正射影像制作方法研究

張冀 劉麗華 魏超

（河南省遙感測繪院，河南鄭州450003）

正射影像制作方法研究

張冀 劉麗華 魏超

（河南省遙感測繪院，河南鄭州450003）

數(shù)字正射影像（DOM）是重要的數(shù)字產(chǎn)品之一，其應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。本文主要介紹了基于 VirtuoZo 攝影測量工作站的DOM制作方法 ,分析在制作流程中應(yīng)該注意的問題，并針對DOM的應(yīng)用和質(zhì)量評價(jià)等問題進(jìn)行初步探討，指出 DOM 在地理信息系統(tǒng)中的重要性。

正攝影像；數(shù)字正射影像（DOM）；數(shù)字高程模型（DEM）；應(yīng)用；影像質(zhì)量

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理、模式識別、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的不斷發(fā)展, 數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)已進(jìn)入基本成熟階段。數(shù)字?jǐn)z影測量是利用計(jì)算機(jī)對數(shù)字影像進(jìn)行處理, 由計(jì)算機(jī)視覺, 影像匹配和影像識別,代替人眼與儀器進(jìn)行立體測量。目前,全數(shù)字?jǐn)z影測量主要應(yīng)用于生產(chǎn)數(shù)字地面高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）。第一套全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是在美國建立的DAMCS，到20世紀(jì)90年代, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,許多全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)相繼建立，如Heleva的DPW，德國Zeiss廠的PHODIS,NPHO公司的MATCH-T,法國Mszi公司的TRASTER T10,意大利Galilea Siscam的ORTHOMAP,我國武漢大學(xué)（原武漢測繪科技大學(xué)）的VirtuoZo，中國測繪科學(xué)研究院的JX4等。

2 基于VirtuoZo攝影測量工作站的數(shù)字正射影像的制作方法

2.1 制作原理

利用相應(yīng)的參數(shù)或相應(yīng)的構(gòu)想方程式完成中心投影到正射投影的變換，見圖1。

圖1 數(shù)字正射影像圖

2.2 利用攝影測量工作站制作正射影像的技術(shù)流程

數(shù)字正射影像的制作是基于DEM的數(shù)據(jù)，采用反解法進(jìn)行數(shù)字微分糾正而制作。其過程是全自動化的。DOM制作基本流程如圖2[1]。

圖2 數(shù)字正射影像制作流程圖

2.2.1內(nèi)定向

確定像片內(nèi)方位元素,像片坐標(biāo)系與掃描坐標(biāo)系之間的關(guān)系,糾正影像的變形。VirtuoZo工作站具有自動進(jìn)行內(nèi)定向、提供人機(jī)交互后處理功能。

2.2.2 相對定向

VirtuoZo工作站具有二維相關(guān)的功能,能自動識別左、右像片上的同名點(diǎn),一般可匹配數(shù)十至數(shù)百個(gè)同名點(diǎn)。自動匹配點(diǎn)數(shù)的多少,影響后期生成DEM的精度的高低。系統(tǒng)具有人機(jī)交互功能,相對定向后可以通過人工對誤差大的定向點(diǎn)進(jìn)行刪除或調(diào)整同名點(diǎn)點(diǎn)位,使之符合精度要求[2]。

2.2.3 絕對定向

確定立體模型在大地坐標(biāo)系中的位置。VirtuoZo可利用PATB加密成果直接進(jìn)行絕對定向,將加密成果中控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)按照相對定向像點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)格式拷貝到相對定向的坐標(biāo)文件中,執(zhí)行絕對定向命令,完成絕對定向,恢復(fù)空間立體模型；或者在自動匹配完成后利用人工在左右像片上確定控制點(diǎn)點(diǎn)位位置,定位完成后即可以進(jìn)行絕對定向。

2.2.4 生成核線影像

在用戶選定的區(qū)域中，按照同名核線將原始影像予以重新排列，形成按核線方向排列的立體影像?？刹捎脙煞N方式生成核線，非水平核線和水平核線方式。只有進(jìn)行絕對定向,劃定工作區(qū)域后才能夠生成水平核線影像,未進(jìn)行絕對定向生成的是非水平核線影像。以后的處理, 如影像匹配、視差曲線編輯等, 都將在核線影像上進(jìn)行。

