冀南攝區(qū)正射影像的生產(chǎn)與質(zhì)量控制方法研究

王松偉 王賽

(河北省第二測(cè)繪院 河北石家莊 050031)

數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）是利用數(shù)字高程模型對(duì)經(jīng)掃描處理的數(shù)字化航空像片，經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正、鑲嵌，按國(guó)家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。隨著航空攝影遙感資料處理技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，利用航空遙感影像數(shù)據(jù)制作的亞米級(jí)數(shù)字正射影像圖已經(jīng)成為支撐國(guó)土調(diào)查與利用、地理測(cè)繪、海洋和氣候氣象觀測(cè)、水利和林業(yè)資源監(jiān)測(cè)、城市和交通精細(xì)化管理、疫情評(píng)估與公共衛(wèi)生應(yīng)急、地球系統(tǒng)科學(xué)研究等重點(diǎn)領(lǐng)域的重要數(shù)據(jù)源。當(dāng)前各地正在進(jìn)行的實(shí)景三維項(xiàng)目建設(shè)基于高精度的數(shù)字正射影像圖為基礎(chǔ)，正射影像圖的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到相關(guān)工作業(yè)務(wù)開展是否順利。因此，本文基于Inpho軟件正射影像制作的方法和步驟，對(duì)生產(chǎn)過程中容易處出現(xiàn)的扭曲變形[1]、顏色不自然等問題進(jìn)行分析，討論如何運(yùn)用科學(xué)的生產(chǎn)方法，建立質(zhì)優(yōu)的生產(chǎn)方案[2]。

1 生產(chǎn)研究區(qū)域概況

本次研究的生產(chǎn)區(qū)域主要包括涉及邢臺(tái)市、邯鄲市及衡水市部分地區(qū)，生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，自西而東山地、丘陵、平原階梯排列，其中邢臺(tái)以平原為主，西部為山地和丘陵區(qū)，東部為平原區(qū)，山地位于邢臺(tái)地區(qū)西部。邯鄲以京廣鐵路為界，西部為中、低山丘陵地貌，東部為華北平原。衡水市地處河北沖積平原，地勢(shì)自西南向東北緩慢傾斜，境內(nèi)河流較多，由于河流泛濫和改道，沉積物交錯(cuò)分布，形成許多緩崗、微斜平地和低洼地。

作業(yè)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)有關(guān)的基礎(chǔ)資料有：（1）2020 年地面分辨率0.5 m 的航空影像數(shù)據(jù)；（2）河北省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)能提供全天候的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量服務(wù)，用于本項(xiàng)目像片控制測(cè)量等工作；（3）河北省似大地水準(zhǔn)面精化模型，高程精度中誤差為±4.4 cm，可實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)成果高程系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換；（4）河北省全國(guó)第三次國(guó)土調(diào)查項(xiàng)目省界數(shù)據(jù)用于外業(yè)調(diào)繪底圖制作；（5）2015—2016年的1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)用于數(shù)字微分糾正時(shí)的高程基礎(chǔ)。

2 技術(shù)流程

本文重點(diǎn)研究1∶1 數(shù)字正射影像圖DOM 生產(chǎn)流程和過程中的質(zhì)量控制方法，以分辨率0.5 m的航空影像數(shù)據(jù)和外業(yè)像控點(diǎn)為基礎(chǔ)資料，主要工作流程包括空三加密、DTM的生成和編輯、正射影像校正、鑲嵌勻色和生成正射影像圖，如圖1 所示。影像勻光勻色之后影像出現(xiàn)的部分缺陷問題如路輕微錯(cuò)位、影像拉花等問題，需要借助Photoshop軟件進(jìn)行修補(bǔ)處理。輸出裁切完的影像.tfw 文件不能滿足要求時(shí)，需要ArcGIS Pro軟件進(jìn)行處理完成[3]。

圖1 技術(shù)流程圖

3 DOM生產(chǎn)與質(zhì)量控制

3.1 空三加密

像片控制測(cè)量中平高點(diǎn)的刺點(diǎn)位置選擇和觀測(cè)精度直接影響著空三加密質(zhì)量，為了提高正射影像的質(zhì)量，像控點(diǎn)的刺點(diǎn)位置應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定如目標(biāo)影像應(yīng)清晰，易于判別，如選在交角良好（30°～150°）的細(xì)小線狀地物的交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)、像片上影像小于0.3 mm×0.3 mm 的點(diǎn)狀地物中心，同時(shí)應(yīng)是高程變化較小的地方，易于準(zhǔn)確定位和量測(cè)；弧形地物等不應(yīng)選作點(diǎn)位目標(biāo)等。

