影響正射影像生成質量的因素分析＊

張漢德，張海濤，別 君，董 梁，范學瑋，蔣旭惠

（1．中國地質大學（武漢）信息工程學院，湖北 武漢430074；2．中國海監北海航空支隊，山東 青島266033）

0 引 言

數字正射影像（DOM）是地圖的一種形式，用相當于正射投影的航攝像片上的影像來表示地物的形狀和平面位置。當像平面水平且地面水平的情況下，該航攝像片就是正射投影的像片［1］。數字正射影像圖具有精度高、信息豐富、直觀逼真、現實性強等優點，受到了廣大用戶的歡迎。數字正射影像在土地管理、城市建設與規劃、計算機動畫等領域都得到了十分廣泛的應用。

以數碼相機獲取的影像數據為例，介紹了應用ERDAS2011LPS和Orima模塊制作正射影像的流程，并對制作過程中影響DOM精度的因素進行了分析。

1 軟件簡介

徠卡攝影測量系統（LPS）是美國ERDAS公司開發的數字攝影測量及遙感處理軟件系統，為地球空間影像的應用領域提供了精密的成果定向的攝影測量工具。它可以處理航天的各類傳感器影像定向及空三加密和各種數字影像格式，有高精度、多功能、易操作、處理高效等優勢［2］。

ORIMA是由美國LH Systems公司推出的數字攝影測量工作站Helava上的一個區域網光束法平差軟件模塊，能夠處理大量的影像坐標、地面控制點和GPS坐標。它利用嚴密的空三平差數學模型，大大提高了外定向的精度。

2 正射糾正的原理及制作流程

實際中，由于航空攝影不能保持相機嚴格水平，加上相機檢校誤差、地球曲率、地形起伏等的影響，使中心投影航攝像片上的影像由于像片傾斜和地形起伏產生像點位移，使影像的構形產生位移與變形及比例尺不一致。正射糾正的實質就是將這種中心投影的影像數字化形成正射投影的過程，其原理是將影像數字化為許多微小的區域，根據相關的參數建立數學模型，利用數字高程模型對原始影像進行糾正，使其轉換為正射影像［3］。

3 ERDAS2011LPS處理過程中的操作流程

ERDAS2011LPS處理過程中的操作流程

1）新建block工程，設置坐標系、投影及飛行等相關參數，并與影像進行關聯。

2）內定向，即恢復攝影時刻攝影中心與影像之間的相關位置，本次試驗使用的是數碼航片，其內定向主要是設置焦距、相機點坐標、相機畸變等參數。

3）外定向及空三解算

外定向是在內定向的基礎上，確定在攝影瞬間攝影光束的空間位置和姿態的一系列工作。外定向工作是在點測量工具中進行的，主要工作有:設置 Automatic tie properties屬 性，選 擇 合 適 的Strategy及Distribution，調用自動采集連接點功能（APM），得到連接點；在 Aerial Triangulatioon對話框中設置空三屬性，如圖1所示，選擇合適的閾值及其它設置，運行空中三角測量；根據空三報告中的收斂情況及RMSE值，如圖2、3所示，檢查同名點的精度，確定是否接受空三結果，完成外定向。

在ORIMA軟件中，運行CAP－A，根據運算的結果反復修改X、Y、Z、Omega、Phi和Kappa值，直至運行CAP－A后該值介于0．8～1．2之間為止。East－North窗口中的上述六個值起到了權重指示器的作用，在所選權重不合適的情況下就會通過這個值體現出來（即沒有落入0．8～1．2區間）。

4）地表模型DTM的生成與編輯。調用Classic ATE工具，在打開的DTM Extraction窗口中設置相關屬性后運行得到粗糙的DEM。做消除視差等DEM編輯，得到精確的DEM．

5）執行正射重采樣。其執行過程是由LPS讀取DEM中的每個像元值，并匹配到影像的相應位置上。

6）正射影像鑲嵌。使用mosaic工具，生成拼接線并進行適應的編輯，即可執行正射拼接功能。

4 影響DOM精度的幾個關鍵問題

影響DOM精度的因素是多方面的，如相機沒有做檢校、GPS和INS誤差、連接點誤差、外定向誤差、視差、正射重采樣誤差等。對操作過程中涉及到參數設置、閾值大小等造成的誤差進行分析。

4．1 連接點點位誤差

量測同名點其實就是在進行影像匹配，匹配的精度對后續的正射影像的制作影響很大。選刺的同名點一般應該同時滿足以下四個條件:1）點位一般要盡量位于地面上，以保證生成精確的DEM；2）點位的地理位置不易改變，為以后的實地檢驗為準備；3）點位易于確定，如交通線的交點、拐點等；4）點位分布均勻，避免因同名點分布密集造成的圖像扭曲變形。

為了在后續處理中得到較高精度的DEM，要求在APM之后將位于非地面上的同名點移動到地面上。同時空三運算結束后，會有部分同名點誤差過大而導致標準差超限或空三結果不收斂，一般情況下要對此點位進行修改，有時卻不能在點位附近為其找到其它合適的點，這種情況下該點會被刪除。為了防止APM之后有過多此類情況的發生，在實驗中將 Auto tie point generation properties窗口下的Intended Number of Points／Image設置為較大值，以求獲得更多的連接點。實驗中該值取50，得到了49個連接點。

