大比例尺航空數(shù)字影像正射影像圖的制作技術(shù)及應(yīng)用研究

摘 要： 為解決測量林分因子的不便，發(fā)揮航空攝影測量和數(shù)字圖像處理技術(shù)在森林管理與經(jīng)營中的優(yōu)勢，以2008-09-22拍攝的涼水實驗林場1：8000的航空數(shù)字影像為研究對象，應(yīng)用ERDAS平臺，論述了使用erdas軟件的LPS模塊使用空中三角測量的方法生成涼水區(qū)域南部航帶的數(shù)字化地形模型及正射影像圖的過程，本研究為進一步的森林地形信息的提取和查詢提供了可能，為數(shù)字影像圖的制作和后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 空中三角測量； 數(shù)字正射影像圖； 數(shù)字攝影測量； 數(shù)字高程模型

中圖分類號： TP3174 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2163（2013）03-0087-04

Large Scale Aerial Digital Image Ortho-image Map

Production Technology and Applied Research

HE Hengliang， LI Linhui

（Information and Computer Engineering College， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： in order to solve the problem of inconvenience of measuring stand forest factors， to develop the advantage of aerial photogrammetry and digital image processing technology in forest management and operation， the paper uses 2008.9.22 shot of cold water experimental forest 1：8000 aviation digital imaging applies ERDAS platform for the study， and discusses the use of aerial triangulation method to generate cold water area south of freedom with the digital terrain model and orthophoto map process. This study makes the further forest terrain information extraction and query possible， provides the basic data for the production of digital imaging， and follow-up studies.

Key words： Aerial Triangulation； Digital Orthophoto Map；Digital Photogrammetry； Digital Elevation Model

1 數(shù)字攝影測量

攝影測量學的主要任務(wù)是研究像片與所攝物體之間的內(nèi)在幾何和物理的關(guān)系。攝影測量學的發(fā)展歷經(jīng)模擬攝影測量，數(shù)字攝影測量兩個階段。目前廣泛使用的是數(shù)字攝影測量方法，并以其來開展研究。本文使用數(shù)字攝影測量的方法制作數(shù)字正射影像圖，為后續(xù)內(nèi)容的研究，如林分因子的提取、森林資源信息的正確表達提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實施保證。

利用航片制作正射影像圖，可以改變由地形起伏和傳感器誤差而引起的像點位移。數(shù)字正射影像（digital Orthophoto Map）就是利用數(shù)字高程模型對掃描處理的數(shù)字化的航空像片/遙感影像（單色/彩色），通過去除由于傳感器和相機旋轉(zhuǎn)、地形起伏等因素引起的位置誤差，即經(jīng)逐個象元所進行的投影差改正，而最終生成平面無變形的數(shù)字正射影像。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為黑龍江省涼水自然保護區(qū)，所屬中國東北東部山地小興安嶺山脈的東南段，位置跨越從東經(jīng)128°47′8″到東經(jīng)128°57′19″，從北緯47°6′49″至北緯47°16′10″。所涉及區(qū)域的總面積為12 133hm2，森林總蓄積量170.0萬m3，森林覆被率98%。

本研究應(yīng)用2008年秋季（9月22日）涼水林場數(shù)字航空像片和航攝成果報告書及2009年5月所進行的森林資源二類調(diào)查的數(shù)據(jù)加上角規(guī)點的調(diào)查數(shù)據(jù)，也包括相應(yīng)帶有控制點的刺點照片。攝影比例尺為1：8 000， 航攝儀類型為RC-10，每張航片占用空間467MB，共約89G。本次研究采用涼水實驗林場的一個航帶進行分析，涉及像片號范圍166～179，共13張像片，約5G數(shù)據(jù)。

3 數(shù)字正射校正原理

數(shù)字校正的實現(xiàn)就是將中心投影的影像經(jīng)過數(shù)字校正而形成正射投影的過程，其具體原理就是以投影中心點、像點和相應(yīng)的地面點三點共線為條件，以單張像片為解算單元，借助像片之間的公共點和野外控制點，將各張像片的光束連成一個區(qū)域進行整體平差，求得解算模型，再利用數(shù)字地形高程模型對原始非正射影像進行糾正，使其轉(zhuǎn)換為正射影像。

