像控點快速測量技術(shù)在地理國情普查中的應(yīng)用研究

張俊前

(重慶市勘測院,重慶 400020)

像控點快速測量技術(shù)在地理國情普查中的應(yīng)用研究

張俊前?

(重慶市勘測院,重慶 400020)

以改進的SIFT算子為基礎(chǔ)理論,設(shè)計了像控點快速預選程序,并將航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)、常規(guī)移動終端和像控點預選程序相結(jié)合,實現(xiàn)了像控點的快速布設(shè)、快速定位和實時導航,改進并完善了像控點快速測量技術(shù)體系。在重慶市地理國情普查正射影像生產(chǎn)中,驗證了本文方法的有效性和實用性,并為常規(guī)航攝生產(chǎn)提供一定的借鑒作用。

數(shù)字化測量系統(tǒng);像控點測量;快速測量;地理國情普查

1 引 言

為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展、國防建設(shè)和科學管理需要,更好地反映我國各類地理環(huán)境要素的分布與關(guān)系,黨和國家領(lǐng)導人從戰(zhàn)略高度審時度勢要求開展地理國情普查,充分利用測繪的先進技術(shù)、數(shù)據(jù)資源和人才優(yōu)勢,積極開展地理國情變化檢測與統(tǒng)計分析,對重要地理要素進行動態(tài)監(jiān)測,及時發(fā)布監(jiān)測結(jié)果和分析報告,為科學發(fā)展提供依據(jù)。

地理國情普查主要內(nèi)容包括地形地貌、地表覆蓋、地理國情要素、地理單元以及專項類普查等,數(shù)據(jù)源為地面分辨率優(yōu)于1 m的高分辨率衛(wèi)星影像或正射影像。整個普查工作范圍廣、資料多、時間緊、任務(wù)重,如何高效、保質(zhì)保量開展工作是許多生產(chǎn)單位關(guān)注、亟待解決的問題。像控點測量作為正射影像制作和衛(wèi)星影像糾正的基礎(chǔ)和前提,是地理國情普查數(shù)據(jù)源制作的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2 問題來源

像控點測量是航測外業(yè)和航測內(nèi)業(yè)工作的基礎(chǔ)和前提。大多數(shù)測繪單位仍然采用傳統(tǒng)的作業(yè)模式開展這項工作:作業(yè)之前,首先在紙質(zhì)控制片上進行像控點布設(shè),繪制像控點結(jié)合圖,套合在小比例尺地形圖上,人工選取行車路線,作業(yè)時按照既定計劃行車進行像控測量。這種作業(yè)方式存在較多限制效率的問題:

(1)紙質(zhì)像片沖洗周期時間長,像控點布設(shè)花費大量時間。

(2)紙質(zhì)像片不方便攜帶和使用,小比例尺地形圖現(xiàn)勢性差、內(nèi)容較粗略,對于不熟悉航攝區(qū)域的作業(yè)人員而言無異于霧里看花,經(jīng)常出現(xiàn)繞圈、走錯路的情況,在一定程度上降低了作業(yè)效率。

(3)作業(yè)前作業(yè)人員通過人工比對影像,以確定像控點位置需要花費大量的時間,在某些地區(qū),特別是某些農(nóng)村地區(qū),沒有明顯特征地物,給人工比對確定像控點位置的工作增加了很多困難。

(4)在像控點預選過程中,首先要找到多張航攝影像的重疊區(qū)域,然后在重疊區(qū)域中尋找影像清晰、易于判刺和立體量測的點位,這個過程也需要花費較長時間。

IMU/DGPS和航空影像快速處理技術(shù)的應(yīng)用大大減少了外業(yè)像控點的布設(shè)密度,節(jié)省了人力物力,然而這一革新卻帶來新的問題[1];像控點布設(shè)稀疏之后,點與點之間距離遠,連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性差,導致找點困難,且找準點與點之間最方便、快捷的連通路線也很困難。這兩個問題就成為影響外業(yè)像控測量生產(chǎn)效率的技術(shù)瓶頸。

目前,國內(nèi)的測繪單位對像控點測量面臨的問題都有所認識,但是幾乎沒有一個較為全面、系統(tǒng)的解決方案。

3 像控點快速測量技術(shù)

像控點快速測量技術(shù)以數(shù)字影像為基礎(chǔ),按生產(chǎn)流程分為像控點快速布設(shè)、像控點導航定位和像控點整飾等幾個環(huán)節(jié)。其基本流程為:首先進行像控點快速布設(shè)預選,完成像控點布設(shè)后,利用導航定位技術(shù)快速到達選定的像控點位置,測量像控點坐標后,在實地完成像控點整飾及檢查工作。本文借助重慶市勘測院自主研發(fā)的航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)實現(xiàn)像控點快速布設(shè)和像控點整飾,設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)像控點預選,并借助移動終端為平臺實現(xiàn)像控點導航定位。

