數字航空攝影測量關鍵技術研究

李賢虎

隨著測繪技術、信息技術和計算機技術的迅速發(fā)展,航空攝影測量技術也有了前所未有的發(fā)展和進步,其空間數據獲取已從單一的野外測量發(fā)展到內外業(yè)綜合以內業(yè)為主的采集方式。當前,陸地資源衛(wèi)星、星載SAR、機載激光雷達、航空攝影等方式成為空間數據獲取的主要技術手段,而傳統(tǒng)儀器測量成為這些技術手段的輔助。

1數字航空攝影測量的最新進展與應用領域

自本世紀初數字航空相機問世以來,ADS40、DMC、UCD、SWDC等航空攝影儀不斷涌現,近幾年GPS技術、慣導技術、數碼掃描、激光掃描、雷達等高精端技術與航空攝影的緊密結合,形成了多種航空攝影新技術,如GPS輔助航空攝影技術、IMLJ(POS)/DGPS輔助航空攝影技術、利用高解像率的CCD陣列取代膠片,獲取地面的地物地貌光譜數字信息的數字航攝儀、SAR合成孔徑雷達成像系統(tǒng)、LIDAR激光測高掃描系統(tǒng)等,也在推動著數字航空攝影測量的發(fā)展。

數字航空攝影測量技術主要應用于高效率的地圖數據更新、城市規(guī)劃服務和土地測量、GIS/LIS數據庫以及資源環(huán)境管理中的理想的專題制圖和三維數據采集、林業(yè)、農業(yè)、土地利用、地質等領域的地理數據獲取等,還可廣泛用于城市建筑、城市環(huán)境工程、城市交通、水利工程、礦山測量、考古、地質、醫(yī)療、生物、材料力學、工業(yè)測量等領域。

2航空攝影測量數據處理關鍵技術

2.1 空三加密

利用VirtuoZoAAT+Pat-B自動空三加密模塊,以數碼航片作為空三加密的原始數據,運用Pat-B平差軟件進行光束法區(qū)域網平差。通過航測內業(yè)方法(包括內定向、相對定向、公共連接點的轉刺)構建空中三角網,并將外業(yè)控制點成果和POS數據導入系統(tǒng)按嚴密的數字模型進行區(qū)域整體平差,得到優(yōu)化后的外方位元素和加密點成果。

以航測外業(yè)已劃分的區(qū)域分區(qū)為內業(yè)空三加密的基本單元。使用數字攝影測量系統(tǒng)采集像點坐標,采用解析空三平差程序解算大地坐標。加密分區(qū)間參加大地定向的公共像控點必須是唯一的,即同點號、同坐標值。加密限差按GB 7930-87《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》有關規(guī)定執(zhí)行。加密分區(qū)間必須接邊,作業(yè)完成后應填寫圖歷表,輸出加密成果(作業(yè)說明、外業(yè)控制點分布略圖、加密點分布略圖、外業(yè)像控點坐標、加密點坐標、大地定向、檢查點坐標、接邊點坐標和檢驗報告等)。

2.2 數字正射影像圖(DOM)數據生產

2.2.1 技術路線

本文研究利用Virtuozo全數字攝影測量系統(tǒng)工作站進行1∶1000數字正射影像圖DOM的制作。在全數字攝影測量工作站中,導入空三成果恢復測區(qū)并創(chuàng)建立體像對,作業(yè)生產區(qū)域DEM數據,并用特征點、線參與計算修改生成DEM。利用DEM數據對原始影像進行數字微分糾正,通過自動生成的鑲嵌線對整個測區(qū)的模型正射影像進行無縫拼接,并最終完成數字正射影像圖。最后按40cm×50cm矩形圖廓對影像進行分幅裁切,形成DOM數據成果。

2.2.2 DEM生產

利用空三成果,自動建立測區(qū)立體模型及其參數文件,在此基礎上生成核線影像。DEM數據采集時應采用影像自動相關技術,生成DEM點(或視差曲線)。采用視差曲線編輯過程時,視差曲線間隔要合理。視差曲線(或DEM點)必須切準地面,真實反映地形態(tài)勢。