4．2 外定向誤差

為提高外方位元素的精度，在空三運算之前一般要將 Aerial Triangulation窗口下 X0、Y0、Z0和Omega、Phi、Kappa的標準差（如圖1所示）初始值盡量設小，在后續處理中遵循“由小到大，緩慢增加”的原則做增大處理，實驗中分別設置為0．1和0．001．連接點的精度直接影響外定向的精度，根據空三運算結果，修改單個點均方根誤差（Total RMSE）大于一個像素的點位（部分無法找到合適的同名點時可將其刪除）。在實際操作中，并非要一次性將全部大于1的點進行修改，因為一個壞點對其它點精度的影響很大，往往在修改4～5個點，并漸漸地增大上述外方位元素的標準差至0．1、0．08后，再次運行空三，Total RMSE值已小于1了。同時空三結果收斂，并且 Total image unitweight RMSE小于原始影像的像素大小時接受初始外方位元素的修改（如圖2所示）。

需要注意的是，在運行空中三角測量時進行外方位元素標準差的設置，其中的參數設置需要不斷實驗以達到最適宜的值。由于不同的航片內選刺的同名點不同，所以不同的block工程最終選擇的參數也不同。

空中三角測量以后，完成了外定向工作，影像間已經建立起了正確的空間關系，通過共線方程計算出的每個立體像對的同名特征點坐標值。

但在本實驗中為了進一步提高外定向的精度，將空三結果導入ORIMA軟件繼續處理。

運行CPA－A，對于不符合要求的外方位元素，一般是將其結果與已參與計算的對應值相乘，其積再次迭代計算。直到CPA－A Sigma0的值小于3，并且外方位元素介于0．8～1．2時為止。評價該運算結果精度的一個重要指標是誤差橢圓，橢圓的形狀、大小及長短半軸的比值大小反映了誤差的方向、大小以及最大誤差的方向，由圖4可以看出，經ORIMA處理后，各個點位誤差均勻，方向比較離散，精度較好。

圖4 外方位元素誤差橢圓

4．3 DEM的影響

實驗中DEM用來做正射校正，在DEM的提取過程中，使用AOI工具畫出不同類別的地物，并賦予不同的濾波策略，以求得到比較精確的DEM．同時在DEM的編輯階段，消除視差，將臨近的地面點高程值賦予位于非地面上的加密三角網點，基本完成DEM的編輯。

由于DEM是系統自動提取的，勢必存在較大的偏差，所以可以在提取前選中Create DTM Point Status Output Image選項生成 DEM 影像質量圖，如圖5所示，根據圖的顏色做后續DEM編輯。

圖5 DEM影像質量圖

4．4 正射重采樣誤差

為了得到較為清晰的正射影像圖，生成影像的像元大小盡量小。同時將重疊區域小的區域做剪切處理。

4．5 影像鑲嵌影響

影像鑲嵌處理一般不影響DOM的精度，而是對其美觀產生影響，經過影像的勻光處理可以減弱其影響。鑲嵌處理主要是斷裂線的處理，由軟件自動生成斷裂線后，一般要手動調整使其不穿過大型建筑物或水域等的中部，同時避免不要太靠近影像的邊緣；可以沿著對比強烈的地物邊緣，如道路、河流等，以保證斷裂線附近兩張影像的色調一致或相差不大［4］。如果已有本區域的矢量文件，也可以以矢量文件作為斷裂線，如圖6所示。

圖6 正射影像圖

5 結 論

從使用航攝相片應用ERDAS LPS、ORIMA軟件制作DOM的過程中可以看出，影響DOM精度的主要誤差源是連接點誤差、外定向誤差，并且對連接點的調節是一個相當繁瑣、費時、復雜的過程。因此，在制作過程中，一定要保證連接點的精度，同時確保有高精度的外方位元素信息。

考慮到單純地使用航攝相片制作DOM費時費力等缺點，可以尋求其它制作DOM的方法，如目前興起的機載LIDAR的方法，由于該技術獲取的各個激光腳點都有慣導系統提供的精確坐標值，根據高程值從這些腳點中提取地面點的難度將大大減化，而這些激光腳點可以代替航攝相片中連接點，由此生成DEM時可節省大量的人力和物力，大大節約DOM的生產周期。

［1］ 王佩軍，徐亞明．攝影測量學［M］．武昌:武漢大學出版社，2005:126－133．

［2］ 賈維花，呂宜平，張之武．基于ERDAS8．7LPS模塊正射影像圖的制作［J］．測繪與空間地理信息，2007，6（30）:39－43．

［3］ 官云蘭，周世健，魯鐵定．基于 ERDAS IMAGINE的數字正射影像圖的制作［J］．測繪通報，2005（12）:31－33．

［4］ 陳周云，李 兵，黃海英，等．城市大比例尺真彩色數字正射影像的制作［J］．測繪工程，2005，4（14）:49－51．