航空攝影測量的幾何處理任務(wù)是根據(jù)像片上的像點位置確定相應(yīng)地面點的空間位置。要使用數(shù)字圖像方法處理用相機攝取的像片，首先需要將航空像片進行掃描，形成數(shù)字圖像。數(shù)字圖像在計算機屏幕上使用的是像素平面坐標系，而成像的航空像片則是相機膠片，使用的坐標系是影像平面坐標系，其坐標原點一般位于影像中心。因此，就要進行像素坐標和影像坐標的變換，兩個坐標系的示意圖如圖1所示。

圖1 像素坐標與影像坐標轉(zhuǎn)換示意圖

Fig.1 Conversion diagram of pixel

coordinates and image coordinates 第3期 何恒亮：等，大比例尺航空數(shù)字影像正射影像圖的制作技術(shù)及應(yīng)用研究 智能計算機與應(yīng)用 第3卷

影像上的點均對應(yīng)著具有地圖投影的坐標，即大地坐標，如果要根據(jù)影像上的點求取對應(yīng)的大地坐標，還需要在地面空間坐標系統(tǒng)和影像空間坐標系統(tǒng)之間進行轉(zhuǎn)換。地面坐標系示意圖如圖2所示。

圖2 影像空間坐標系統(tǒng)和地面空間坐標系統(tǒng)

Fig.2 Image space coordinate system and the

ground space coordinate system

為實現(xiàn)這些點坐標間的轉(zhuǎn)換，還要進行內(nèi)外定向。通過內(nèi)定向，可以恢復像片和攝影機的相對位置。框標為攝影機焦平面上固定位置的光學機械標志，用于建立影像坐標系。內(nèi)方位元素一般由攝影機制造商提供在儀器說明書上。內(nèi)方位元素包括像主點在影像坐標系中的坐標（x0，y0）和焦距f。通過外定向，可以建立影像空間坐標系與地面空間坐標系的變換方程，求解內(nèi)外方位元素，進而得到所研究的像片與所攝物體間的幾何和物理關(guān)系。

4 數(shù)字正射影像制作過程

數(shù)字正影像制作過程主要有三個步驟。第一步，使用光束法進行空中三角測量求解內(nèi)外方位元素；第二步，根據(jù)區(qū)域文件，產(chǎn)生研究區(qū)域的數(shù)字化高程模型；第三步，生成區(qū)域正射影像平面圖，具體流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字正射影像圖制作流程

Fig.3 Digital orthophoto map production process

4.1 數(shù)據(jù)準備

（1）大地坐標參數(shù)：投影類型為：ransverse Mercator；橢球體類型：Krasovsky；基準面類型：Krasovsky定義的基準面；中央子午線比例尺因子：1；研究區(qū)所在的投影帶：第22帶；帶的中央子午線的經(jīng)度：129度；投影原點的緯度：0度；坐標原點西偏：500 000m；坐標原點北偏： 0。

（2）內(nèi)方位元素：攝影機型號： RMK 15/23；焦距：F=153.268 72（mm）；框標：格式為（X，Y），具體四個框標值為（106.005，-106.001）、（-106.010， -106.000）、（-105.999 106.001）、（106.001，106.002）；像主點坐標：OX=0.006 63、OY=-0.002 76。

（3）地面控制點：地面控制點為已知X、Y、Z的可識別地物，本研究區(qū)地面控制點為通過GPS實地測量得到的。在每個控制點的地理位置上用GPS測得X、Y、Z的同時，在航空像片的硬拷貝上則是對每個選定的地面控制點影像刺點，獲得刺點像片，再通過掃描獲得數(shù)字圖像。本研究區(qū)域所涉及的航片號從166～179。具體的控制點坐標如表1所示。

