空白真正射糾正影像的生成

王光盈,胡　靖

(山東正元數字城市建設有限公司,山東 煙臺 264000)

空白真正射糾正影像的生成

王光盈,胡靖

(山東正元數字城市建設有限公司,山東 煙臺 264000)

摘要：空白真正射糾正影像的生成是基于DSM制作真正射影像的最重要的一部分,是進行正射糾正讀取原始圖像數據進行內定向和相對定向后首先要解決的問題。本文以VC++中MFC為開發平臺利用仿射變換,實現影像內定向;然后利用共線方程,解決像素坐標、像平面坐標和地面點坐標之間的相互轉化,為利用數字微分糾正技術進行影像的真正射糾正的灰度賦值做好了準備。

關鍵詞：DSM；真正射影像；數字微分糾正；共線方程

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.015

中圖分類號：P231.5

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0061-04

收稿日期：2015-04-13

作者簡介

Abstract:Blank generation of true orthorectified image is an important part of true orthophoto which is based on DSM, and it is the first problem after the original orientation and relative orientation through orthorectified image data reading the original image. We take the VC++MFC as a development platform in the affine transformation to achieve original orientation. We use a total of line equation to achieve transformation among pixel coordinates and photo coordinates and the ground point coordinates, which is ready for the assignment of orthorectified assignment of gray using differential correction technique.

0引言

隨著遙感影像分辨率的不斷提高,傳統正射糾正采用的地表模型不完善而忽略了地物與地表高差,由此造成的正射影像上建筑物等地物偏離其正直投影位置的現象愈發明顯,使得傳統的正射影像應用面臨許多問題[1]。近年來,隨著數字城市的快速發展,對真正射影像的需求也更加迫切。

數字真正射影像(TDOM)是基于數字表面模型(DSM)利用數字微分糾正中反解法進行真正射糾正。首先,改正由地形起伏和建筑物造成的投影差;其次,檢測并標識被建筑物遮擋的區域,對被遮擋區域進行填充;最后,通過陰影的檢測與信息補償,消除了建筑物傾斜產生的遮擋問題。在攝影測量與遙感行業中,真正射影像制作的研究不但具有很高的理論研究價值,更具有廣泛的實際應用前景。

1真正射影像的制作理論

對于真正射影像的制作和研究,遮蔽檢測和陰影區的檢測是最為重要的兩部分。目前,遮蔽檢測方法包括Amhar的基于矢量建筑物模型的Z-buffer方法[2],Rau的基于柵格DSM模型的Z-buffer方法[3],Habib的基于角度的檢測方法和Bang的基于角度和高程信息的射線追蹤法等[4]。對于陰影區的檢測,王濤等提出了一種基于共線方程的正射影像遮蔽區查找的方法[5],王樹根等基于K-L變換的彩色航空影像陰影檢測[6]。本文主要研究基于DSM真正射糾正過程中的幾個坐標相互轉化以及利用MFC創建空白真正射糾正影像方面的問題。在本文研究的基礎上結合比較成熟的算法思想,利用VC++中MFC開發平臺實現感興趣區域大比例尺的真正射影像的制作。

2設計思想

2.1　獲取原始BMP格式影像信息

在實驗時以BMP格式影像為例,國際上對BMP格式影像的存儲與結構已經有嚴格的規范和定義,BMP影像不僅存儲了影像的灰度信息即位圖信息,還有文件頭和調色板。文件頭用于描述影像的基本信息如大小、寬高以及使用的顏色數等,調色板用于說明位圖中的顏色以便系統在顯示影像時能達到較好的顯示效果。影像中存儲的地面影像信息的位圖數據,是進行正射糾正的數據來源。在讀取和顯示時采用了MSDN提供的DIBAPI函數庫中的函數,實現BMP影像的讀取與位圖信息獲取。

圖1示出了本文實驗用到的原始影像,是一幅24位真彩色中心投影低空遙感影像,幅面大小:W:2464像素;H:1648像素;像元大小:11.5 μm×11.5 μm.圖2所示為該城市區域的DSM范圍。

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聯系人： 王光盈E-mail:skywang008@126.com

圖1　讀取的原始影像

圖2　DSM數據范圍示意圖

2.2　像素坐標轉化為地面坐標

實驗中要分為兩步來實現:首先將四個角點的像素坐標轉換為像平面坐標;然后將像平面坐標再轉換為地面坐標。本實驗中四個角點的像素坐標分別為(0,0),(0,1648),(2464,1648),(2464,0)。

2.2.1像素坐標系

像素坐標系是建立在掃描像片上,以像片左下角為原點,向右為X軸正方向,向上為Y軸正方向,每個掃描單元(1個像素)為一個單位。如圖3所示。

圖3　像素坐標系

2.2.2像片坐標系

相對于框標坐標系而言,以飛行方向為X軸正方向,以像主點為原點。即將框標坐標系的原點由(0,0)平移到(X0, Y0),建立新的坐標系即為像片坐標系。X0、Y0像主點在框標坐標系中的坐標,即投影中心在像片平面上的垂直投影,是理論像片坐標系的原點。如圖4所示。

