淺談高質量數(shù)字正射影像圖的制作

劉鵬，黃國清，車風

(湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430071)

1 引言

數(shù)字正射影像圖(DOM)一直是傳統(tǒng)4D產(chǎn)品中的一個重要部分，因其獨有的特點而具有不可替代的地位。正射影像圖比地形圖更為直觀、易于理解，并最容易快速更新。隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國的建設，正射影像圖已經(jīng)從傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品發(fā)展成為地理信息系統(tǒng)的重要組成部分。

數(shù)字正射影像圖成果的質量檢查包含數(shù)學精度檢查和影像質量檢查兩個方面。相對來說，DOM數(shù)學精度容易達到，只要保證每張原始影像的內外方位元素和用于進行數(shù)字微分糾正的DEM或TIN的精度，通常糾正出來的DOM就具有足夠的數(shù)學精度。相反，在生產(chǎn)實踐中，DOM的影像質量卻往往成為DOM質量檢查中的主要矛盾。生產(chǎn)部門經(jīng)常抱怨原始影像質量太差，質檢部門又常常指責上交的DOM成果色調不均勻、色彩不飽和、拼縫兩邊色調色彩差異明顯、劃痕污跡過多等等。只有提高數(shù)字正射影像圖的質量才能解決這些矛盾。

2 制作高質量數(shù)字正射影像圖

2.1 數(shù)字正射影像圖的制作

利用中心投影的航攝像片制作正射影像圖是將中心投影轉變?yōu)檎渫队暗倪^程。為了消除地形起伏產(chǎn)生的投影差，可以用一個足夠小的面積作為糾正單元，并根據(jù)該糾正單元的地面實際高程來控制糾正元素，使之實現(xiàn)從中心投影到正射投影的正確變換，這就是微分糾正方法。實現(xiàn)微分糾正有兩種方式，一種是利用正射投影儀來進行，稱為光學微分糾正;另一種是直接利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)對數(shù)字影像進行逐個像元的微分糾正，稱為數(shù)字微分糾正。數(shù)字微分糾正過程主要是建立像元在原始影像和糾正后影像之間的映射關系:

現(xiàn)在工作中基本上使用數(shù)字微分糾正來制作數(shù)字正射影像圖，其流程如圖1所示。

圖1 正射影像圖制作流程

2.2 制約數(shù)字正射影像圖影像質量的因素和解決辦法

從數(shù)字正射影像圖(DOM)的制作流程可知，制約DOM成果影像質量的主要環(huán)節(jié)是像片掃描(數(shù)碼航片不必考慮本環(huán)節(jié))、影像勻光和影像拼接。這三個環(huán)節(jié)已在圖1中用黑色粗線框突出標示。

(1)像片掃描

像片掃描就是使用掃描儀數(shù)字化航拍負片的過程，對于采用膠片制作DOM的方式，掃描獲取的數(shù)字影像的質量直接決定了最終DOM產(chǎn)品的影像質量。掃描前進行源圖像的評估工作是確保獲得高質量數(shù)字化影像的關鍵，源圖像的評估主要是指對膠片進行物理條件的評估。通常當你拿到原始航拍膠片時，膠片表面具有灰塵、纖維、擦痕和指印，而掃描儀會放大膠片上的這些物理缺陷，因而在掃描前應該將其中的大多數(shù)問題消除掉，余下的一些問題只能待以后通過圖像修飾技術予以解決。

可以使用吹風球或高壓除塵罐來清除膠片上的絕大部分灰塵，然而，消除膠片上的擦痕和指印則是比較困難的。膠片基面上的擦痕可以通過涂抹一層薄薄的凡士林來使它不太明顯;而基面上的指印可以用噴有膠片清潔劑的軟布擦拭掉。圖2展示了灰塵、纖維、擦痕和指印在數(shù)字化圖像上留下的痕跡。

圖2 由灰塵、擦痕或毛發(fā)帶來的劃痕和斑點

完成對源圖像的評估后，就可以開始掃描的工作了。在掃描航攝膠片期間，建議確保高亮點的值設置在255，陰影點的值設置在0，Gamma值保持為1.0，而色調曲線為45°的直線。這樣設置的原因是:首先，能夠讓數(shù)字化后的圖像原封不動地再現(xiàn)航攝膠片的全部色調和全部細節(jié);其次，框標不需要預貼濾光片就能清晰呈現(xiàn)，避免了因為濾光片貼的不平帶來的框標變形，提高了內定向的精度。按這種方式設置參數(shù)后，掃描獲得的數(shù)字圖像是灰蒙蒙的一片，需要在Photoshop中進行一次批處理，對每張影像在其離邊緣1 cm的矩形中心區(qū)域執(zhí)行“自動對比度”。