(1)采集特征點、線、面。

主要是針對一些在完成影像自動匹配比較困難的地區(qū)和部位,例如大片居民區(qū)、水域及高層建筑旁被黑影遮蓋部分等所作出的處理,主要方法是量測出相應部位的特征點、線、面。

(1)單特征線:是指地形發(fā)生明顯變化的地形變化線,量測時沿這些特征線以靜態(tài)讀點方式嚴格切準立體模型采集。遇樹林等植被覆蓋區(qū),要盡量切準林間空地測讀碎部點高程;(2)雙特征線:是指依比例尺的陡坎、斜坡、堤、河流、公路、鐵路等,為了保證影像糾正質量,對于帶狀構造物,例如公路、鐵路、路堤、依比例尺雙線堤,應按雙特征線量測上端兩側堤頂和下端兩側堤腳線。對于彎曲線狀地物,至少要采集弧線上的三條特征線,特征線不應出現交叉點;(3)對高架路、橋等制作DEM時,應在高架路、橋上邊沿量測特征線,DEM點需編至高架路、橋面上,以保證糾正后的影像不變形和位移;(4)封閉型要素:對于面積大于100m2的水庫、池塘等靜止水域內的DEM格網點高程應一致,流動水域的上下游DEM格網點高程應呈梯度下降,關系合理;(5)采用點編輯、面編輯相結合的方法,將DEM點修正到立體模型表面。按要求輸出DEM數據。DEM的編輯必須結合地貌特征內插生成格網DEM(2.5m間距),檢查DEM點與每個模型的吻合情況,對DEM點與模型不吻合的區(qū)域進行修測,使每個格網點都貼近地表。

(2)DEM匹配結果的編輯。

采用顯示等高線模式或顯示等視差模式,在立體模型中對匹配結果進行檢查、編輯。本項目中應注意對以下的情況下進行檢查、編輯。

①影像的不連續(xù)、被遮蓋及陰影等區(qū)域原因,檢查匹配點是否切準地面;②建筑物、樹林等部位,檢查匹配點是否為地面點,而非物體表面上的點;③大面積平坦地區(qū)、溝渠及地形破碎區(qū)域,檢查匹配點和等視差曲線是否真實表現地形;④大面積跨圖幅的靜水面,對涉及的模型均給定值,保證水面DEM高度保持一致;⑤高架橋、高架鐵路、高架公路根據具體情況對其抬高或置平,保證DOM影像不變形。

(3)建立DEM。

根據加密點直接按區(qū)域生成大范圍區(qū)域DEM,通過引入特征點、線、面等采集數據構三角網,進行插值計算,按2.5m×2.5m格網間距建立數字高程模型即DEM。

(4)DOM生產。

利用DEM完成影像微分糾正,按照分區(qū)對測區(qū)內影像以像元大小為0.1m進行雙線性內插或三次卷積內插法進行重采樣,生成分區(qū)正射影像(DOM)。通過自動生成的鑲嵌線對整個測區(qū)的模型正射影像進行無縫拼接。DOM接邊中高大建筑物的投影差帶來的接邊倒影,可采用調換左右片生成正射影像進行貼補,使高層建筑物達到無縫接邊,并最終完成數字正射影像圖。

(5)正射影像檢查修補。

檢查所生成的正射影像是否失真、變形,尤其是房屋、橋梁和道路,是否有房角拉長、房屋重影、橋梁和道路扭曲變形等。若有此情況,則要重新采集生成DEM,重新糾正,確保影像無誤。對正射影像上局部出現的模糊、重影現象,通過貼補糾正后的單模型正射影像進行修補。

(6)影像勻色。

為保證鑲嵌后正射影像色彩一致、均勻,針對航攝過程中出現的色差,需對所生成的正射影像進行色彩糾正,包括單影像色彩調整與多影像色彩均衡。勻色標準:選取幾個有代表性的圖幅,對測區(qū)中代表不同地貌的幾個影像圖進行勻色,分析效果,調整出一幅符合整個測區(qū)顏色信息的標準樣圖。根據標準樣圖,對測區(qū)正射影像進行全自動色彩調整和平衡處理,確保最終DOM的整體色彩均勻一致。影像應色彩真實、影像紋理清晰、層次豐富、反差適中、色調飽滿,色調正常,圖幅與圖幅之間色彩過渡自然、色調一致。

