攝影(yǐng)測量學的(de)前世、今生與未來(lái)

　　什(shén)麽是攝影(yǐng)測量？
　　攝影(yǐng)測量學是一門利用(yòng)光(guāng)學像片研究被攝物(wù)體的(de)形狀、位置、大(dà)小、特性及相互位置關系的(de)學科。簡而言之，就是一攝影(yǐng)爲工具，以測量爲目的(de)。
　　如果我們用(yòng)拼圖來(lái)拼湊攝影(yǐng)測量的(de)理(lǐ)論基礎，我們會發現攝影(yǐng)與測量是這(zhè)樣相親相愛(ài)的(de)?
　　透視變換的(de)幾何原理(lǐ)
　　攝影(yǐng)測量理(lǐ)論基礎拼圖的(de)第一個(gè)闆塊是透視變換的(de)幾何原理(lǐ)。離開透視變換，就無法計算(suàn)相片中物(wù)體的(de)形狀位置信息。
　　也(yě)就是說，如果沒有透視變換，就算(suàn)你拍(pāi)出的(de)照(zhào)片再精美(měi)，也(yě)無法從照(zhào)片測量出什(shén)麽有用(yòng)信息
　　有了(le)透視變換，我們才能在二維的(de)紙張/照(zhào)片上，展現出物(wù)體的(de)三維特征。

幾何透視變換

　　文藝複興初期的(de)意大(dà)利建築師布魯内萊斯基（Brunelleschi，1377-1446），真正建立了(le)幾何意義上的(de)透視法。他(tā)啓發了(le)同時(shí)代的(de)畫(huà)家。馬薩喬（Masaccio，1401-1428），是第一個(gè)運用(yòng)透視法的(de)畫(huà)家。

透視窗(chuāng)。從左到右分(fēn)别是：模特、透視窗(chuāng)、對(duì)著(zhe)透視窗(chuāng)臨摹的(de)畫(huà)家

　　十九世紀中葉，法國測量學家和(hé)攝影(yǐng)測量學的(de)先驅Fourcade首先發現了(le)用(yòng)立體照(zhào)片可(kě)重建立體視覺，從而促進了(le)攝影(yǐng)測量的(de)誕生。此處高(gāo)亮“雙目視覺”的(de)概念。
　　成像設備
　　幾何透視變換和(hé)雙目視覺理(lǐ)論的(de)發展爲攝影(yǐng)和(hé)測量牽上了(le)線，然而要想共乘友誼之舟不翻船，需要一個(gè)重要的(de)工具：
　　相機？不，用(yòng)我們學術期刊的(de)專業術語，叫，成像設備。
　　19世紀早期，德國教授舒爾茲發現銀的(de)混合物(wù)在日光(guāng)下(xià)會變黑(hēi)。1839年，法國畫(huà)家達蓋爾發明(míng)了(le)銀版攝影(yǐng)法，并制作了(le)世界上第一台真正的(de)照(zhào)相機。
　　1969年，貝爾實驗室的(de)博伊爾和(hé)史密斯發明(míng)了(le)一種稱作爲電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）的(de)元件，這(zhè)是一種高(gāo)感光(guāng)度的(de)半導體單晶材料。
　　看到這(zhè)裏，相信無數老法師小夥伴已經露出了(le)欣慰或心酸的(de)微笑(xiào)，膠片/數碼相機的(de)出現，讓許多(duō)人(rén)在“單反窮三代”和(hé)“毒、德味、大(dà)師、學習(xí)了(le)”的(de)大(dà)坑中越陷越深，也(yě)讓攝影(yǐng)測量有了(le)最關鍵的(de)工具。

哈蘇數碼相機

　　在其後漫長(cháng)的(de)歲月(yuè)裏，相機和(hé)照(zhào)片幫助人(rén)們将野外測量工作搬運至室内。”内業“工作成爲主體，照(zhào)片替代了(le)三腳架、經緯儀和(hé)标尺，成了(le)主要的(de)研究對(duì)象。