本次Inpho 軟件空中三角測(cè)量的原理是共線條件方程，共線方程是表達(dá)物點(diǎn)、像點(diǎn)和投影中心（對(duì)像片而言通常是鏡頭中心）三點(diǎn)位于一條直線的數(shù)學(xué)關(guān)系式。作業(yè)的基本流程為在軟件中建立工程、項(xiàng)目基本參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)入相機(jī)像片數(shù)據(jù)、加入POS 文件、創(chuàng)建航帶數(shù)據(jù)、導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)、創(chuàng)建金字塔、控制點(diǎn)測(cè)量、自動(dòng)提取連接點(diǎn)、空三后處理/點(diǎn)抽稀、區(qū)域網(wǎng)評(píng)差結(jié)算、精度檢查及成果導(dǎo)出[4]。

3.2 DTM編輯及正射糾正

數(shù)字地形模型/DTM 表示裸地地形，沒有建筑物、人為構(gòu)筑物和植被。用于經(jīng)典的正射影像生產(chǎn)，不需要與正射影像具有相同的網(wǎng)格間距，可以更粗略。

Inpho軟件DTMaster提供DTM創(chuàng)建的分類濾波策略，對(duì)自動(dòng)匹配生成的DTM進(jìn)行地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)分類，對(duì)植被房屋等高出地面的物體進(jìn)行濾波后，再進(jìn)行插值，使數(shù)字模型更加貼合地面，通過人工判讀、過濾、內(nèi)插等方式，去除數(shù)字表面模型中的植被、樓房及其他非永久性建筑，獲取用于微分糾正的數(shù)字地面模型，提高了工作效率。

在影像初步糾正后需人工對(duì)影像進(jìn)行檢查，重點(diǎn)查看鐵路、高速公路、高架立交橋及地形起伏較大附近房屋等處影像數(shù)據(jù)，如果地物出現(xiàn)變形扭曲等問題，則需要對(duì)變形扭曲對(duì)應(yīng)的DTM 數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯[5]：對(duì)應(yīng)部分抹平。對(duì)鐵路、橋梁、高速等變形扭曲地物可通過等高線抹平的方法進(jìn)行處理；通過DTM數(shù)據(jù)內(nèi)插法做局部平滑處理；人工采集變形影像附近高程異常點(diǎn)，利用軟件進(jìn)行局部重構(gòu)，如圖2所示。

圖2 DTM局部處理和影像糾正

3.3 拼接線編輯和影像勻光勻色

根據(jù)空三生成模型和處DTM 數(shù)據(jù)生成正射影像DOM，將生成的DOM 在orthoVista 中按照技術(shù)設(shè)計(jì)中的參數(shù)進(jìn)行勻色、勻光以及顏色校正。應(yīng)用EPT 軟件首先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)挑選一張影像信息豐富，色彩色調(diào)均勻的影像作為模板影像[6]，然后利用模板影像對(duì)整體影像進(jìn)行勻光勻色處理。確保成果色彩過渡自然，反映真實(shí)。勻色處理應(yīng)縮小影像間的色調(diào)差異，使色調(diào)均勻、反差適中、層次分明，保持地物色彩不失真。處理后的影像上不應(yīng)有勻色處理的痕跡。

由于原始影像數(shù)據(jù)存在拍攝時(shí)間不一致等問題，陽(yáng)光照射角度不同，勻色后還是會(huì)存在一些差異，盡量在拼接線編輯階段處理，保證圖邊過渡自然。色彩調(diào)整完成后，在接縫編輯器中自動(dòng)探測(cè)拼接線，自動(dòng)完成鑲嵌并生成拼接線。檢查相鄰的像片數(shù)字正射影像應(yīng)鑲嵌的接邊精度是否符合CH/T 9009.3的規(guī)定，誤差超限時(shí)應(yīng)返工處理。接邊差符合要求后，進(jìn)行拼接線編輯，過程示例詳見圖3。編輯拼接線應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾個(gè)問題：（1）拼接線應(yīng)開大型建筑物和影像差異較大的地方，盡量選擇現(xiàn)狀地物，一般可選擇河、路、溝、渠、田埂等的邊沿，盡量在野外的自然地物上走拼接線；（2）重點(diǎn)檢查與拼接線相交和垂直的高速公路、鐵路、橋梁和立交橋是否有錯(cuò)位，把有錯(cuò)位的包含到一張影像內(nèi)；（3）河流、水域等影像出現(xiàn)反光的水面區(qū)域要通過拼接走向選擇不反光的影像；（4）高大建筑樓房盡量保持導(dǎo)向一致，盡量讓大片的廠區(qū)，村鎮(zhèn)、高樓等在一張影像上；（5）編輯完成的影像應(yīng)確保無(wú)明顯拼接痕跡，過渡自然[7]，紋理清晰。