(7)正射影像鑲嵌。

相鄰的數字正射影像必須在空間和幾何形狀上都要精確的匹配。必須進行可視化的檢查,以確保相鄰的數字正射影像中地面特征沒有偏移。還應該盡量利用鑲嵌線避開由于高程特征引起的偏移和錯位,同時應盡量保證地物的完整性。

(8)DOM檢查。

①利用空三加密的保密點對DOM進行檢查,當同名點平面差異較大時應查明原因,必要時進行返工;②相鄰DOM影像鑲嵌處的接邊限差以目視直接判讀不得出現明顯接邊痕跡為主要原則,不應大于4個像素,對滿足接邊精度要求的影像進行無縫接邊,對于接邊超限的影像,須查明原因進行修改;③正射影像鑲嵌前的接邊檢查,還需要檢查相鄰DOM影像鑲嵌處的顏色,保證相鄰DOM影像鑲嵌后影像過渡自然,不得出現明顯色差。

(9)正射影像分幅裁切。

按GB/7930-87的分幅規(guī)則,采用40cm×50cm規(guī)格進行分幅,確定圖幅四個圖廓點坐標為裁切范圍,每幅面積為0.2km2。

(10)正射影像質量控制。

①采用目視檢查的方法進行圖面檢查,保證正射影像圖面清晰,反差適中,色調均勻;②正射影像圖不得有重影,模糊或紋理斷裂等現象,影像應連續(xù)完整,灰度無明顯不同,色彩平衡一致。并保證相鄰圖幅間的影像色調基本一致;③正射影像上的地物地貌真實,無扭曲變形,無噪聲等缺陷;④正射影像覆蓋范圍內的影像無漏洞。

3數字航空攝影測量的技術難題與研究熱點

目前,數字攝影測量工作站(DPW:Digital Photogrammetric Workstation)技術已相當成熟,而影像的獲取主要還依靠傳統(tǒng)的膠片來完成,如何快速且能全數字化獲取影像信息就成為數字攝影測量的重要研究方向。數碼相機的快速發(fā)展為航攝儀的“數字化”提供了條件,基于數碼相機的航攝儀的研究是攝影測量全部數字化的關鍵,成為攝影測量界研究的熱點。然而,數碼相機的鏡頭畸變差很大,內方位元素無法直接量取,屬于非量測型相機,這就使得數碼相機無法直接在攝影測量中使用,同時數碼相機的幅面小、且多為矩形,導致攝影測量的外業(yè)控制和內業(yè)處理工作量大幅增加。這些技術難題都必須予以解決,才能真正的將數碼相機作為航攝儀。

此外,目前數字攝影測量的發(fā)展,主要還是圍繞著利用航空攝影測量測繪地形圖展開的,而對于數字近景(地面)攝影測量的研究甚少,數字近景攝影測量必將成為數字航空攝影測量發(fā)展的新領域,它將成為機器人視覺現場識別的主要解決手段,而對實時性、全自動源數據獲取及仿真虛擬手段的研究將成為近景應用研究的主題。

4結語

數字航空攝影測量是一門相對年輕的學科,它利用計算機替代“人眼”,使得數字攝影測量在理論和實踐中都得到迅速發(fā)展,它將在三維可視化、GIS數據更新、數學近景攝影測量等方面得到廣泛的應用與發(fā)展。它的發(fā)展使得膠片攝影被數字攝影所取代成為必然趨勢,數字航空攝影測量系統(tǒng)的研究已成為當前航空遙感領域的研究熱點和發(fā)展方向,新型數字航空攝影機的應用必將為航空攝影測量技術帶來一次變革,并把我國航空攝影測量技術推向數字航空攝影時代。

參考文獻

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