2.2.5 影像匹配與編輯

匹配中原始影像窗口(0.25～0.5mm)的選擇可依據(jù)攝影比例尺及匹配區(qū)域的起伏狀況決定：大比例尺攝影的影像匹配窗口應(yīng)大些,而中小比例尺的則應(yīng)該小些；起伏大的區(qū)域匹配窗口應(yīng)該小些,平坦地區(qū)應(yīng)該大些。通常情況下匹配窗口的大小在原始影像上為0.25～0.5mm ,可根據(jù)公式“匹配窗口的大小(像素)=匹配窗口在原始影像上的大小/像素大小”計(jì)算匹配窗口大小。匹配窗口的大小為m×n ,其中m和n都為奇數(shù)且m和n的最小取值為5。匹配窗口間隔的選擇方法為：x和y方向上的間隔均應(yīng)小于或等于匹配窗口的大小,且小于DEM間隔在影像上的像素?cái)?shù),其中DEM間隔在影像上對應(yīng)的像素?cái)?shù)為(1000×DEM的物方間隔P攝影比例尺分母)P像素大小[3]。

匹配結(jié)果編輯的質(zhì)量會影響到后期DEM的生成精度,因此,在自動匹配完成以后,需要針對自動匹配產(chǎn)生的粗差、匹配錯(cuò)誤,通過立體模型和等視差曲線的顯示,人工判斷并編輯自動匹配不合理、不可靠的點(diǎn),使得這些點(diǎn)切準(zhǔn)地面。需要人工編輯的情況有：紋理不清晰的區(qū)域、沒有明顯特征的區(qū)域、由于陰影等原因造成的匹配點(diǎn)不在正確位置上、城市中的建筑物、山中有樹林的區(qū)域等。

2.2.6 生成數(shù)字地面高程模型

數(shù)字地面高程模型是制作正射影像的基礎(chǔ),中心投影的影像根據(jù)其數(shù)字地面高程模型就可糾正成正射影像。

VirtuoZo提供兩種生成數(shù)字地面高程模型的方法：

（1）直接利用編輯好的匹配結(jié)果生成數(shù)字地面高程模型。此種方法適用于中小比例尺的正射影像制作或大比例尺非城市自然地貌地區(qū)的正射影像制作, 也可用于編輯好視差曲線的城市地區(qū)的正射影像制作[4]。

（2）影像匹配后直接在FC(Flat City)界面下按一定密度分布選擇同名點(diǎn),或是在立體下切準(zhǔn)地形表面測定一定密度的地面點(diǎn),構(gòu)成三角網(wǎng)內(nèi)插DEM。此種方法適用于平坦的城市地區(qū)。此種方法可避免視差曲線纏繞建筑物的問題,減少一定的工作量。

2.2.7 生成數(shù)字正攝影像

當(dāng)DEM建立后,即可進(jìn)行正射影像的生成。VirtuoZo提供兩種生成正射影像的方式：

（1）首先生成單個(gè)模型的DEM,然后制作單個(gè)模型的DOM,最后對多個(gè)模型的DOM進(jìn)行鑲嵌拼接成整個(gè)測區(qū)的DOM。

（2）首先將多個(gè)模型的DEM生成一個(gè)模型的DEM,然后在該DEM模型的基礎(chǔ)上生成整個(gè)測區(qū)的DOM。

2.2.8 后期成果處理

正攝影像鑲嵌拼接后，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行相應(yīng)的后期處理，一般包括以下過程：

（1）調(diào)色處理：生成的DOM若存在色差明顯、影像不清晰、拼接縫隙明顯等問題，則需要利用相應(yīng)的圖像處理軟件如Photoshop等進(jìn)行處理,使全圖色差、清晰度、拼接縫隙等技術(shù)指標(biāo)滿足出圖要求。

（2）整飾與注記：主要包括添加圖廓信息,如圖廓線、公里網(wǎng)線、圖名、圖號、比例尺、坐標(biāo)系、編制說明制作單位等；注記的標(biāo)注，如城區(qū)范圍內(nèi)的主干道、企事業(yè)單位名稱、水系、地理名稱等，注記應(yīng)注意控制數(shù)量和大小，避免注記造成的信息損失。