傳統測繪地形圖 -------> 航片

　　載 體
　　攝影(yǐng)測量的(de)第３個(gè)闆塊是載體。狹義上的(de)攝影(yǐng)測量一般指航空攝影(yǐng)測量，成熟的(de)飛(fēi)行平台是重要的(de)組成部分(fēn)。
　　18世紀，西方的(de)孟格菲兄弟(dì)重新發明(míng)熱(rè)氣球，并于1783年第一次載人(rén)航行。
　　一年後，法國的(de)羅伯特兄弟(dì)乘坐(zuò)氫氣球飛(fēi)上天空。
　　1858年，法國攝影(yǐng)師納達爾乘坐(zuò)氣球拍(pāi)攝了(le)世界上第一張航空影(yǐng)像。
　　1903年，萊特兄弟(dì)駕駛自制的(de)世界上第一架飛(fēi)機上了(le)天。
　　以航天飛(fēi)行器爲載體的(de)攝影(yǐng)測量應運而生。第一次世界大(dà)戰中，首台航攝儀問世、立體坐(zuò)标量測儀和(hé)1318立體測圖儀投入使用(yòng)。

　　1957年，第一顆衛星被發射到外太空，同時(shí)開啓了(le)衛星攝影(yǐng)測量時(shí)代。
　　2000年前後，各國陸續開始深空探測項目，雖然沒有“深空攝影(yǐng)測量”的(de)明(míng)确說法，攝影(yǐng)測量學者對(duì)基于光(guāng)學的(de)深空探測項目也(yě)貢獻良多(duō)。

月(yuè)球車玉兔

　　攝影(yǐng)測量多(duō)樣化(huà)的(de)攝影(yǐng)平台如下(xià)圖所示：

上排：手持儀器架、地面移動測圖系統、無人(rén)機；
下(xià)排：無人(rén)飛(fēi)艇、國産運12航攝飛(fēi)機、測繪衛星；
中排：嫦娥月(yuè)球探測車

　　測量法和(hé)測量工具
　　1795年，年僅18歲的(de)高(gāo)斯發明(míng)了(le)最小二乘法。
　　1959年，德國的(de)Schmid教授提出光(guāng)束法區(qū)域網平差，這(zhè)是小孔成像的(de)物(wù)理(lǐ)原理(lǐ)與最小二乘的(de)完美(měi)結合。
　　根據測量工具的(de)演進，将攝影(yǐng)測量的(de)發展區(qū)分(fēn)爲三個(gè)時(shí)代。

各個(gè)時(shí)代的(de)部分(fēn)儀器如下(xià)：

　　由此我們可(kě)以總結出：
　　狹義的(de)攝影(yǐng)測量
　　根據一系列像片，利用(yòng)三角測量獲取像片的(de)位置和(hé)姿态，并交會出所攝物(wù)體的(de)位置和(hé)深度。
　　攝影(yǐng)測量數學基礎
　　透視幾何、核線幾何與光(guāng)束法區(qū)域網平差（bundle adjustment）（代表作： 王之卓.攝影(yǐng)測量原理(lǐ)，1990）。
　　攝影(yǐng)測量産品
　　DEM、DOM、DRG、DLG、專題圖、各級縮編地圖等等。

　　什(shén)麽是計算(suàn)機視覺？
　　如果說攝影(yǐng)測量學是攝影(yǐng)與測量這(zhè)對(duì)好基友結合的(de)産物(wù)，那麽計算(suàn)機視覺和(hé)攝影(yǐng)測量就可(kě)以說是離散多(duō)年的(de)兄弟(dì)了(le)。
　　兩者在定義、目的(de)、經典算(suàn)法、概念稱呼等都有精妙的(de)類似之處。
　　計算(suàn)機視覺的(de)定義可(kě)簡單概括爲“用(yòng)計算(suàn)機代替人(rén)眼，從圖片中重建和(hé)解譯世界”。
　　看看這(zhè)些經典的(de)算(suàn)法和(hé)算(suàn)子：Canny邊緣檢測、Shape from Shading、Hough 變換、LoG（Laplace of Gaussian）等……
　　再看看計算(suàn)機視覺的(de)數學基礎：透視幾何、核線幾何、多(duō)視幾何、光(guāng)束法平差……
　　最後看看視覺幾何的(de)應用(yòng) ：