圖3 拼接線編輯前后示例

3.4 Photoshop修補(bǔ)影像和圖幅裁切

PS影像修補(bǔ)階段針對(duì)DTM編輯階段和拼接線編輯階段處理不了的影像局部和細(xì)枝末節(jié)的問題進(jìn)行處理[8]。將鑲嵌階段完成的大塊影像裁切為6 GB左右的分塊影像，在PS中利用地理成像插件Avenza Geographic Imager將分塊影像導(dǎo)入，在PS軟件中檢查并修改問題。

影像拼接輕微錯(cuò)位處理調(diào)整主要用PS 軟件中操控變形和自由變換等功能，對(duì)比原始影像找到錯(cuò)位處剪貼圖層到錯(cuò)位影像處，進(jìn)行自由變換和操控變形操作，貼圖完成后合并圖層即可。影像拉花處也可按此方法進(jìn)行處理。圖像色彩調(diào)整主要運(yùn)用PS 工具中圖像調(diào)整模塊中的功能，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)色處理[9]，對(duì)影像進(jìn)行色彩、亮度和對(duì)比度的調(diào)整。色彩平衡能夠很好地解決影像部分顏色失真問題，如當(dāng)植被樹木較多時(shí)，雖然影像過渡自然，紋理清晰，但整體顏色發(fā)青，可使用色彩平衡功能調(diào)整，減少植被區(qū)域的青色，使影像更加接近于影像實(shí)體本來(lái)的顏色。用曲線工具將曲線值調(diào)成S 形狀可增加影像的對(duì)比度，使影像更加清晰。PS中的內(nèi)容識(shí)別功能和仿制圖章功能可以對(duì)影像中的亮斑、雜質(zhì)等現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)處理，之后按照設(shè)計(jì)書規(guī)定的1∶10 000范圍裁切數(shù)據(jù)，生成圖幅數(shù)字正射影像。

3.5 DOM成果質(zhì)量檢查

DOM 制作完成后應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行影像質(zhì)量檢查和影像精度檢查。其中影像質(zhì)量檢查主要包括：（1）影像反差是否適中、色調(diào)是否均勻；（2）經(jīng)過鑲嵌的數(shù)字正射影像圖的鑲嵌邊處附近不應(yīng)有明顯的灰度改變和明顯的鑲嵌痕跡；（3）數(shù)字正射影像圖上的地物地貌應(yīng)真實(shí)，無(wú)扭曲變形、無(wú)噪聲、云影等缺陷；（4）影像數(shù)據(jù)上的接邊差不產(chǎn)生整體性、明顯性的視覺差異；存儲(chǔ)單元與像幅的接邊視覺差異得到消除；（5）數(shù)字正射影像圖的整體外觀應(yīng)整潔、美觀。

影像精度檢查主要檢查地物點(diǎn)精度的高低[10]，圖上坐標(biāo)值愈接近實(shí)地檢測(cè)坐標(biāo)值，說明DOM的精度質(zhì)量越高。本案選擇具有代表性的50個(gè)平面地物點(diǎn)和50個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析。精度統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 DOM平高點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

以上精度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，DOM的成果平面坐標(biāo)方向精度為0.318 m和0.225 m；高程中誤差值為0.121 m，完全滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字正射影像圖（DOM）具有豐富的信息量，很強(qiáng)的直觀性強(qiáng)，并且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有良好的判讀與量測(cè)性能且具有生產(chǎn)、更新周期短與低成本高效率的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。隨著數(shù)字航空遙感技術(shù)的發(fā)展，高精度的正射影像圖已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文介紹了正射影像的生產(chǎn)流程，探討了各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制問題，同時(shí)影像制作過程中出現(xiàn)的問題給出了一些建議和處置方法，提高了生產(chǎn)效率，提升了成果質(zhì)量。