數(shù)字航空攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

李賢虎

隨著測(cè)繪技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,航空攝影測(cè)量技術(shù)也有了前所未有的發(fā)展和進(jìn)步,其空間數(shù)據(jù)獲取已從單一的野外測(cè)量發(fā)展到內(nèi)外業(yè)綜合以內(nèi)業(yè)為主的采集方式。當(dāng)前,陸地資源衛(wèi)星、星載SAR、機(jī)載激光雷達(dá)、航空攝影等方式成為空間數(shù)據(jù)獲取的主要技術(shù)手段,而傳統(tǒng)儀器測(cè)量成為這些技術(shù)手段的輔助。

1數(shù)字航空攝影測(cè)量的最新進(jìn)展與應(yīng)用領(lǐng)域

自本世紀(jì)初數(shù)字航空相機(jī)問世以來,ADS40、DMC、UCD、SWDC等航空攝影儀不斷涌現(xiàn),近幾年GPS技術(shù)、慣導(dǎo)技術(shù)、數(shù)碼掃描、激光掃描、雷達(dá)等高精端技術(shù)與航空攝影的緊密結(jié)合,形成了多種航空攝影新技術(shù),如GPS輔助航空攝影技術(shù)、IMLJ(POS)/DGPS輔助航空攝影技術(shù)、利用高解像率的CCD陣列取代膠片,獲取地面的地物地貌光譜數(shù)字信息的數(shù)字航攝儀、SAR合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)、LIDAR激光測(cè)高掃描系統(tǒng)等,也在推動(dòng)著數(shù)字航空攝影測(cè)量的發(fā)展。

數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于高效率的地圖數(shù)據(jù)更新、城市規(guī)劃服務(wù)和土地測(cè)量、GIS/LIS數(shù)據(jù)庫以及資源環(huán)境管理中的理想的專題制圖和三維數(shù)據(jù)采集、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、土地利用、地質(zhì)等領(lǐng)域的地理數(shù)據(jù)獲取等,還可廣泛用于城市建筑、城市環(huán)境工程、城市交通、水利工程、礦山測(cè)量、考古、地質(zhì)、醫(yī)療、生物、材料力學(xué)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。

2航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空三加密

利用VirtuoZoAAT+Pat-B自動(dòng)空三加密模塊,以數(shù)碼航片作為空三加密的原始數(shù)據(jù),運(yùn)用Pat-B平差軟件進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差。通過航測(cè)內(nèi)業(yè)方法(包括內(nèi)定向、相對(duì)定向、公共連接點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺)構(gòu)建空中三角網(wǎng),并將外業(yè)控制點(diǎn)成果和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)按嚴(yán)密的數(shù)字模型進(jìn)行區(qū)域整體平差,得到優(yōu)化后的外方位元素和加密點(diǎn)成果。

以航測(cè)外業(yè)已劃分的區(qū)域分區(qū)為內(nèi)業(yè)空三加密的基本單元。使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)采集像點(diǎn)坐標(biāo),采用解析空三平差程序解算大地坐標(biāo)。加密分區(qū)間參加大地定向的公共像控點(diǎn)必須是唯一的,即同點(diǎn)號(hào)、同坐標(biāo)值。加密限差按GB 7930-87《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。加密分區(qū)間必須接邊,作業(yè)完成后應(yīng)填寫圖歷表,輸出加密成果(作業(yè)說明、外業(yè)控制點(diǎn)分布略圖、加密點(diǎn)分布略圖、外業(yè)像控點(diǎn)坐標(biāo)、加密點(diǎn)坐標(biāo)、大地定向、檢查點(diǎn)坐標(biāo)、接邊點(diǎn)坐標(biāo)和檢驗(yàn)報(bào)告等)。

2.2 數(shù)字正射影像圖(DOM)數(shù)據(jù)生產(chǎn)

