數(shù)字航空攝影測量核心技術(shù)問題研究

摘要：文章介紹了數(shù)字航空攝影測量的最新進(jìn)展與應(yīng)用領(lǐng)域，研究了生成正射影像圖的關(guān)鍵步驟及其過程中使用的核心技術(shù)，通過討論航空攝影測量的技術(shù)難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)，探索其發(fā)展方向與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：航空攝影測量 數(shù)字高程模型 正射影像航空攝影立體像對

中圖分類號：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)03(b)-0000-00

隨著測繪技術(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)儀器測量成為這些技術(shù)手段的輔助。

1 數(shù)字航空攝影測量的最新進(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激光測高掃描系統(tǒng)等，也在推動著數(shù)字航空攝影測量的發(fā)展。

數(shù)字航空攝影測量技術(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、礦山測量、考古、地質(zhì)、醫(yī)療、生物、材料力學(xué)、工業(yè)測量等領(lǐng)域。

2 航空攝影測量數(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。通過航測內(nèi)業(yè)方法（包括內(nèi)定向、相對定向、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、同坐標(biāo)值。加密限差按GB 7930-87《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內(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影測量工作站中，導(dǎo)入空三成果恢復(fù)測區(qū)并創(chuàng)建立體像對，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)對原始影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，通過自動生成的鑲嵌線對整個測區(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，自動建立測區(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)采集時應(yīng)采用影像自動相關(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，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。

(1)采集特征點(diǎn)、線、面

主要是針對一些在完成影像自動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，量測時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)按雙特征線量測上端兩側(cè)堤頂和下端兩側(cè)堤腳線。對于彎曲線狀地物，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）對高架路、橋等制作DEM時，應(yīng)在高架路、橋上邊沿量測特征線，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：對于面積大于100平方米的水庫、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（2.5米間距），檢查DEM點(diǎn)與每個模型的吻合情況，對DEM點(diǎn)與模型不吻合的區(qū)域進(jìn)行修測，使每個格網(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，在立體模型中對匹配結(jié)果進(jìn)行檢查、編輯。本項(xiàng)目中應(yīng)注意對以下的情況下進(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)具體情況對其抬高或置平，保證DOM影像不變形。

2.2.3 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。

2.2.4DOM生產(chǎn)

利用DEM完成影像微分糾正，按照分區(qū)對測區(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)。通過自動生成的鑲嵌線對整個測區(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。

2.2.5 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、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)。

2.2.6 影像勻色

為保證鑲嵌后正射影像色彩一致、均勻，針對航攝過程中出現(xiàn)的色差，需對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)：選取幾個有代表性的圖幅，對測區(qū)中代表不同地貌的幾個影像圖進(jìn)行勻色，分析效果，調(diào)整出一幅符合整個測區(qū)顏色信息的標(biāo)準(zhǔn)樣圖。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣圖，對測區(qū)正射影像進(jìn)行全自動色彩調(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。

2.2.7 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位，同時應(yīng)盡量保證地物的完整性。

2.2.8DOM檢查

（1）利用空三加密的保密點(diǎn)對DOM進(jìn)行檢查，當(dāng)同名點(diǎn)平面差異較大時應(yīng)查明原因，必要時進(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個像素，對滿足接邊精度要求的影像進(jìn)行無縫接邊，對于接邊超限的影像，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。

2.2.9 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，確定圖幅四個圖廓點(diǎn)坐標(biāo)為裁切范圍，每幅面積為0.2 KM2。

2.2.10 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。

5.數(shù)字航空攝影測量的技術(shù)難題與研究熱點(diǎn)

目前，數(shù)字?jǐn)z影測量工作站(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量全部數(shù)字化的關(guān)鍵，成為攝影測量界研究的熱點(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，屬于非量測型相機(jī)，這就使得數(shù)碼相機(jī)無法直接在攝影測量中使用，同時數(shù)碼相機(jī)的幅面小、且多為矩形，導(dǎo)致攝影測量的外業(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影測量的發(fā)展，主要還是圍繞著利用航空攝影測量測繪地形圖展開的，而對于數(shù)字近景(地面)攝影測量的研究甚少，數(shù)字近景攝影測量必將成為數(shù)字航空攝影測量發(fā)展的新領(lǐng)域，它將成為機(jī)器人視覺現(xiàn)場識別的主要解決手段，而對實(shí)時性、全自動源數(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。

6 結(jié)語

數(shù)字航空攝影測量是一門相對年輕的學(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，數(shù)字航空攝影測量系統(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量技術(shù)帶來一次變革 ，并把我國航空攝影測量技術(shù)推向數(shù)字航空攝影時代。

參考文獻(xiàn)

[1] 李得仁，周月琴，金為銑.攝影測量與遙感概論.測繪出版社，1999.

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

[3] 黃健，2002.數(shù)字高程模型的質(zhì)量檢查.測繪通報， (255-56).

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