（3）裁剪與出圖：可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖幅的裁剪或者用鼠標(biāo)拉框進(jìn)行任意圖幅的裁切；出圖方式可按DOM疊加圖廓與注記出圖或者矢量數(shù)據(jù)與DOM合成后出圖，后一種方式可利用CorelDraw進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)與影像的合成,要求使影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)嚴(yán)格疊加。

2.2.9 正攝影像制作過程中需注意的問題

經(jīng)過實(shí)踐，筆者認(rèn)為，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)需要注意：

（1）為保證最后成果的整體效果，可在前期對掃描影像或數(shù)碼影像進(jìn)行色彩調(diào)整，使相互的飽和度、亮度、色相和明度等各值大致接近一致。

（2）影像匹配是數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是沿核線一維影像匹配。窗口設(shè)置得大，則數(shù)據(jù)量小，但損失地形細(xì)貌；窗口設(shè)置得小，則數(shù)據(jù)量大，但能較好表示地貌。因此對平坦地區(qū)，窗口可設(shè)置大些。

匹配后的編輯是影像匹配的后處理工作，是一個(gè)交互式的人工干預(yù)過程。目前，在影像匹配中，尚有一些區(qū)域（水面、人工建筑、森林等）計(jì)算機(jī)難以識別，將出現(xiàn)不可靠匹配點(diǎn)（沒有匹配在地面上），這將影響數(shù)字高程模型的精度。因此,對這些區(qū)域進(jìn)行人工干預(yù)是必要的。

一般需要編輯的情況有以下幾種：

① 由于影像中常有大片紋理不清晰的影像，如河流、沙漠、雪山等地方出現(xiàn)大片匹配不好的點(diǎn)，則需要進(jìn)行編輯。

② 由于影像的不連續(xù)、被遮蓋及陰影等原因，匹配點(diǎn)沒切準(zhǔn)地面，則需要進(jìn)行編輯。

③ 城市的人工建筑物、山區(qū)的樹林等，使得匹配點(diǎn)不是地面上的點(diǎn)，而是物體表面上的點(diǎn)，則需要進(jìn)行編輯。

④ 大面積平地、溝渠及比較破碎的地貌需要進(jìn)行編輯。

（3）如果接邊線附近有高大建筑物或大面積房屋等特殊地物時(shí),為了防止出現(xiàn)房屋兩邊倒現(xiàn)象或變形,最好采用手工拼接的方法,拼接線盡量繞開房屋,并且相鄰像對使用同片生成正射影像。匹配編輯時(shí)需靈活運(yùn)用各種命令使視差曲線盡量和地面嚴(yán)密貼合,注意使用把視差曲線關(guān)上、打開、再關(guān)上、再打開,這樣來回閃爍的方法檢查視差曲線是否嚴(yán)密貼近地面,以防止產(chǎn)生視覺幻象。

2.2.10 成果的檢查驗(yàn)收及提交

經(jīng)過上述處理，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后，方可提交成果。

3 正攝影像的應(yīng)用及影像質(zhì)量評價(jià)

3.1 正攝影像的應(yīng)用

正射影像圖是一種新型數(shù)字測繪產(chǎn)品,有著廣闊應(yīng)用前景的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),它不僅可用于對數(shù)字線劃地圖數(shù)據(jù)的更新,提高數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性,加快地形圖的更新速度,也可作為背景圖直接應(yīng)用于城市各種地理信息系統(tǒng)；它廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地管理、環(huán)境分析、綠地調(diào)查、地籍測量等方面,也可以與線劃圖、文字注記進(jìn)行疊加形成影像地圖,豐富地圖的形式,增加地圖的信息量；利用數(shù)字正射影像與數(shù)字地面模型或者建筑結(jié)構(gòu)模型可建立三維立體景觀圖,豐富城市管理、規(guī)劃的手段與方法[5]。

其實(shí)際應(yīng)用主要有：

（1）GIS三線(道路、鐵路、河流)圖的采集與更新。隨著GIS應(yīng)用越來越廣泛,發(fā)揮的作用越來越大,對基礎(chǔ)的地形數(shù)據(jù)尤其是三線數(shù)據(jù)的需求也越來越大,這就對三線圖的精度、現(xiàn)勢性以及今后的更新與維護(hù)提出了更高的要求,然而利用傳統(tǒng)的修測方法很難保證其精度,而僅對三線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測更新,在經(jīng)濟(jì)上又存在較大的浪費(fèi),因而利用數(shù)字正射影像對三線數(shù)據(jù)進(jìn)行更新無疑是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。利用數(shù)字正射影像與已有的三線數(shù)據(jù)疊加,在影像上直接提取數(shù)據(jù),就可完成三線數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)。