(2)影像勻光

由于攝影時間、地面照度、太陽高度角及沖洗等因素的影響，可能出現(xiàn)掃描得到的數(shù)字影像有色調突變的情況。在對測區(qū)的全部影像進行勻光之前，應該利用包含全部影像的縮略索引圖，挑出色調突變和偏色相對嚴重的影像，并使用Photoshop的色調曲線或色彩平衡對它們進行色調調整和顏色校正。之后，再對全部影像進行整體勻光，這樣能使勻光后的每張影像相互間具有一致的色調和顏色沉著。

圖3 典型的偏色影像

(3)影像拼接

拼接影像過程中，切割位置是決定DOM成果影像質量的主要因素。拼接線選擇時一般應該遵循以下幾個原則:

①盡量讓拼接線與地物的自然分界線重合，如與道路邊線、河流或溝渠水邊線、田埂線等重合，但是，建議不要沿道路(尤其是鋪裝路面)中心選擇拼接線。切割影像時，軟件會按給定的寬度平滑拼接線兩邊的像素，這樣可能會產(chǎn)生鋸齒狀的光暈，特別是在制作高分辨率DOM(0.2 m以上)及道路紋理豐富的情況下，這種光暈現(xiàn)象尤顯突出。

②由于航片有達60%左右的航向重疊和30%左右的旁向重疊，因此選線時應充分利用重疊區(qū)域的影像，注意避開斑點、污跡、過亮和過暗區(qū)、地物變形、植被拉花以及地物模糊區(qū)域(這些缺陷通常不會在重疊的兩張影像上同時存在)，盡量使用重疊部分中對比度適中和地物清晰區(qū)域的影像。對于拼接期間不易繞開的缺陷區(qū)域，可以待拼接完成后在Photoshop中手工利用重疊的另一片正射影像來修補該區(qū)域。利用EPT(易拼圖)可以自動完成同樣的工作。

③采用航攝比例尺較大的原始影像制作DOM時，對于高樓密集的城市中心區(qū)、臨江城市以及高架橋梁較多的影像區(qū)域，由于膠片的影像比例尺較大(大于1∶4 000)，其投影差給影像拼接造成較大困難。拼接時應該盡量取像主點附近影像，對于類似小區(qū)的塊狀地物，盡量保持其影像的統(tǒng)一性，避免切割;同時應該注意盡可能的繞開高層或超高層地物，使其保持完整性;對于局部無法避免壓蓋的地物，拼接中先保持較矮地物以高樓影像修復做壓蓋處理，這保證了影像拼接的真實性。

(4)影像的后期修飾

即使掃描前進行了“源圖像的評估”工作，消除了絕大部分的物理缺陷，但還是會有少量的灰塵、擦痕以及指印帶來的斑點。為了消除這些斑點，只能使用數(shù)字圖像修飾技術來重新構造斑點處的信息。

通常，使用Photoshop來對影像進行后期修飾。在Photoshop中為了消除灰塵、擦痕以及指印帶來的斑點，通常采取用Stamp(圖章)工具手工拷貝像素到缺陷區(qū)域的方法。但是，還可以使用Photoshop提供的兩組濾鏡來自動消除斑點，第一組是Dust＆Scratches(蒙塵與劃痕)和Median(中間值)濾鏡;第二組是Unsharp Mask(非銳化遮罩)和Sharpen Edges(銳化邊緣)濾鏡。兩組濾鏡是成對使用的，第一組濾鏡在通過平滑缺陷區(qū)域的相鄰色調來消除斑點時會造成模糊，因而，應該使用第二組濾鏡來銳化該區(qū)域，這樣既可以消除灰塵、擦痕以及指印帶來的斑點，又不會過分降低缺陷區(qū)域的清晰度。如圖4，首先用 Dust＆Scratches(蒙塵與劃痕)濾鏡去除了圖像中的白色斑點，之后利用Unsharp Mask(非銳化遮罩)濾鏡對消除斑點后的影像進行了銳化。

圖4 使用濾鏡去除斑點

3 結論

應該根據(jù)DOM成果的具體質量要求來確定哪些因素是需要考慮的。通常只是在制作較高分辨率(大于0.2 m)的全彩DOM時才需要考慮上面提到的所有因素，而對于制作低分辨率的灰度DOM時則沒有必要過多去考慮上述因素，以達到效率和質量的平衡。

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