人(rén)對(duì)著(zhe)棋盤網格攝影(yǐng)，以檢校相機内參數

用(yòng)SLAM獲得(de)的(de)半密集的(de)三維map

采用(yòng)圖割法生成室内模型的(de)深度圖

汽車三維模型的(de)構建

　　可(kě)見，僅從視覺中的(de)幾何出發，兩門學科具有相同的(de)理(lǐ)論基礎，差别甚少。而且，技術細節上也(yě)有許多(duō)相近的(de)實例。
　　20世紀90年代後，攝影(yǐng)測量與計算(suàn)機視覺都得(de)到物(wù)理(lǐ)和(hé)技術領域的(de)強大(dà)推動，兩個(gè)領域的(de)學者們都在處理(lǐ)相似的(de)問題，但也(yě)有細微的(de)區(qū)别。将兩門學科的(de)細微區(qū)别與同源等價之處總結歸納（藍色爲區(qū)别，紫色爲等價）。

　　計算(suàn)機視覺的(de)經典著作是Marr在1982年發表的(de)《視覺：從計算(suàn)的(de)視角研究人(rén)的(de)視覺信息表達與處理(lǐ)》，詳細分(fēn)析了(le)二維圖像的(de)表達、立體圖像的(de)對(duì)應和(hé)重建、算(suàn)法以及硬件的(de)實現。
　　如果僅僅隻有這(zhè)些細微的(de)差别，這(zhè)兩門學科早就合而爲一了(le)。兩者間的(de)區(qū)别主要在于數據源和(hé)應用(yòng)。
　　如果用(yòng)表格來(lái)表示，兩者應用(yòng)之間的(de)區(qū)别爲：

　　攝影(yǐng)測量中以地面移動測量系統(mobile mapping system, MMS)采集道路和(hé)街(jiē)景；而計算(suàn)機視覺同樣關注道路信息(以及室内場(chǎng)景)的(de)提取與重建，并應用(yòng)于機器人(rén)、城(chéng)市地圖、智能交通(tōng)和(hé)自動駕駛汽車中，并由此産生了(le)一個(gè)稱爲同時(shí)定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping, SLAM)的(de)研究支流。

同時(shí)定位與地圖構建(SLAM)

　　早期的(de)SLAM以激光(guāng)掃描儀爲主，這(zhè)也(yě)是名詞中mapping的(de)由來(lái)；後來(lái)基于視覺的(de)SLAM，即Visual SLAM成爲主流，并與攝影(yǐng)測量特别是實時(shí)攝影(yǐng)測量在各個(gè)研究點上(匹配、平差、定位和(hé)重建)都有共通(tōng)之處。
　　SLAM與空三的(de)明(míng)顯區(qū)别在于，SLAM定位的(de)同時(shí)生成了(le)半密集點雲，這(zhè)些點雲可(kě)以通(tōng)過激光(guāng)掃描獲得(de)，也(yě)可(kě)通(tōng)過圖像匹配獲得(de)。
　　遙感、機器學習(xí)與未來(lái)
　　遙感是攝影(yǐng)測量的(de)延伸。在攝影(yǐng)測量已經解決大(dà)部分(fēn)幾何問題的(de)前提下(xià)，遙感的(de)工作重點就集中在“解譯”上。
　　解譯是回答(dá)“是什(shén)麽”和(hé)“爲什(shén)麽”的(de)問題，與語義方向的(de)計算(suàn)機視覺、模式識别、機器學習(xí)等異曲同工。
　　但遙感中的(de)數據源不同于計算(suàn)機視覺，光(guāng)譜段被大(dà)大(dà)擴充（至多(duō)光(guāng)譜）并細化(huà)（至高(gāo)光(guāng)譜）。

遙感的(de)電磁波譜

　　這(zhè)些輻射信息有利于解決農業、測繪、環境、地質和(hé)地理(lǐ)所關心的(de)宏觀問題，如土地利用(yòng)覆蓋分(fēn)類、農作物(wù)趨勢分(fēn)析、大(dà)氣的(de)長(cháng)期變化(huà)監測、泥石流和(hé)洪水(shuǐ)等自然災害的(de)評估與預測。