3.1 像控點快速布設(shè)技術(shù)

根據(jù)空三加密的需要,作業(yè)人員在基于MicroStation軟件的航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)上布設(shè)像控點。思路為:將像主點坐標及像片編號展繪到矢量圖上(如圖1所示),按照像控點區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則及要求進行詳細的像控點和檢查點點位設(shè)計,并生成最終的像控點布設(shè)網(wǎng)圖(如圖2所示)。區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則為:區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)圖形宜呈矩形;區(qū)域網(wǎng)大小和像控點的跨度主要依據(jù)成圖精度、航攝資料參數(shù)及對系統(tǒng)誤差的處理等因素確定;區(qū)域網(wǎng)的劃分和布點應(yīng)以能滿足空中三角測量精度要求為原則。重慶市地理國情普查正射影像制作像控點布設(shè)按照區(qū)域網(wǎng)布設(shè),全部為平高點,每隔6條基線布設(shè)一對像控點,并且在像控點控制力最弱位置布設(shè)檢查點,空三加密成果滿足1∶5 000航測成圖要求,優(yōu)于地理國情普查項目中正射影像制作的要求,實現(xiàn)一套成果多種利用。

圖1 像主點展點圖

圖2 像控點布設(shè)網(wǎng)圖

具體方法是,在像主點展點時,將對應(yīng)像主點的影像文件名作為文本一同展入文件,利用程序?qū)⑾窨卦O(shè)計略圖自動生成初步的像控布點網(wǎng)圖,生成像控點編號。如圖2所示,通過布設(shè)網(wǎng)圖能夠很直觀地知道與像控點PT826相關(guān)的6張影像,通過像控點和像主點之間的連線關(guān)聯(lián)影像和像控點,可自動加載影像文件。如果需要修改像控點的布點點位,可通過操作圖形,移動點位,改變連線,即實現(xiàn)該點新的自動加載方案,通常情況下,外業(yè)人員根據(jù)像控點布設(shè)網(wǎng)圖進行測量,但當現(xiàn)場判別實地點位不符合要求時,可直接在野外對布設(shè)網(wǎng)圖進行修改。

像控點快速布設(shè)另一個關(guān)鍵技術(shù)就是像控點的預選。像控點預選功能主要基于像控點關(guān)聯(lián)影像的特征點提取及影像匹配。特征點的提取主要通過改進的SIFT算子實現(xiàn)[2],然后對像控點關(guān)聯(lián)影像進行特征點匹配,找出影像間的公共區(qū)域[3](如圖3所示),可將3張影像的公共區(qū)域從原圖上裁剪出來并分別顯示保存(如圖4所示),供作業(yè)員進行像控點預選。

圖3 三片匹配效果及公共區(qū)域

圖4 像控點預選功能提取出的三片重疊區(qū)域

像控點快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用降低了生產(chǎn)成本,大大提高航測外業(yè)像控測量的工作效率,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)降低成本,縮短生產(chǎn)周期

像控點快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了像控點布設(shè)數(shù)字化,省去了控制像片沖印的環(huán)節(jié),降低了生產(chǎn)成本的同時,縮短了生產(chǎn)周期。

(2)減少了作業(yè)員的工作量

作業(yè)員無需再按照傳統(tǒng)的作業(yè)方法(在紙質(zhì)像片上,通過人工比對、拼接的方式得到像控點關(guān)聯(lián)影像的公共區(qū)域,浪費大量人力物力),只需通過像控點預選功能就可以自動、快速找到像控點關(guān)聯(lián)影像公共區(qū)域,而且獲取的影像公共區(qū)域范圍較人工獲取的公共區(qū)域范圍精確,在減少工作量、降低生產(chǎn)成本的同時,大大提高了生產(chǎn)效率。

(3)節(jié)約了工作時間

以7條航帶,共93張航片(0.4 m分辨率),覆蓋面積約為478 km2的區(qū)域為例,布設(shè)25個像控點,從像控點關(guān)聯(lián)影像的自動預處理到像控點預選指導結(jié)果的顯示,整個過程只需要20 s左右的時間,相比于傳統(tǒng)的人工像控點預選方法,極大地減少了像控點預選工作的時間。

