鐵路航測調繪片自動制作方法研究

2018-03-02 07:07:12

鐵道勘察 2018年1期

關鍵詞：鐵路

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

傳統航測調繪片采用人工制作方法，包括調繪范圍框制作、調繪框命名、影像裁剪、影像旋轉、調繪片尺寸調整、調繪片命名及輸出等步驟。傳統制作方法存在以下幾個問題：

(1)需要多個軟件協同操作(AutoCAD、 Globalmapper、Photoshop等)，操作步驟多，制作效率低。

(2)正射影像的數量大，對電腦配置要求較高。

(3)調繪片制作不夠規范，在調繪片命名以及調繪片尺寸方面不統一。

(4)每個步驟均需要人工參與，效率低且易出錯。

1 調繪片制作流程

紙質調繪片是鐵路勘察設計階段地形圖制作的重要作業工序，其基本流程主要包括三個部分：①范圍框的制作。②根據鐵路調繪框的范圍裁剪相應的影像數據。③將裁剪后帶有地理坐標的影像進行重采樣并完成成果輸出。其中，鐵路調繪框的自動制作是對矢量數據的操作，其數據基本格式為DWG或者DXF，可以采用基于AUTOCAD的二次開發實現；影像的裁剪與重采樣過程是基于矢量數據的柵格影像處理操作，可以基于地理空間數據抽象庫(GDAL-Geospatial Data Abstraction Library)開發實現，借助自編功能，可以控制影像生產制作過程，大幅提高影像處理的效率。圖1為調繪片批量自動化制作的作業流程。

圖1 鐵路調繪片批量自動化制作流程

將調繪范圍框矢量的制作部分與調繪片影像的處理內容分開處理，采用與矢量、柵格數據格式相適應的函數庫編程開發處理，實現兩部分內容的自動化制作。

2 調繪框自動化制作

調繪框的制作是完成調繪片影像處理裁剪范圍的必要步驟。制作調繪框時，需要根據鐵路線位走向和鐵路沿線需要調繪的范圍，確定調繪框的具體位置以及調繪片沿線位的排列方向，盡可能使調繪范圍位于調繪框中間。鐵路的調繪范圍呈帶狀分布，相鄰調繪片的排列方向需要與線位的方向保持一致，在彎曲處，需要保證兩張調繪片有足夠的重疊。根據鐵路航測成圖的要求，調繪片一般采用A3紙張打印(尺寸為297 mm×420 mm)，而線位兩側600 m范圍內需要調繪。綜合以上因素，鐵路調繪片制作的比例宜選擇1∶4 000。調繪范圍框的實際尺寸一般選擇為1 120 mm×1 600 mm。相鄰兩個調繪框的拼接示意如圖2所示。

圖2 調繪框制作示意(單位：mm)

調繪框制作的基本流程如圖3所示，其具體步驟如下：

圖3 調繪框制作示意

(1)根據鐵路中線信息，指定調繪框制作的起點A，以調繪矩形框長邊的L=1 600 m為半徑，計算與鐵路中線交點B的坐標。

(2)連接AB兩點，分別以A、B兩點為垂足，計算線段AB的垂線，垂足兩側的垂線長度均為560 m。

(3)根據垂線的長度即可確定調繪框矩形的4個角點坐標，完成第一個框的制作過程。

(4)為了保證兩個調繪框的重疊，以B為起點，根據不同曲線的曲線長度確定BC之間距離，一般來說，BC=150 m可以滿足相鄰調繪片重疊要求，再通過計算得到C點平面坐標。

(5)以C為起點，按照第一個框的制作流程完成第二個框的計算。

3 影像處理

基于上述自動生成的調繪框成果，將矢量框數據按照SHP格式分別導出點、線、面文件。其中點文件主要為調繪框名稱及線位里程信息，線文件主要為鐵路中線及需調繪范圍，采用矢量柵格化的方式，實現兩種矢量信息在調繪片影像中的標注。利用自動生成的調繪框，完成影像的裁剪工序。制作調繪片算法流程如圖4所示。

用于調繪片制作的DOM數據源中，要求所有用到的正射影像波段數以及影像分辨率保持一致，對于不一致的正攝影像，需要采用其他外部軟件進行重采樣，得到一致的分辨率或影像波段數。基于圖4的算法流程，采用編程方法，可實現影像裁剪和標準產品的自動化輸出。

圖4 影像處理算法流程

3.1 影像批量裁剪與拼接

調繪片制作過程中，影像的批量自動化裁剪是非常關鍵的步驟，影像裁剪與拼接的質量直接影響調繪片的質量以及制作效率。提出一種先裁剪再拼接的方法，可顯著提高影像裁剪的效率。其基本思路為：

(1)識別每個調繪框四個角點的地理坐標并記錄。

(2)遍歷數據源中所有影像，計算調繪框與每景影像的重疊范圍，記錄重疊范圍的地理坐標。

(3)記錄重疊的矢量多邊形，將對應的每幅圖像影像進行裁剪，并存儲裁剪之后的影像。

(4)第一個調繪框裁剪完成之后，繼續第二個調繪框的裁剪，直至將所有調繪框裁剪完畢。

影像裁剪完畢后，需要將調繪片有重疊區域的所有影像進行拼接處理。如果將所有影像直接按范圍疊加拼接處理，會導致拼接后影像中部分像素為背景值(見圖5(a))。為解決此問題，對原有拼接算法進行改進，有效消除了拼接過程中出現的無效數據。拼接策略為逐塊讀取拼接的影像，對于每次讀取的內存塊，逐像元判斷灰度是否為背景值(表示黑邊)，如果為背景值，則棄用，否則將其像元值放入新數組中，最后將新數組寫入影像中，依次完成鑲嵌。對于RGB影像拼接，增加了三個波段是否一致并且全部為背景灰度值的判斷條件，避免了彩色影像中黑邊問題出現(見圖5(b))。