三調正射影像生產中道路扭曲的快速糾正方法

馬瑞峰,杜全葉,張力,董友強,4,姜慧偉

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院,甘肅 蘭州 730070;2.中國測繪科學研究院,北京 100830;3.甘肅省地理國情監測實驗室,甘肅 蘭州 730070;4.中國礦業大學 地球科學與測繪工程學院,北京 100083;5.武漢大學 遙感信息工程學院,湖北 武漢 430072)

0 引 言

土地調查是一項重大的國情國力調查,是查實查清土地資源的重要手段.開展全國性土地調查,目的是全面查清當前全國土地利用狀況,掌握真實準確的土地基礎數據,健全土地調查、監測和統計制度,強化土地資源信息社會化服務,滿足經濟社會發展和國土資源管理工作需要[1].數字正射影像(DOM)作為土地調查底圖依據,既具有地圖的幾何特性,又具有像片的影像信息,與傳統的符號化線劃圖相比,它所表達的信息更為豐富、直觀,具有很大的開發利用價值[2].

目前各個測繪單位制作三調正射影像均利用已有的數字高程模型(DEM)產品作為生成DOM的高程數據[3-5],與傳統的先生產DEM后生產DOM的方法相比較,這種做法有兩個優勢[6-9]:

1)一方面減少了生產DEM的大量工作,可以快速制作DOM;

2)利用基礎測繪前期成果(1∶1萬、1∶5萬DEM)保證了生產精度.

而在實際生產中,由于已有DEM成果相較于當前影像地面點信息,存在時空差異,現勢性差,造成正射影像上地物出現扭曲、局部邊緣模糊等問題,其中以道路扭曲最為突出.近年來隨著我國城市化進程的快速推進,促使各城鎮之間交通可達性大幅提升,各等級道路里程數穩步增長[10].因此在當前影像中部分新建成道路高程信息并未體現在前期基礎測繪成果的參考DEM上,而利用此DEM生產正射影像時,道路會出現大面積、長距離扭曲現象.目前各生產單位通常用貼原始片以替換道路扭曲區域,該作業方式步驟冗余且復雜,造成生產周期加長、效率降低.為了高效解決因參考DEM現勢性差而造成的道路扭曲問題,本文給出一種適合DOM高效生產的道路扭曲區域解決方法.該方法首先尋找扭曲變形區域,然后人工編輯道路扭曲DEM,再進行此區域的局部正射糾正,達到快速高效生產正射影像的目的.

1 基于有理函數模型的高分辨率 衛星影像的正射糾正

現階段開展的全國土地調查中,高分辨衛星影像已成為生產DOM的主要數據源.高分辨衛星影像是線性陣列傳感器推掃式成像,每行掃描影像是中心投影.有理函數模型(RFM) 獨立于具體傳感器,使現有軟件平臺集成新傳感器模型更加便捷,算法實現較嚴密成像模型更高效的優點,能夠實現公開化傳感器參數、通用化幾何成像模型、智能化影像處理方式的需求,被廣泛用于高精度影像定位與影像的快速正射糾正技術.

1.1 有理函數模型

在RFM中,影像坐標和其地面空間坐標的關系用有理多項式來表達,將像點坐標(x,y)表示為以相應地面空間坐標(φ,λ,h)為自由變量的多項式的比值,一般形式為

(1)

式中:(xn,yn)為像點坐標(x,y)正則化的影像坐標;(φn,λn,hn)為地面坐標(φ,λ,h)正則化的地面坐標,正則化公式為

(2)

則可知影像坐標(line,sample)為

line=yn·line_scale+line_off,

sample=xn·sample_scale+sample_off.

(3)

式中:samp_scale、samp_off、line_sacle、line_off為4個影像坐標的正則化參數;lat_scale、lat_off、lon_sacle、lon_off、alt_scale、alt_off為6個地面坐標的正則化參數.

1. 2 基于RFM的區域網平差模型

直接利用初始有理多項式系數(RPC)一般達不到精度要求,因此需借助一定數量的地面控制點對RPC進行精化.根據文獻[11]對每幅影像定義一個仿射變換:

x=e0+e1·sample+e2·line,

y=f0+f1·sample+f2·line.