（2）修測數(shù)字線劃圖。數(shù)字線劃圖上高層建筑存在投影誤差,但對于四層樓以下的建筑物來說,投影誤差較小，可以忽略不計(jì)；而對于高層建筑可以先在建筑頂部采集其形狀、大小,再根據(jù)建筑可見的地面上的點(diǎn)確定其位置。

（3）應(yīng)用于城市規(guī)劃。數(shù)字正射影像圖應(yīng)用到城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中,在規(guī)劃設(shè)計(jì)的前期現(xiàn)狀調(diào)查期間,數(shù)字正射影像圖可以通過提供大量的信息,以直觀、翔實(shí)的影像來反映許多實(shí)地踏勘中的盲點(diǎn)。同時(shí),利用數(shù)字正射影像圖作為規(guī)劃底圖,使規(guī)劃內(nèi)容與周邊環(huán)境的關(guān)系更加清晰,在舊區(qū)改造、歷史古建筑保護(hù)、城市重點(diǎn)區(qū)域和地區(qū)標(biāo)志性建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)中可以發(fā)揮十分重要的作用。

3.2 正攝影像的質(zhì)量評價(jià)

正射影像作為一種產(chǎn)品，需要對其進(jìn)行精度檢查和質(zhì)量控制。通常采用以下幾種方法來檢驗(yàn)正射影像的精度：

（1）野外檢測：檢查正射影像的絕對精度。

（2）與等高線圖或線劃地圖套合后進(jìn)行目視檢查。

（3）左和右影像制作兩幅正射影像，量測影像上同名點(diǎn)的視差。當(dāng)沒有上述誤差，且該點(diǎn)為地表點(diǎn)時(shí)，其視差應(yīng)為零。如視差超出規(guī)定數(shù)值，則需對數(shù)據(jù)采集和正射影像制作全過程進(jìn)行檢查，找出問題所在進(jìn)行返工[6]。

正射影像的質(zhì)量一般采用目視檢查，如色調(diào)是否均勻，是否存在影像扭曲和變形等等。

經(jīng)過鑲嵌的影像，其鑲嵌處色彩應(yīng)過渡自然，無明顯的色彩變換。在鑲嵌處不應(yīng)有因鑲嵌引起的重影、模糊或斷裂等現(xiàn)象。完整性主要指影像的完整性和圖廓注記的完整性。當(dāng)航片資料不夠，大片區(qū)域落水或缺少控制點(diǎn)成果，很可能導(dǎo)致影像不滿幅，造成正射影像的不完整，對于因落水導(dǎo)致的不完整，如果水面沒有紋理或用圖單位對水域要求不高，為了使影像完整，可以在Photoshop下復(fù)制其他地方的水域，并粘貼于此進(jìn)行一定的處理，更方便的方法是使用橡皮圖章工具進(jìn)行實(shí)時(shí)拷貝；圖廓注記通常包括圖名、圖號、坐標(biāo)系、成圖時(shí)間、制作單位、結(jié)合表等；準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性指圖廓注記準(zhǔn)確與否和DOM所反映的信息與實(shí)際情況的差異。

[1]喬瑞亭，孫和利，李欣．?dāng)z影與空中攝影學(xué)[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社，2006.

[2]王富強(qiáng)，凌兵．?dāng)?shù)字正射影像圖的原理及生產(chǎn)流程[J]．黑龍江科技信息，2004(4):130.

[3]李德仁，周月琴，金為銑．?dāng)z影測量與遙感概論[M]．北京:測繪出版社，2001.

[4]王國明，呂德鳳，吳淑清．基于VirtuoZo 數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的正射影像制作[J]．測繪工程，2000(4):49-51.

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[6]王昱，胡莘，張保明．?dāng)?shù)字影像質(zhì)量評價(jià)方法研究[J]．測繪通報(bào)，2002(5):7-9.

張冀（1991—），男，漢族，助理工程師，從事地圖編輯工作。E-mail:994246711@qq.com