2.2.1 技術(shù)路線

本文研究利用Virtuozo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)工作站進(jìn)行1∶1000數(shù)字正射影像圖DOM的制作。在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中,導(dǎo)入空三成果恢復(fù)測(cè)區(qū)并創(chuàng)建立體像對(duì),作業(yè)生產(chǎn)區(qū)域DEM數(shù)據(jù),并用特征點(diǎn)、線參與計(jì)算修改生成DEM。利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)原始影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正,通過自動(dòng)生成的鑲嵌線對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的模型正射影像進(jìn)行無縫拼接,并最終完成數(shù)字正射影像圖。最后按40cm×50cm矩形圖廓對(duì)影像進(jìn)行分幅裁切,形成DOM數(shù)據(jù)成果。

2.2.2 DEM生產(chǎn)

利用空三成果,自動(dòng)建立測(cè)區(qū)立體模型及其參數(shù)文件,在此基礎(chǔ)上生成核線影像。DEM數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)采用影像自動(dòng)相關(guān)技術(shù),生成DEM點(diǎn)(或視差曲線)。采用視差曲線編輯過程時(shí),視差曲線間隔要合理。視差曲線(或DEM點(diǎn))必須切準(zhǔn)地面,真實(shí)反映地形態(tài)勢(shì)。

(1)采集特征點(diǎn)、線、面。

主要是針對(duì)一些在完成影像自動(dòng)匹配比較困難的地區(qū)和部位,例如大片居民區(qū)、水域及高層建筑旁被黑影遮蓋部分等所作出的處理,主要方法是量測(cè)出相應(yīng)部位的特征點(diǎn)、線、面。

(1)單特征線:是指地形發(fā)生明顯變化的地形變化線,量測(cè)時(shí)沿這些特征線以靜態(tài)讀點(diǎn)方式嚴(yán)格切準(zhǔn)立體模型采集。遇樹林等植被覆蓋區(qū),要盡量切準(zhǔn)林間空地測(cè)讀碎部點(diǎn)高程;(2)雙特征線:是指依比例尺的陡坎、斜坡、堤、河流、公路、鐵路等,為了保證影像糾正質(zhì)量,對(duì)于帶狀構(gòu)造物,例如公路、鐵路、路堤、依比例尺雙線堤,應(yīng)按雙特征線量測(cè)上端兩側(cè)堤頂和下端兩側(cè)堤腳線。對(duì)于彎曲線狀地物,至少要采集弧線上的三條特征線,特征線不應(yīng)出現(xiàn)交叉點(diǎn);(3)對(duì)高架路、橋等制作DEM時(shí),應(yīng)在高架路、橋上邊沿量測(cè)特征線,DEM點(diǎn)需編至高架路、橋面上,以保證糾正后的影像不變形和位移;(4)封閉型要素:對(duì)于面積大于100m2的水庫、池塘等靜止水域內(nèi)的DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程應(yīng)一致,流動(dòng)水域的上下游DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程應(yīng)呈梯度下降,關(guān)系合理;(5)采用點(diǎn)編輯、面編輯相結(jié)合的方法,將DEM點(diǎn)修正到立體模型表面。按要求輸出DEM數(shù)據(jù)。DEM的編輯必須結(jié)合地貌特征內(nèi)插生成格網(wǎng)DEM(2.5m間距),檢查DEM點(diǎn)與每個(gè)模型的吻合情況,對(duì)DEM點(diǎn)與模型不吻合的區(qū)域進(jìn)行修測(cè),使每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)都貼近地表。

(2)DEM匹配結(jié)果的編輯。

采用顯示等高線模式或顯示等視差模式,在立體模型中對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行檢查、編輯。本項(xiàng)目中應(yīng)注意對(duì)以下的情況下進(jìn)行檢查、編輯。

①影像的不連續(xù)、被遮蓋及陰影等區(qū)域原因,檢查匹配點(diǎn)是否切準(zhǔn)地面;②建筑物、樹林等部位,檢查匹配點(diǎn)是否為地面點(diǎn),而非物體表面上的點(diǎn);③大面積平坦地區(qū)、溝渠及地形破碎區(qū)域,檢查匹配點(diǎn)和等視差曲線是否真實(shí)表現(xiàn)地形;④大面積跨圖幅的靜水面,對(duì)涉及的模型均給定值,保證水面DEM高度保持一致;⑤高架橋、高架鐵路、高架公路根據(jù)具體情況對(duì)其抬高或置平,保證DOM影像不變形。