(4)

式中,(x,y)是點在影像上的量測坐標.基于RFM的區域網平差就是在已知初始RPC基礎上，利用少量外業控制點的地面坐標及其在影像上的量測坐標計算每一幅影像的仿射變換參數以及所有連接點的地面坐標[12].再根據反解法原理,對影像進行修正.

1.3 反解法數字微分糾正

正射糾正不僅可以對圖像中每個象元進行地形變形的校正,而且對糾正后的影像進行了地理編碼,為定量化分析及處理奠定基礎.在數字攝影測量學中,影像正射糾正有正解法和反解法兩種方法.由于正解法糾正影像存在一系列問題,因此本文采用比較常用的反解法微分糾正方法,即先采集測區DEM,再基于此DEM進行DOM生產,詳細步驟見文獻[12].

1.4 正射糾正中由高程變化引起的平面誤差分析

利用定向后的影像和成果DEM通過數字微分糾正獲取單片正射影像,而在實際生產中,會由于DEM的現勢性差而造成DOM地物扭曲變形,而其變形原因大多為DEM采集的高程信息不符合當前影像真實地面點信息造成的.如圖1所示,假設待糾正的原始影像道路上點為P0,而在DEM上采集的地面點為p′,此時在同一點會產生△z的高程差異,利用有理函數模型解算出的像點坐標在平面上會出現△x、△y的偏移,因此道路等地物會出現扭曲現象,且DEM與待糾正影像差異越大,扭曲變形越嚴重[13].

高分辨率衛星影像正射糾正后典型道路扭曲變形案例,如圖2所示.

2 正射影像中道路扭曲快速糾正方法

正射糾正后的影像中仍然存在大量扭曲、變形區域,特別是道路區域.下面針對現有解決方案的不足給出道路扭曲區域的快速糾正方案.

2.1 現有道路扭曲解決方案

目前各測繪生產單位在正射影像生產中,作業員對道路扭曲、拉花區域一般處理流程為,將DOM出現問題區域對應到原始影像中,利用帶有地理信息插件的Photoshop軟件將原始片中正確區域通過局部貼片的方式貼到正射影像上,再利用Photoshop中對比度拉伸、印章等功能使原始片與正射影像保持視覺一致.該作業方式對道路問題區域的處理可以達到很好的視覺效果,但需要投入的人工工作量大、周期長,且精度損耗大,因此尋求一種快速高效、易于操作、自動化程度更高的作業方式是各生產單位所迫切需要的.

2.2 快速糾正方法

本文給出一種在土地調查正射影像生產中更嚴密、更高效的作業方式,其處理流程如下(如圖3所示):

1) 利用參考底圖DEM,將原始單片衛星影像通過現有的數字攝影測量平臺生產單片正射影像,并鑲嵌為當前作業區;

2) 將單片糾正后的 DOM、DEM和原始影像三者結合.人工尋找DOM上道路扭曲區域,對應到該區域DEM上,修改其地形地貌使之符合當前修建道路后的地面點信息.一般情況,在實際道路區域都是被人工施工為平緩地后再修建道路,因此本文修改DEM道路區域的方法為通過點選取扭曲道路區域周圍的地面點,使這些地面點的平均高程可以代表當前影像道路的地面點信息,再將此區域根據選取點的高程做置平和平滑等處理.

3) 通過步驟2)修改的DEM高程可以表示當前待糾正影像上道路的地面點信息.通過局部正射糾正,在DOM上僅糾正道路扭曲區域,并檢查糾正精度,如不滿足糾正精度,再返回步驟2)修改DEM,直到DOM道路扭曲區域滿足作業精度.通常經過處理后的DEM在置平邊緣區域會出現陡坎,對應糾正后的DOM會出現跳躍現象,因此可在置平處理后對DEM置平邊緣適當做光滑處理,以避免局部糾正道路區域出現此現象.

4) 重復步驟2)、3)中查找DOM道路問題區域,修改對應DEM,再進行局部正射糾正,完成當前作業區所有道路問題區域的修改,生成成果DOM.

