基于ADS-100航空影像的北京市正射影像數據制作

鄭岳澤 李楚鈺 周 慶 王梓琪 王建楠

(1.北京市測繪設計研究院,北京 100038;2.城市空間信息工程北京市重點實驗室,北京 100038)

0 引言

數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)長期以來被認為是標準地圖的補充或替代,不僅可以直觀地反映城市地貌的現狀信息,高分辨率的正射影像數據還可以彌補地形圖數據在困難地區更新不及時、大比例尺地形圖不全等問題[1-4]。北京市作為全國的政治、經濟、文化中心,開展全市域正射影像生產工作對于自然資源調查、城市規劃、城市基礎設施建設、重大工程項目施工選址等具有一定的實際意義。本次全市域航空影像獲取采用的ADS-100(airborne digital sensor 100)航攝儀是徠卡公司在2013年推出的一款推掃式航空相機,與傳統的框幅式相機相比,每條掃描線均有相應的外方位元素,在影像制作時所用的地面控制點較少,且高程精度高[5-7],對像控點依賴小且同名點匹配無須像傳統航片一樣對點位位置和數量有嚴格限制,因此不受航片落水影響,詳細參數見表1。

表1 ADS-100航攝儀主要技術指標

1 研究區概況

北京攝區總面積為16 410.54 km2,其中山區面積10 200 km2,約占總面積的62%,平原區面積為6 200 km2,約占總面積的38%。航飛路線總長度14 020.73 km,航攝時間總計約74 h,根據每架次航攝位置以及航線長度,將全市域分為18個空三加密分區,逐個進行平差計算。為保證數據處理精度,采用對應航攝時間、對應覆蓋范圍內16個北京市連續運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)數據對原始航飛的定位定姿系統(position and orientation system,POS)數據進行校正。

2 正射影像制作流程

ADS-100正射影像生產作業流程如圖1所示。

圖1 ADS-100正射影像生產流程

2.1 數據預處理

數據預處理階段首先是對ADS-100下載的原始航飛數據進行質量檢查,一是檢查原始數據覆蓋范圍,確保航線完全覆蓋測區,將補飛、作廢航線數據進行統計整理;二是檢查航飛數據是否滿足質量要求,確保影像紋理清晰,無明顯的拉花、扭曲、變形、云霧遮蓋等。其次,將全球定位系統(global positioning system,GPS)/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)數據與地面CORS基站數據進行聯合處理[8],獲取高精度外方位元素的初始值,利用該數據將原始的影像進行解壓、預處理、生成金字塔(Lov)等處理步驟得到L0級影像數據,用于空中三角測量作業。

2.2 空三加密

空中三角測量前首先根據空三分區合理進行像控點布設[9],ADS-100航攝儀攜帶的高精度GPS/IMU數據可以確保影像在曝光時獲取照片準確的姿態數據,因此可以實現少量地面控制點的條件下完成目標的三維定位。其次,利用XPro軟件為各個分區新建空三加密工程進行連接點自動匹配,連接點的數量根據影像紋理特征由程序自動匹配生成,匹配連接點一般情況下應均勻分布在影像上,對于地物特征不明顯的山區,應適當調整連接點選取方案[10-11],保證有足夠的連接點參與平差。自由網平差并優化中連接點取舍應滿足一定的規則:

(1)高于亮度重疊。

(2)連接點平面、高程中誤差應在一個像素以內(≤0.20 m)。

(3)連接點不足的區域應人工添加少量連接點。

完成自由網平差后進行人工控制點轉刺并進行約束網平差和控制點殘差檢核工作,進行測區之間空三加密接邊工作后輸出空三加密成果,空三精度應滿足表2中的數據。

表2 像控點和檢查點精度評價 單位:m

2.3 影像制作

影像制作部分主要是對空三加密后的L1數據結合數字高程模型(digital elevation model,DEM)進行正射糾正并對糾正后的數據進行編輯[12],該過程實現平臺為法國像素工廠攝影測量數據處理軟件[13-14]。

2.3.1正射校正

通過將坐標從像方空間轉換到物方空間,并消除傾斜和起伏位移,將透視圖像幾何調整為正射圖像的過程,在該過程中數字高程模型是正射校正處理的主要輸入,數字高程模型中的垂直和水平誤差都會傳播到生成的數字正射影像中,在正射影像中表現為平面(水平)誤差,隨著局部地形的增加,數字高程模型的質量對正射校正過程變得更加重要[15-16]。因此,在本項目中,采用我院2015年激光雷達點云生成的2 m分辨率數字高程模型作為正射校正的基礎數據。