表1 研究區(qū)域控制點信息

Tab.1 Control point information in study area

控制點號 X Y Z 含控制點的刺點像片

0 316 601 22 495 638.642 5 223 551.346 313.844 166、167

0 316 602 22 495 240.522 5 223 260.697 307.473 166、167、168

0 316 603 22 495 111.051 5 223 161.311 306.485 166、167、168

0 317 401 22 490 702.199 5 5 223 128.658 6 290.784 3 174、175、176

0 317 801 22 488 404.229 9 5 223 151.000 3 297.367 9 177、178、179

0 317 802 22 488 787.792 7 5 223 851.220 5 299.791 6 176、177、178

0 317 803 22 489 015.830 4 5 223 544.459 297.543 8 176、177、178

4.2 應(yīng)用LPS模塊制作正射影像圖

4.2.1 空中三角測量

（1）首先創(chuàng)建工程文件，選定進行空中三角測量的大地坐標參數(shù)，加載圖像，可是一幅或多幅圖像，輸入內(nèi)方位元素的值。需要注意的是，要確定飛行的路線是從東向西飛行，還是從西向東飛行，本次研究的航帶為從東向西飛行，所以其方向選擇為。設(shè)置平均飛行高度為3 000米。當框標數(shù)據(jù)輸入完畢后，LPS模塊會自動計算誤差，如果結(jié)果小于0.33個像素，表明可以接受，如果大于，需要重新調(diào)整框標位置。本研究中誤差為0.06。結(jié)果如圖4所示。在內(nèi)定向中完成像素坐標系和影像平面坐標系的轉(zhuǎn)換。

圖4 內(nèi)定向中框標的輸入

Fig.4 Inputting the fiducials values

（2）輸入地面控制點，目的是獲取航空的外方位元素。控制點可分為3種：平高控制點、平面控制點和高程控制點，在控制點類型欄中要分別設(shè)置為Full、Horizontal、Vertical。FULL控制點為地面坐標X、Y、Z已知的點，Horizontal控制點為水平控制點，只需知道X、Y坐標即可，Vertical控制點為豎直控制點，僅要求Z坐標。外方位元素共有6個，在空中三角測量時通過共線方程進行求解，要求已知最少3個控制點（X，Y，Z）才能解出外方位元素，為了得到較好的精度，需要采用更多的控制點來進行平差。

（3）連接點的自動化采集。連接點是同一個地物在相鄰兩幅或多幅航片上的同名像點。連接點的地面坐標未知，既可以手工量測，也可以自動量測。一般采用自動量測。在LPS模塊中，可以實現(xiàn)連接點的自動化采集。自動量測后，還可以對每一個連接點通過左右窗口查看該連接點是否符合精度，如果精度沒有達到要求，就要對其進行刪除，或者像定位控制點一樣進行重新定位。圖5為兩張相鄰圖像自動化采集連接點后的結(jié)果。圖6為研究航帶中全部13張圖像連接在一起的連接點自動化采集結(jié)果。

（4）執(zhí)行空中三角測量。經(jīng)過以上操作，已經(jīng)獲得了圖像上的控制點和相鄰圖像上的連接點。具備了利用LPS模塊進行空三加密所需要的完整信息，就可以求取每張航片的外方位元素、各連接點、平面控制點、以及高程控制點的三維坐標。通過三角測量的結(jié)果，查看其方差，若達到精度要求，則選擇accept，接受此測量結(jié)果。至此，得到了正射影像圖，如圖7所示。

圖5 兩張相鄰圖像自動化采集連接點效果圖

Fig.5 The result of check points automated

collection in two images

圖6 研究區(qū)域所有13張圖像的連接點自動化采集結(jié)果

Fig.6 The result of check points automated

collection in thirteen images

圖7 執(zhí)行空三加密結(jié)果

Fig.7 The results of triangulation

4.2.2 DEM的獲取

原始數(shù)據(jù)有涼水實驗林場的DEM數(shù)據(jù)，通過在ArcView軟件中進行掩膜處理，得到研究航帶的區(qū)域DEM數(shù)據(jù)。

4.2.3 生成正射影像圖

通過空中三角測量的結(jié)果，就可以對校正的圖像進行重采樣，生成一幅校正的正射影像圖。具體的過程為：單擊“i-