圖4　像片坐標系

像素坐標轉換為像平面坐標((Sample,Line)->(x,y))的公式為

(1)

其中,A0、A1、A2、B0、B1、B2為仿射變換參數(即內定向參數)。

2.3　像平面坐標轉換為地面坐標

根據像點(x,y)、投影中心(S)和地物點(X,Y,Z)三點共線,可以列出將四個角點的像平面坐標轉換為地面坐標的共線條件方程式[7]:

(2)

式中： XS、YS、ZS為攝影中心的地面坐標; a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為旋轉矩陣R的元素。采用以Y軸為主軸的φω-κ系統，其中旋轉矩陣R為[8]

a1=cosφcosκ,

a2=-cosφsinκ-sinφsinωcosκ,

a3=-sinφcosω,

b1=cosωsinκ,

b2=cosφcosκ,

b3=-sinω,

c1=sinφcosκ+cosφsinωsinκ,

c2=-sinφsinκ+cosφsinωcosκ,

c3=cosφcosω.

(3)

式中,φ、κ、ω為外方位元素的3個角元素。

由上述共線條件方程式和外方位元素解算(X,Y)實際是一個二維圖像(x,y)變換到三維空間(X,Y,Z)的過程,它是一個迭代求解的過程。地面點的高程值Z是(X,Y)的函數,在求出地面坐標(X,Y)之前該點高程值Z是未知的,但由上述公式實現(x,y)到(X,Y)的變換又必須知道Z值才能進行計算。因此,需首先給定Z的初值Z0，求得(X1,Y1)后,由DSM內插得 (X1,Y1)處的高程Z1,然后由(X1,Y1,Z1)通過正解公式求得(X2,Y2),如此反復迭代,直至求出的Z值與前次的Z值相等或相差很小,其流程如圖5所示。

圖5　數據迭代過程

2.4　確定空白真正射影像的范圍

將原始影像四個角點像素坐標都轉換為地面坐標,在確定Xmin、Xmax、Ymin、Ymax后不能直接確定正射影像的大小,還需要根據糾正后正射影像的地面分辨率進行如下計算:

Wwidth=(Xmax-Xmin)/gridx+1,

Height=(Ymax-Ymin)/gridy+1,

(4)

其中:Width、Height分別為正射影像的寬和高;gridx、gridy分別為正射影像在X方向和Y方向的地面分辨率。

經以上轉換后可調用DIBAPI函數庫中CreateDIB(m-nRectWidth,m-nRectHeight, 24)函數加上文件頭和調色板信息創建如圖6、圖7所示。

圖6　正射糾正后的建筑物

圖7　真正射影像

3結束語

在VC++開發環境的基礎上通過仿射變換公式、共線方程,實現像素坐標、像平面坐標和地面點坐標之間的相互轉化,確定了糾正后正射影像的范圍,建立了空白的真正射影像。在以后的研究中可以利用間接糾正方法依次對正射影像上的點進行灰度賦值得到完整的真正射影像數據。

本文實驗中采用的是點元素糾正方法,但實際應用中一般都是以“面元素”作為糾正單元,這樣處理速度會有大幅度的提升。以“面元素”作為糾正單元進行真正射糾正處理以及精度和速度的評價有待進一步研究和探討。

參考文獻

[1]謝文寒,周國清. 城市大比例尺真正射影像陰影與遮擋問題的研究[J]. 測繪學報, 2010,39(1):52-59.

[2]AMHARF.Thegenerationoftrueorthophotosusinga3DbuildingmodelinconjunctionwithaconventionalDTM[J].InternationalArchivesofPhotogrammetryandRemoteSensing, 1998, 32(4): 16-22.

[3]RAUJ,CHENN,CHENL.Trueorthophotogenerationofbuiltupareasusingmulti-viewimages[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing,2002, 68(6): 581-588.

[4]HABIBAF,KIME,KIMC.Newmethodologiesfortrueorthophotogeneration[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing, 2007, 73(1): 25-36.

[5]王濤,真正射影像制作中有關算法的研究[D].北京:中國測繪科學研究院,2009.

[6]王樹根,李德仁,郭澤金,等.正射影像上陰影和遮蔽的信息處理方法研究[J].測繪信息與工程, 2004, 29(4):1-4.

[7]劉軍,王冬紅,王慧,等.基于數字建筑物模型的線陣推掃影像真正射糾正[J].遙感技術與應用,2009,24(1):88-92.

[8]張祖勛,張劍清.數字攝影測量學[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1996: 80-102.

王光盈(1983-),男,碩士,助理工程師,現主要從事攝影測量生產工作。

Blank Generation of True Orthorectified Image

WANG Guangying,HU Jing

(ShandongZhengyuanDigitalCityConstructionCo.,Ltd,Yantai264000,China)

Key words: TDOM; DSM; digital differential rectification; collinearity equation