衛星影像大場景立體模型精度控制方法研究

王 濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

鐵路勘察設計工作一般基于(1 ∶2 000) ～(1 ∶50 000)比例平面地形圖構建的二維場景[1],由于平面地形圖多采用等高線、地物邊界線或特定符號表現地形、地貌及地物信息,其構建的鐵路沿線二維場景存在缺乏立體感、不直觀等問題[2],不便于鐵路勘察設計人員開展專業踏勘、設計驗證和方案展示等工作。 針對傳統二維場景存在的不足,真實三維場景模型的構建方法成為測繪領域研究的熱點[3],測繪技術從二維到三維的轉型升級正面臨前所未有的發展機遇和巨大挑戰[4]。

基于像片對的立體模型是攝影測量的核心和基礎[5],一般情況下,立體觀測范圍僅僅局限于立體像對的重疊范圍,這樣使得立體模型的應用受限[6]。 大場景立體模型突破了單個像對的限制,能夠提供一個連續無縫的真三維立體環境[7],成為一種新型立體模型技術,航空影像數據進行大場景制作已經在勘察、設計等多個工程領域得到廣泛的認可[8]。 而傳統采用航空數據生產大場景立體模型的方法,存在原始影像像幅小、攝影成本高、工期控制困難等問題[9],若要對某區域進行長時序的建模與分析,無人機和有人機在數據獲取方面成本較高,且難以滿足特定場景的快速三維構建[10]。

衛星影像能夠全天候獲取影像數據,避免了天氣、空域等因素的制約,利用立體衛星影像數據進行三維模型構建值得研究[11]。 為了彌補現有大場景技術的不足,使用高分辨率航天衛星影像代替傳統航空影像來制作大場景立體模型,為工程勘察設計提供一種全新的、高效的勘測手段。

1 大場景立體模型原理

20 世紀70 年代,COLINS 基于正射投影對構造立體模型進行相關的研究,提出基于單個立體正射像片對的概念[12],其基本原理是,地物碎部點的視差可以理解為數字高程模型(DEM)高程引起的視差與地物點到DEM 的高差引起的視差之和,對立體像對的左右片分別制作正射影像,在其中一張引入DEM 高程引起的視差,使其成為輔助立體正射影像,便可得到立體正射像片對。

為了形成與實際地形相一致的立體模型,通常采用對數函數作為視差引入函數。 對數投影法引入視差的函數為

式中,B為基線長度;H為航高;Z為DEM 地面點到基準面的高差;P為該高度對應的視差。

李德仁對相關理論進行完善,提出基于無縫鑲嵌的數字正射影像和立體輔助影像,構建一個大范圍可量測無縫正射影像立體模型,再根據視差函數對整體的左鑲嵌正射影像引入視差,生成一個輔助影像,由正射影像和輔助影像構成一個無縫正射影像的立體模型[13];王爭鳴對大場景的制作方法進行改進,通過記錄航向、基線長度等信息,按各模型的基線方向引入DEM 視差,確保視差計算的正確性[14]。 通過對視差的量測,可反算出高程,若量測正射影像上的為非地面點時,如房屋、植被等,則會有平面投影位移,碎部點的平面投影位移見圖1。

圖1 碎部點平面投影位移

由圖1 可知,碎部點高程已知,由此可以計算出平面投影位移,從而來改正正射影像上量測的平面坐標,最后可得出碎部點的準確平面坐標。

2 關鍵因素及其精度控制

衛星影像大場景立體模型技術的關鍵在于使用數字高程模型,通過合理的拼接線把各子單元的立體原始雙片映射為2 張大場景影像,生成左右大場景影像后,即可在視差生成基線方向中投射出三維立體效果。制作流程見圖2,影像勻光勻色、空三加密、DEM 生產與編輯和拼接線編輯是大場景立體模型生產過程中的關鍵工序。 其中,空三加密須具有足夠高的精度,否則沒有使用價值[15]。 因此,影像勻光勻色、DEM 生產與編輯和拼接線編輯3 個環節是影響大場景立體模型成果的關鍵因素。

衛星影像獲取過程中,由于攝影時間、光照不一致等因素的干擾,原始影像在色調、亮度、反差等方面存在一定差異,若直接使用原始影像,則會導致大場景立體模型成果在像對間存在明顯差異,給后續使用和信息判讀帶來困難[16]。 因此,需要對原始衛星影像進行勻光勻色處理,保證生成的大場景立體模型具有自然的紋理過渡及良好的視覺效果。

DEM 的生產過程比較復雜,容易產生粗差[17],在大場景模型制作和量測過程中,DEM 的精度是影響量測精度的重要指標。 如果DEM 模型不準確,那么DEM 與真實地形的高差會轉化為視差殘留在大場景左右影像上,正射影像對的高程精度受到DEM 高程誤差的影響[18]。 基于立體像對匹配生產的DEM 時,對于地形平坦地區,原始DEM 粗差較小,對于大高差、地形變化劇烈的山地環境,原始DEM 粗差較大,有時甚至把整個山體或溝谷都拉到同一平面。 若不區分地形等級,以同一標準對DEM 進行編輯,則不能達到預期效果,標準太高會耗費大量的非必要的人工與時間成本。 因此,需首先確定在各級地形下,不同程度的DEM 粗差對大場景視覺效果和數學精度的影響。 在此基礎上,針對不同等級地形,在立體環境下對DEM進行編輯,將其粗差降至可控范圍內。