3 實驗結果及評價

3.1 道路扭曲局部正射糾正

實驗數據為土地調查中正射影像生產常用數據源高分二號及北京二號影像,空間分辨率均為全色1 m,多光譜4 m,參考底圖為基礎測繪成果1∶5萬DEM數據.利用一定的控制點進行區域網平差,獲取參與平差影像RPC系統改正誤差后,對每景影像進行正射糾正處理.經典的正射影像生產流程為單片數字微分糾正、融合、勻光勻色及鑲嵌,利用國產高分辨率遙感衛星影像一體化處理系統——PixelGrid平臺進行影像定位定向參數改正、單片正射糾正及勻光勻色等環節,其自動化可到90%以上[14-15].利用此作業模式開發的系統平臺, 即PhotoMap中將原始影像、底圖DEM及當前作業區DOM三者結合,在道路矢量成果資料輔助下,人工查找DOM上道路問題區域并編輯其對應DEM區域,進行局部正射糾正.

以高分二號某地區影像為例,處理某段扭曲道路,由于DEM采集點與當前影像道路區域地面點信息不符,單片正射糾正后出現問題的道路區域如圖4(a)所示,通過編輯對應區域的DEM(如圖4(b)所示),再進行局部正射糾正,糾正結果如圖4(c)所示.以北京二號某地區影像為例,處理某段扭曲道路,處理結果如圖5所示.在采集DEM時需要注意,將DEM需要修改區域采用漸變的高程值置平后,不同的置平區域之間及所有置平區域邊緣應做平滑操作,使修改區與地面緩慢過渡,不應出現DEM跳躍現象.

3.2 方法評價

3.2.1 定性評價

經過正射糾正后的影像部分道路區域存在嚴重扭曲,通過本文方法可實現道路扭曲區域的快速糾正.表1示出了利用高分二號及北京二號兩組實驗影像道路扭曲局部糾正效果,從示例圖可以看出,影像中道路扭曲明顯得到改善,道路區域邊緣地物沒有出現明顯錯位現象.

表1 道路扭曲局部糾正前后

3.2.2 定量評價

通過對某段扭曲道路糾正前后選取一定量的同名點計算其在平面位置上的偏移量,以反映將DEM修改為正確高程點對平面偏移的影響.從表2的平面偏差結果可以看出,將底圖DEM上的點Z編輯為當前道路高程Z′,通過局部正射糾正,道路平面位置會有相應偏移量,將扭曲道路的地面點糾正到盡可能正確的點位上.

表2 編輯DEM高程前后的平面偏移量

利用一定數量扭曲道路區域的控制點,分別與扭曲道路修改前和修改后點位做精度對比,其結果如表3、表4所示.

表3 控制點與扭曲道路修改前點位精度對比

表4 控制點與扭曲道路修改后點位精度對比

從表3中的點位精度對比結果可以看出,扭曲道路整體偏移在X方向偏差較Y方向偏差更大,X方向偏差較大的點位達到8個像素(像素大小1 m),其沿X和Y方向的誤差分別在6個像素和1個像素內,不滿足第三次土地調查DOM制作業內精度要求,三調中1∶1萬DOM比例尺在平地及丘陵地精度要求為5 m.而表4表明,通過本文方法對道路扭曲局部糾正后,由高程引起的平面偏差得到很大改善,在各控制點點位中,X方向最大偏差為3個像素左右,X和Y方向中誤差分別在2個像素和0.2個像素以內,符合生產精度要求.且利用該方法可以很大程度地提高作業效率,節省人工投入及作業時間.

3.2.3 效率評價

通過測繪生產單位與作業人員的交流并利用實驗數據驗證,本文方法可大幅提升生產效率,以生產DOM1∶1萬標準分幅為例,修改10景標準分幅存在道路扭曲的DOM需要兩個工作日,而利用本文提出的作業方式在半個工作日可修改完所有道路扭曲,并通過精度質量檢驗.

4 結束語

土地調查底圖單片正射影像生產中存在大量道路扭曲區域,本文提出通過編輯道路扭曲區域DEM,并用經過修改后DEM局部糾正道路變形區域,符合正射影像生產原理及流程.該方法不僅突破了傳統作業模式,有利于提高正射影像產品精度,而且節省了人工投入及作業時間.

由于單片正射糾正后的影像中變形、扭曲和拉花現象不僅存在于道路,而且房屋、電力線等地物也會有不同程度的變形,借鑒修改道路方法,將此方法用于修改其他地物變形,將能很大程度地提高作業效率,為土地調查底圖生產效率提供保障.