(3)建立DEM。

根據(jù)加密點(diǎn)直接按區(qū)域生成大范圍區(qū)域DEM,通過引入特征點(diǎn)、線、面等采集數(shù)據(jù)構(gòu)三角網(wǎng),進(jìn)行插值計(jì)算,按2.5m×2.5m格網(wǎng)間距建立數(shù)字高程模型即DEM。

(4)DOM生產(chǎn)。

利用DEM完成影像微分糾正,按照分區(qū)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)影像以像元大小為0.1m進(jìn)行雙線性內(nèi)插或三次卷積內(nèi)插法進(jìn)行重采樣,生成分區(qū)正射影像(DOM)。通過自動(dòng)生成的鑲嵌線對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的模型正射影像進(jìn)行無縫拼接。DOM接邊中高大建筑物的投影差帶來的接邊倒影,可采用調(diào)換左右片生成正射影像進(jìn)行貼補(bǔ),使高層建筑物達(dá)到無縫接邊,并最終完成數(shù)字正射影像圖。

(5)正射影像檢查修補(bǔ)。

檢查所生成的正射影像是否失真、變形,尤其是房屋、橋梁和道路,是否有房角拉長(zhǎng)、房屋重影、橋梁和道路扭曲變形等。若有此情況,則要重新采集生成DEM,重新糾正,確保影像無誤。對(duì)正射影像上局部出現(xiàn)的模糊、重影現(xiàn)象,通過貼補(bǔ)糾正后的單模型正射影像進(jìn)行修補(bǔ)。

(6)影像勻色。

為保證鑲嵌后正射影像色彩一致、均勻,針對(duì)航攝過程中出現(xiàn)的色差,需對(duì)所生成的正射影像進(jìn)行色彩糾正,包括單影像色彩調(diào)整與多影像色彩均衡。勻色標(biāo)準(zhǔn):選取幾個(gè)有代表性的圖幅,對(duì)測(cè)區(qū)中代表不同地貌的幾個(gè)影像圖進(jìn)行勻色,分析效果,調(diào)整出一幅符合整個(gè)測(cè)區(qū)顏色信息的標(biāo)準(zhǔn)樣圖。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣圖,對(duì)測(cè)區(qū)正射影像進(jìn)行全自動(dòng)色彩調(diào)整和平衡處理,確保最終DOM的整體色彩均勻一致。影像應(yīng)色彩真實(shí)、影像紋理清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)飽滿,色調(diào)正常,圖幅與圖幅之間色彩過渡自然、色調(diào)一致。

(7)正射影像鑲嵌。

相鄰的數(shù)字正射影像必須在空間和幾何形狀上都要精確的匹配。必須進(jìn)行可視化的檢查,以確保相鄰的數(shù)字正射影像中地面特征沒有偏移。還應(yīng)該盡量利用鑲嵌線避開由于高程特征引起的偏移和錯(cuò)位,同時(shí)應(yīng)盡量保證地物的完整性。

(8)DOM檢查。

①利用空三加密的保密點(diǎn)對(duì)DOM進(jìn)行檢查,當(dāng)同名點(diǎn)平面差異較大時(shí)應(yīng)查明原因,必要時(shí)進(jìn)行返工;②相鄰DOM影像鑲嵌處的接邊限差以目視直接判讀不得出現(xiàn)明顯接邊痕跡為主要原則,不應(yīng)大于4個(gè)像素,對(duì)滿足接邊精度要求的影像進(jìn)行無縫接邊,對(duì)于接邊超限的影像,須查明原因進(jìn)行修改;③正射影像鑲嵌前的接邊檢查,還需要檢查相鄰DOM影像鑲嵌處的顏色,保證相鄰DOM影像鑲嵌后影像過渡自然,不得出現(xiàn)明顯色差。