2.3.2鑲嵌線編輯

影像鑲嵌是正射影像制作中較為關鍵的一步。正確的鑲嵌線應該避免建筑物、構筑物等區域形成幾何錯位,并且保證鑲嵌線兩側顏色過渡自然。本項目中,編輯鑲嵌線時繞開了人工建筑物、水體、橋梁等,盡量沿著邊界清晰處進行編輯,如圖2所示。

圖2 鑲嵌線編輯示意圖

2.3.3影像編輯

影像編輯部分使用我院自主研發的影像編輯軟件對影像進行局部的編輯處理工作。北京市三面環山,地勢起伏大,受限于中心投影的影像獲取方式,在經過正射糾正后,地形劇烈變化的區域會產生影像拉花現象。由于項目中使用我院2015年DEM成果進行正射糾正,雖然節約項目成本,但DEM實效性較差,土地利用有變化的區域會在糾正后產生區域內房屋、道路等地物扭曲的情況。為解決以上問題,滿足正射影像生產標準,通常需要人工尋找問題區域,并到相應的糾正影像或原始影像中尋找對應區域的原始紋理,使用Photoshop軟件進行影像替補貼圖,以此進行影像問題修正,完成影像編輯工作,如圖3所示。

圖3 影像編輯示意圖

3 精度分析

3.1 空三精度分析

為了檢查ADS-100空三加密精度,本項目將外業測量的225個控制點坐標作為理論值,利用MapMatrix軟件測量其在立體模型下的坐標,從而對空三加密結果的精度進行驗證,對原始外業坐標與立體量測坐標進行統計,可以計算本項目中各分區控制點平面與高程中誤差精度統計結果,如表3所示。

各區控制點誤差分布情況如圖4所示。

圖4 各分區控制點誤差分布圖

本項目中選取153個檢查點對外業坐標實測值與立體模型量測值進行統計,可得檢查點平面X中誤差為0.197 m,平面Y中誤差為0.223 m,高程中誤差為0.198 m,滿足表2中相關精度要求。檢查點坐標誤差分布情況如圖5所示。

圖5 檢查點誤差分布圖

航區公共點接邊平面和高程較差中誤差不得大于表2中規定的數據,各分區接邊精度如表4所示,滿足相關精度要求。

表4 正射影像成果精度評價表 單位:m

接邊公共點坐標誤差分布情況如圖6所示。

圖6 接邊誤差分布圖

3.2 DOM成果精度分析

為達到國家相關技術標準成果成圖要求,還需要在北京市市域范圍內選取平均分布的若干檢查點,將選取的檢查點的真實坐標與正射影像中的觀測坐標相比較,驗證正射影像成果平面精度。

本項目共選取215個檢查點進行正射影像精度驗證可得,檢查點的真實坐標與正射影像觀測坐標的差值一般在0～2個像素范圍內,平面誤差最大值為0.66 m,最小值為0 m,中誤差為0.28 m,滿足成果數據平原區平面位置中誤差不大于1 m的精度要求。正射影像數據精度要求見表4。

圖7為檢查點的真實坐標與正射影像觀測坐標差值分布情況。

圖7 正射影像成果誤差分布

相比于以往采用362個控制點、成圖面積為582 km2的傳統框幅式DMC項目,本項目在成圖面積增加27倍的情況下,控制點個數減少了37.85%。

4 結束語

開展高分辨率航空攝影是確保城市規劃管理、應急指揮、資源調查和環境監測等業務工作有序進行不可或缺的重要基礎數據,具有很強的時效性。使用ADS-100推掃式航攝儀在特大型城市中開展大面積航飛作業能有效地減少外業控制點的布設工作,提升工作效率。同時推掃式航攝儀較傳統框幅式航攝儀,具有成圖面積大、作業效率快、數據質量高的特點,能夠減少內業影像拼接工作,解決像主點落水問題,在北京市等空域限制性較強的地區具有很好的應用前景。該項目的實施對今后開展大面積快速成圖工作積累了成熟的作業經驗。