探究將矢量圖斑投影到原始航片上的一種方法

周美玲 鄭少蘭

摘 要 經處理后的正射影像通常只有RGB波段，且影像信息失真，而原始航片具有多光譜信息，為了同時利用正射影像的地理坐標信息和原始航片的多光譜信息，本文提出了利用空三成果和DEM成果將矢量圖斑投影到原始航片的方法，實驗結果表明投影到原始航片上的圖斑與原始圖版一致。

關鍵詞 原始航片;正射影像;空三成果;共線方程

引言

近年來，基礎測繪獲取了大量的影像數據，通常處理后的影像只保留了RGB三個波段的數據，且處理后的影像信息失真，使得利用處理后的影像進行地物的識別，尤其是利用機器自動識別，往往達不到預期的效果。利用原始影像的多光譜信息進行地物識別可解決上述問題，但是原始影像通常沒有地理坐標，與實際的地物圖斑關聯不上。為解決這個問題，本文提出一種利用像片的內外方位元素將要識別的圖斑定位到原始航片的方法。

1攝影測量常用的坐標系

1.1 像平面坐標系o-xy

以像主點為原點，像片對邊中點連線與航線一致的那條線為x軸，另一條對邊中點連線為y軸，像平面坐標系用來表示像點在像片上的位置。

1.2 像空間坐標系S-xyz

以攝站點為坐標原點，攝站點與像主點的連線為z軸，x、y軸分別于像平面坐標系的x、y軸相同，用來表示像點在像方空間的位置。

1.3 像空間輔助坐標系S-XYZ

以攝站點為坐標原點，以鉛錘方向為Z軸，航線方向為X軸，垂于航線方向為Y軸。

1.4 攝影測量坐標系P-XPYPZP

以地面上某一點P為坐標原點，坐標軸方向與像空間輔助坐標系相同，也稱物方空間坐標系[1]。

2影像的內外方位元素

2.1 影像的內方位元素

影像的內方位元素包括鏡頭中心到像平面的垂距f（即我們常說的相機焦距），攝站點在像平面上的垂足點相對于影像中心的位置x0，y0。

2.2 影像的外方位元素

用來確實影像成像瞬間的空間位置和姿態的參數，包括攝影中心相對于物方空間坐標系的位置XS，YS，ZS，以及影像平面在攝影瞬間的空中姿態，即像空間坐標系與物方空間坐標系的旋轉角度關系。本文以X軸為主軸的旋轉系統為例，三個旋轉角分別為ω，ψ，κ。

根據以上定義，可得出：

像片上所有像點的像空間坐標系的z值為攝站點到像平面的垂距，值為負值。即像點的像空間坐標為（x，y，-f）[2]。

像空間坐標系與像空間輔助坐標系的轉換關系為

3共線方程

攝影時攝影中心S（XS，YS，ZS）、地物點A（XA，YA，ZA）、地物在像片上的構象a的像空間坐標（x，y，-f）和像空間輔助坐標（X，Y，Z）三點位于一條直線上，如圖1，則像點的像空間輔助坐標與物方點物方空間坐標有以下關系：

由式（1）和式（2）可推出

考慮像主點的坐標（x0 ，y0），（3）式展開得

本文使用的轉角系統為以X為主軸的ω-ψ-κ系統，像空間坐標系與像空間輔助坐標系的旋轉矩陣為

把上式乘出來可以得出

根據公式（4）可知，利用空三結果解算出的影像內外方位元素和地物點的物方空間坐標可將地面點投影到像片上，從而實現實地圖斑與原始影像的對應。

4實驗

4.1 實驗數據

本文實驗數據中使用的空三成果、正射影像和原始影像來源于廣東省高分辨率航空影像數據更新（0.2米）項目，空三成果為Inpho空三格式，正射影像為3波段，8bit數據原始影像為4波段，16bit數據，像元大小5.2um，數字高程模型為廣東省機載LiDAR點云數據獲取與數字高程模型更新項目成果。

4.2 實驗結果

實驗一：利用已知地面點物方空間坐標和影像內外方位元素計算地面點的像點坐標。

實驗二：將地物圖斑投影到原始航片上

本次實驗用的地物圖斑以正射影像為地圖繪制，為了結果可視化，計算結果與原始影像在ArcGIS中查看，只顯示RGB三個波段，且做了拉伸處理。

由正射影像勾繪出矢量圖斑只有平面坐標，沒有高程值，為了獲取高程值，本次實驗利用已有的DEM數據內插出圖斑各節點的高程值，最后根據公式（4）計算各節點在原始影像上的像素坐標。本文實驗中DEM內插采用雙線性內插方式。

其中：為圖斑節點的高程值，grd為DEM的格網間隔，i，j為節點在DEM上的格網坐標，，為節點到格網中心的距離。

圖2 正射影像

由表1可知由地理空間坐標反算到像素坐標的精度可達0.34個像素，換算成0.2米分辨率的影像，精度可達0.068米，完全滿足常規項目如地理國情監測等對于圖斑提取精度的要求。由實驗2的結果可看出地物圖斑在正射影像和原始影像上的邊界一致。

5結束語

本文提出了將地物圖斑投影到原始航片上的方法，首先利用DEM數據內插出圖斑各節點的高程值，然后利用共線方程計算出各節點在原始航片上的像素坐標，最后將各節點像素坐標構成矢量面，利用矢量面裁剪出原始影像，實現了同時利用正射影像的地理坐標信息和原始航片的多光譜信息。

參考文獻

[1] 李驍，葉進勇，魏霖，等.ContextCapture與INPHO結合的無人機空三加密方法研究[J].城市勘測，2019（1）：75-78.

[2] 張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社， 2009：215.