視覺(jué)：從計算的視角研究人的視覺(jué)信息表達與處理》，詳細分析了二維圖像的表達、立體圖像的對應和重建、算法以及硬件的實(shí)現。
　　如果僅僅只有這些細微的差別，這兩門(mén)學(xué)科早就合而為一了。兩者間的區別主要在于數據源和應用。
　　如果用表格來(lái)表示，兩者應用之間的區別為：

　　攝影測量中以地面移動(dòng)測量系統(mobile mapping system, MMS)采集道路和街景；而計算機視覺(jué)同樣關(guān)注道路信息(以及室內場(chǎng)景)的提取與重建，并應用于機器人、城市地圖、智能交通和自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，并由此產(chǎn)生了一個(gè)稱(chēng)為同時(shí)定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping, SLAM)的研究支流。

同時(shí)定位與地圖構建(SLAM)

　　早期的SLAM以激光掃描儀為主，這也是名詞中mapping的由來(lái)；后來(lái)基于視覺(jué)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(guò)激光掃描獲得，也可通過(guò)圖像匹配獲得。
　　遙感、機器學(xué)習與未來(lái)
　　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(wèn)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(wèn)題，與語(yǔ)義方向的計算機視覺(jué)、模式識別、機器學(xué)習等異曲同工。
　　但遙感中的數據源不同于計算機視覺(jué)，光譜段被大大擴充（至多光譜）并細化（至高光譜）。

遙感的電磁波譜

　　這些輻射信息有利于解決農業(yè)、測繪、環(huán)境、地質(zhì)和地理所關(guān)心的宏觀(guān)問(wèn)題，如土地利用覆蓋分類(lèi)、農作物趨勢分析、大氣的長(cháng)期變化監測、泥石流和洪水等自然災害的評估與預測。

　　因為數據源的特殊性，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，基于統計學(xué)習的思想被廣泛應用于攝影測量與遙感、計算機視覺(jué)。
　　而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )模型和感知機，在2000年后更名為“深度學(xué)習”，并大有一統天下的趨勢。大量實(shí)驗表明，在圖像分類(lèi)、物體識別、語(yǔ)音識別、遙感應用等關(guān)于學(xué)習和語(yǔ)義的研究領(lǐng)域，深度學(xué)習都占據上風(fēng)。
　　目前，許多攝影測量與遙感中的實(shí)際應用，如道路網(wǎng)的提取、作物的精細分類(lèi)、車(chē)牌和交通標志的識別等，都逐漸被深度學(xué)習占領(lǐng)，傳統方法僅能保住深度學(xué)習無(wú)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)習出最優(yōu)的函數模型，但它無(wú)法解釋該模型如何構建以及模型背后的含義，并導致傳統、優(yōu)雅的理論研究工作被缺乏激情、簡(jiǎn)單的“調參”所取代。這種缺失，將機器學(xué)習和人工智能帶往何方，依然是一個(gè)需要長(cháng)期思考的問(wèn)題。

　　由此，我們可以回答
　　攝影測量到底是一個(gè)什么樣的專(zhuān)業(yè)？
　　攝影測量學(xué)是一門(mén)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。
　　攝影和測量這兩項看似八竿子打不著(zhù)的職業(yè)是如何成為好基友并孕育出一門(mén)學(xué)科的呢？
　　四個(gè)拼圖板塊：透視變換的幾何原理、成像設備、載體、測量法和測量工具
　　計算機視覺(jué)和攝影測量是什么關(guān)系？
　　有區別也有聯(lián)系，幾何上同源，應用上區別。與計算機視覺(jué)、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(jiàn)光到多光譜高光譜信息，出現了一些新的算法。
　　人工智能、深度學(xué)習和攝影測量學(xué)的發(fā)展有什么關(guān)系？
　　人工智能和深度學(xué)習應用于攝影測量學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮了重要作用。
　　未來(lái)的攝影測量學(xué)會(huì )是怎樣的？
　　作為一門(mén)古老的應用型學(xué)科，攝影測量的許多研究?jì)热?，特別是幾何部分已經(jīng)成熟。然而，受到傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和相關(guān)數學(xué)理論的推動(dòng)，它也一直處于持續發(fā)展中。特別是平臺技術(shù)，除了現有的航空、航天、無(wú)人機和車(chē)載平臺，攝影測量也逐漸向著(zhù)深空、水下和地下平臺發(fā)展。此外，與計算機視覺(jué)、機器學(xué)習、人工智能等專(zhuān)業(yè)的進(jìn)一步交叉融合，是攝影測量與遙感學(xué)科向著(zhù)更深的理論基礎、更廣泛的應用前景和更實(shí)際的自動(dòng)化解題能力前進(jìn)的必然之路。

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