(4)野外現(xiàn)場快速修改方案

當現(xiàn)場判別實地點位不符合要求時,需要重新選擇新點。傳統(tǒng)的像控測量在現(xiàn)場重新選點時,受攜帶的紙質(zhì)像片數(shù)量限制(另外的業(yè)人員可能正在使用相鄰航帶的影像),容易導致選點達不到要求而重測。但航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)所帶資料齊全,可以現(xiàn)場快速調(diào)整最優(yōu)方案。

在重慶市第一次地理國情普查項目的像控點測量工作中,以7條航帶,共93張航片(0.4 m分辨率),覆蓋面積約為478 km2的區(qū)域為例(布設(shè)25個像控點),進行對比實驗:在不計控制片沖洗環(huán)節(jié)耗費時間的情況下,采用傳統(tǒng)的像控點測量方法,布設(shè)選擇10個像控點平均需要1 h,采用像控點快速布設(shè)技術(shù)平均需要20 min,效率提高了66%。

3.2 像控點移動終端導航定位技術(shù)

能否快速到達像控點實地位置是像控點野外測量的關(guān)鍵,直接決定像控點測量的效率。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理,借助移動終端(手機或平板電腦)進行導航定位,可以實現(xiàn)像控點實時定位。

本文中的像控點導航定位技術(shù)以谷歌地圖為導航平臺,通過帶有GPS模塊的移動終端實現(xiàn)。谷歌地圖可以提供含有政區(qū)和交通以及商業(yè)信息的矢量地圖、不同分辨率的衛(wèi)星照片,在帶有GPS模塊的移動終端上可輕松實現(xiàn)地圖上任意兩點間的路線規(guī)劃和實時定位導航,在PC機和移動終端上均有應(yīng)用,并可通過谷歌賬戶進行實現(xiàn)在PC機和移動終端間的同步聯(lián)系。通過試驗研究,利用谷歌地圖和移動終端實現(xiàn)像控點導航定位的作業(yè)流程如下:

(1)在進行像控點預選后,將像控點布設(shè)網(wǎng)圖從CGCS2000坐標系轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標系。

(2)利用Global Mapper和ArcGIS軟件對像控點布設(shè)網(wǎng)圖進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,將像控點布設(shè)網(wǎng)圖轉(zhuǎn)換為kml或kmz格式。

(3)通過谷歌賬戶將像控點布設(shè)網(wǎng)圖導入到谷歌地圖中,規(guī)劃到達像控點的路線。

(4)在移動終端上下載谷歌離線地圖,利用谷歌賬戶導入像控點布設(shè)網(wǎng)圖和規(guī)劃路線,實現(xiàn)像控點快速導航定位,如圖5所示。

圖5 像控點定位導航截圖

3.3 像控點數(shù)字化整飾技術(shù)

在外業(yè)航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)中,影像可以無極放大,不用繪制點位略圖。同時提供屬性信息輸入界面,自動生成像控說明注記的統(tǒng)一格式。刺點信息直接標注于影像之上,通過設(shè)置信息顯示和隱藏,而不會造成影像遮擋。刺點完成之后,將刺點區(qū)域影像和像控信息疊加保存為JPG格式圖片,以便后續(xù)使用,如圖6所示。

圖6 像控點刺點影像

4 結(jié) 論

航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng),讓像控點布設(shè)工作變得簡單直觀,且支持野外實時修改;本文設(shè)計的像控點預選程序,使像控點選點變得簡單、科學;像控點導航定位技術(shù),緊扣當前科技和設(shè)備的發(fā)展,大大提高了像控點測量的工作效率。本文將三者聯(lián)合實用,解決了找點困難和找準最優(yōu)路線困難的問題,大大提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本、縮短了生產(chǎn)周期。由于時間有限,有些技術(shù)還需要繼續(xù)深入試驗研究,選擇合適的軟硬件平臺,將像控點快速測量技術(shù)集成化,數(shù)據(jù)準備及處理一鍵化。

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The Application Research of Rapid Image Control Measurement in Geographical Conditions Survey

Zhang Junqian (Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

In this paper,based on the improved SIFT operator as the basic theory,we have designed the fast preselection system of control points,and have made fast layout of control points,fast position and real-time navigation come true with the digital measuring system,conventional mobile terminal,and have improved the rapid measurement technology system of control points.The orthophoto production of the geographical conditions survey in Chongqing,has verified the validity and practicability of this method,and has provided certain reference to the conventional aerial production.

digital measuring system;image control measurement;rapid measurement;geographical conditions survey

1672-8262(2014)06-24-04

P231

A

2014—06—08

張俊前(1981—),男,高級工程師,主要從事攝影測量生產(chǎn)與質(zhì)量管理工作。

國家科技支撐計劃(2011BAH12B07-03)