(9)正射影像分幅裁切。

按GB/7930-87的分幅規(guī)則,采用40cm×50cm規(guī)格進(jìn)行分幅,確定圖幅四個(gè)圖廓點(diǎn)坐標(biāo)為裁切范圍,每幅面積為0.2km2。

(10)正射影像質(zhì)量控制。

①采用目視檢查的方法進(jìn)行圖面檢查,保證正射影像圖面清晰,反差適中,色調(diào)均勻;②正射影像圖不得有重影,模糊或紋理斷裂等現(xiàn)象,影像應(yīng)連續(xù)完整,灰度無明顯不同,色彩平衡一致。并保證相鄰圖幅間的影像色調(diào)基本一致;③正射影像上的地物地貌真實(shí),無扭曲變形,無噪聲等缺陷;④正射影像覆蓋范圍內(nèi)的影像無漏洞。

3數(shù)字航空攝影測(cè)量的技術(shù)難題與研究熱點(diǎn)

目前,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站(DPW:Digital Photogrammetric Workstation)技術(shù)已相當(dāng)成熟,而影像的獲取主要還依靠傳統(tǒng)的膠片來完成,如何快速且能全數(shù)字化獲取影像信息就成為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的重要研究方向。數(shù)碼相機(jī)的快速發(fā)展為航攝儀的“數(shù)字化”提供了條件,基于數(shù)碼相機(jī)的航攝儀的研究是攝影測(cè)量全部數(shù)字化的關(guān)鍵,成為攝影測(cè)量界研究的熱點(diǎn)。然而,數(shù)碼相機(jī)的鏡頭畸變差很大,內(nèi)方位元素?zé)o法直接量取,屬于非量測(cè)型相機(jī),這就使得數(shù)碼相機(jī)無法直接在攝影測(cè)量中使用,同時(shí)數(shù)碼相機(jī)的幅面小、且多為矩形,導(dǎo)致攝影測(cè)量的外業(yè)控制和內(nèi)業(yè)處理工作量大幅增加。這些技術(shù)難題都必須予以解決,才能真正的將數(shù)碼相機(jī)作為航攝儀。

此外,目前數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展,主要還是圍繞著利用航空攝影測(cè)量測(cè)繪地形圖展開的,而對(duì)于數(shù)字近景(地面)攝影測(cè)量的研究甚少,數(shù)字近景攝影測(cè)量必將成為數(shù)字航空攝影測(cè)量發(fā)展的新領(lǐng)域,它將成為機(jī)器人視覺現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別的主要解決手段,而對(duì)實(shí)時(shí)性、全自動(dòng)源數(shù)據(jù)獲取及仿真虛擬手段的研究將成為近景應(yīng)用研究的主題。

4結(jié)語

數(shù)字航空攝影測(cè)量是一門相對(duì)年輕的學(xué)科,它利用計(jì)算機(jī)替代“人眼”,使得數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在理論和實(shí)踐中都得到迅速發(fā)展,它將在三維可視化、GIS數(shù)據(jù)更新、數(shù)學(xué)近景攝影測(cè)量等方面得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。它的發(fā)展使得膠片攝影被數(shù)字?jǐn)z影所取代成為必然趨勢(shì),數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的研究已成為當(dāng)前航空遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向,新型數(shù)字航空攝影機(jī)的應(yīng)用必將為航空攝影測(cè)量技術(shù)帶來一次變革,并把我國(guó)航空攝影測(cè)量技術(shù)推向數(shù)字航空攝影時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 李得仁,周月琴,金為銑.攝影測(cè)量與遙感概論[M].測(cè)繪出版社,1999.

[2] 李壽兵.航空攝影新技術(shù)推動(dòng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展[J].鐵路工程學(xué)報(bào),2005.

[3] 黃健.數(shù)字高程模型的質(zhì)量檢查[J].測(cè)繪通報(bào),2002(2):55～56.

[4] 張劍清,潘勵(lì),王樹根.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.