拼接線質量決定了衛星影像大場景立體模型的整體視覺效果。 同時,影像拼接線矢量數據中存儲了大場景立體影像像對屬性信息,是銜接相鄰影像的基礎矢量數據。 首先由大場景立體影像生產軟件獲取影像初始拼接線,再通過第三方GIS 軟件套合輔助正射影像進行編輯。 編輯時應避開獨立地物、橋梁、房屋等,以保證建筑物的完整性;應避開樹林、水塘等,選擇高差起伏小的地方進行影像拼接。

以某山區鐵路為例,采用地面分辨率為0.5 m 的WorldView 衛星影像進行實驗,量化上述因素對大場景立體模型精度的影響,以實現對衛星影像大場景立體模型精度的有效控制。

2.1 影像勻光勻色

截取小范圍的影像作為參考模板,以參考影像為基準,對其余影像進行處理。 影像勻光勻色效果見圖3,原始衛星影像為全色影像,亮度不均勻、明暗不一致,鑲嵌影像存在明顯的亮度差異,影響大場景立體模型的色彩表達。 經勻光勻色處理后的影像亮度一致、細節清晰,鑲嵌線處的色彩差異小、過渡自然,視覺效果良好。

圖3 影像勻光勻色效果

影像的均值反映其色調和亮度,標準差反映其灰度動態變化范圍[19],并在一定程度上體現反差,理想情況下,鑲嵌范圍內的影像應該具有近似的均值和標準差[20]。 圖3(a)左側影像經勻光勻色處理統計參數見表1,可以看出,勻色后影像與參考影像灰度均值和標準差均較為接近。

表1 影像勻光勻色前后參數比較

2.2 DEM 生產與編輯

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級地形下各選擇5 個點,對測試點對應的DEM 模型引入2,5,10 m 的粗差,在此基礎上生成大場景模型,并統計引入粗差后的大場景立體模型與原模型在視覺效果和數學精度方面的差異,實驗結果見表2。

表2 DEM 引入粗差后大場景坐標與原坐標較差統計_____________m____

DEM 引入2 m 與5 m 粗差后,對生成的大場景點位坐標與原坐標的較差值繪制曲線,見圖4。

圖4 DEM 引入粗差后大場景坐標與原坐標較差(單位:m)

在道路的同一位置(Ⅰ級地形),對DEM 引入粗差后,大場景立體模型視覺效果與原大場景立體模型對比見圖5。

圖5 DEM 引入粗差后大場景立體模型對比

由上述實驗可得出如下結論。 ①DEM 的粗差不論大小,都會影響大場景立體模型視差的正確表達,影響地面能否切準,從而影響數學精度。 ②DEM 的粗差達到一定閾值時,會使大場景立體模型發生變形,影響判識精度。 對于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級地形,DEM 粗差在5 m 內,大場景立體模型變形程度較小或無變形;對于Ⅰ級地形,DEM粗差在2 m 內,大場景立體模型變形程度較小或無變形。 ③DEM 的粗差在容許范圍內時,粗差大小對生成的大場景立體模型數學精度影響不明顯。

2.3 拼接線編輯

由于衛星影像成像的年份、季節不同,河流在相鄰影像上的灰度、紋理有很大差異,拼接情況見圖6。 圖6(a)左側影像河流處于豐水期,流量充沛、河道寬闊,右側影像河道明顯變窄、灰度偏暗,若拼接線不做編輯,會造成空間的切割感。 對此處的拼接線作繞避處理,使拼接線從河岸邊地面弱紋理區域穿過,生成的大場景模型立體像對接邊處自然過渡。 同樣的,對全局拼接線進行編輯,使其繞避獨立地物、交通網、水系等,在高山區拼接線應沿著溝心行進,以避免拼接處的影像變形和拼接痕跡明顯。

圖6 編輯拼接線效果

3 實驗分析

基于以上精度控制方法,制作了該鐵路全線地面分辨率為0.5 m 的衛星影像大場景立體模型,共計6 000 km2,整體色調均一、反差合理,視覺效果良好(見圖7)。

圖7 某境外鐵路衛星影像大場景立體模型

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級地形下,各選擇20 個像控點作為在大場景立體模型上的坐標,計算大場景立體模型坐標與外業實測坐標的差值,結果見圖8。 由于目前沒有大場景立體模型精度指標的相關規范,參考Q/CR 9158—2020《鐵路衛星定位與遙感測量技術規程》中對1 ∶1 萬地形圖各級地形絕對定向誤差限差的規定。 根據圖8 統計坐標較差最值,統計結果見表3。 可以看出,衛星影像大場景立體模型定向精度符合規范要求,且模型精度與地形等級無顯著聯系。

表3 衛星影像大場景絕對定向精度統計m

本項目中,大場景立體模型的制作僅需54 張衛星影像,如果采用航空攝影的方式,則需要上萬張原始影像數據,另外考慮攝影條件、空域申請、攝影設備、人員投入等,使用航天衛星影像的立體大場景生成方法,具有顯著優勢。

4 結論

主要研究衛星影像大場景立體模型制作過程中的精度控制問題。 在衛星影像大場景立體模型制作環節中,對影響模型精度的關鍵因素予以論證、分析和量化,形成一套完整的精度控制方法,并將其應用到某鐵路項目的大場景立體模型制作中,模型中定向點的平面、高程坐標最大殘差為1.81 m 和0.95 m,成果滿足相應規范要求。

衛星影像大場景立體模型可以提供一個連續無縫的真三維立體環境,精度高、成本低、直觀性強。 其作為一種新型數字測繪產品,不僅能夠服務于鐵路線路三維虛擬踏勘、專業設計驗證和方案三維展示分析等工作,還廣泛適用于其他領域,應用前景廣闊。