　　因爲數據源的(de)特殊性，遙感領域也(yě)發展了(le)一些特有的(de)算(suàn)法。

　　1956年提出“人(rén)工智能”的(de)概念後，基于統計學習(xí)的(de)思想被廣泛應用(yòng)于攝影(yǐng)測量與遙感、計算(suàn)機視覺。
　　而神經元網絡模型和(hé)感知機，在2000年後更名爲“深度學習(xí)”，并大(dà)有一統天下(xià)的(de)趨勢。大(dà)量實驗表明(míng)，在圖像分(fēn)類、物(wù)體識别、語音(yīn)識别、遙感應用(yòng)等關于學習(xí)和(hé)語義的(de)研究領域，深度學習(xí)都占據上風。
　　目前，許多(duō)攝影(yǐng)測量與遙感中的(de)實際應用(yòng)，如道路網的(de)提取、作物(wù)的(de)精細分(fēn)類、車牌和(hé)交通(tōng)标志的(de)識别等，都逐漸被深度學習(xí)占領，傳統方法僅能保住深度學習(xí)無法涉及之處，即幾何領域。這(zhè)也(yě)是大(dà)勢所趨。
　　雖然理(lǐ)論上多(duō)層網絡确實可(kě)能學習(xí)出最優的(de)函數模型，但它無法解釋該模型如何構建以及模型背後的(de)含義，并導緻傳統、優雅的(de)理(lǐ)論研究工作被缺乏激情、簡單的(de)“調參”所取代。這(zhè)種缺失，将機器學習(xí)和(hé)人(rén)工智能帶往何方，依然是一個(gè)需要長(cháng)期思考的(de)問題。

　　由此，我們可(kě)以回答(dá)
　　攝影(yǐng)測量到底是一個(gè)什(shén)麽樣的(de)專業？
　　攝影(yǐng)測量學是一門利用(yòng)光(guāng)學像片研究被攝物(wù)體的(de)形狀、位置、大(dà)小、特性及相互位置關系的(de)學科。
　　攝影(yǐng)和(hé)測量這(zhè)兩項看似八竿子打不著(zhe)的(de)職業是如何成爲好基友并孕育出一門學科的(de)呢(ne)？
　　四個(gè)拼圖闆塊：透視變換的(de)幾何原理(lǐ)、成像設備、載體、測量法和(hé)測量工具
　　計算(suàn)機視覺和(hé)攝影(yǐng)測量是什(shén)麽關系？
　　有區(qū)别也(yě)有聯系，幾何上同源，應用(yòng)上區(qū)别。與計算(suàn)機視覺、人(rén)工智能等學科的(de)進一步交叉融合是攝影(yǐng)測量發展的(de)必然之路。
　　遙感和(hé)攝影(yǐng)測量是什(shén)麽關系？
　　遙感是攝影(yǐng)測量的(de)延伸，從可(kě)見光(guāng)到多(duō)光(guāng)譜高(gāo)光(guāng)譜信息，出現了(le)一些新的(de)算(suàn)法。
　　人(rén)工智能、深度學習(xí)和(hé)攝影(yǐng)測量學的(de)發展有什(shén)麽關系？
　　人(rén)工智能和(hé)深度學習(xí)應用(yòng)于攝影(yǐng)測量學的(de)多(duō)個(gè)領域，發揮了(le)重要作用(yòng)。
　　未來(lái)的(de)攝影(yǐng)測量學會是怎樣的(de)？
　　作爲一門古老的(de)應用(yòng)型學科，攝影(yǐng)測量的(de)許多(duō)研究内容，特别是幾何部分(fēn)已經成熟。然而，受到傳感器技術、計算(suàn)機技術和(hé)相關數學理(lǐ)論的(de)推動，它也(yě)一直處于持續發展中。特别是平台技術，除了(le)現有的(de)航空、航天、無人(rén)機和(hé)車載平台，攝影(yǐng)測量也(yě)逐漸向著(zhe)深空、水(shuǐ)下(xià)和(hé)地下(xià)平台發展。此外，與計算(suàn)機視覺、機器學習(xí)、人(rén)工智能等專業的(de)進一步交叉融合，是攝影(yǐng)測量與遙感學科向著(zhe)更深的(de)理(lǐ)論基礎、更廣泛的(de)應用(yòng)前景和(hé)更實際的(de)自動化(huà)解題能力前進的(de)必然之路。

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