POS技術(shù)在數(shù)碼航攝影像制作DOM中的應(yīng)用

韋玉華，李霞，周琳

(南寧市勘測院，廣西 南寧 530001)

1 引言

攝影測量是根據(jù)物—像幾何關(guān)系確定各類空間物體的形狀、大小和位置。其原理則是通過同名光線的交會和像點來確定被攝目標(biāo)。因而，必須精確確定投影光束(像片)的位置(3個線元素X，Y，Z)和姿態(tài)(3個角元素φ，ω，K)，合稱6個外方位元素。傳統(tǒng)的攝影測量方法是利用大量的地面控制點并通過空中三角測量反求光束的外方位元素，其DOM成圖方式的主要過程包括航空攝影、外業(yè)控制點的測量、內(nèi)業(yè)的空中三角測量加密、建立像對模型、DEM的編輯和影像鑲嵌、勻光處理等作業(yè)步驟。由于該成圖過程工序復(fù)雜、工期大、費用高，得到的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)滯后于國民經(jīng)濟建設(shè)的需求;同時，該方法嚴(yán)重依賴地面控制點，尤其在地物單一、無明顯地物點的地區(qū)(如沙漠、戈壁或大草原)，難以采用傳統(tǒng)的航測方法。利用機載POS(Positioning Orientation System)系統(tǒng)，在航空攝影的同時，可以準(zhǔn)確地獲取像片的空間位置和姿態(tài)參數(shù)，基本可以免去地面控制工作，進而簡化和加速影像定向和定位工作。而且利用數(shù)碼航攝相機拍攝的影像，圖像清晰且分辨率高，能精確快速確定目標(biāo)點的空間位置，可以實現(xiàn)非語意信息的提取，根據(jù)影像的特征正確識別目標(biāo)的屬性，加速影像相對定向和定位工作，縮短成圖作業(yè)時間。與以往技術(shù)相比，基于POS技術(shù)使用數(shù)碼航攝影像制作DOM，具有低成本，清晰、高精度，高效率的特點。

2 機載POS技術(shù)的原理與方法

機載POS輔助航空攝影集成系統(tǒng)由慣性測量裝置、航攝儀、機載GPS接收機和地面基準(zhǔn)站GPS接收機四部分組成。利用機載POS系統(tǒng)和一個或多個地面基準(zhǔn)站可以直接獲取航攝像片的6個外方位元素，按照攝影測量共線方程的原理，可根據(jù)立體像對的前方交會，利用像點坐標(biāo)，直接解算地面點的空間位置坐標(biāo)，從而精確反演成像過程。

機載POS系統(tǒng)測定的定位定向參數(shù)在數(shù)字?jǐn)z影測量中有兩種應(yīng)用方法:

直接地理定位(Direct Georeferening，DG)。就是將POS系統(tǒng)獲取的定位定向參數(shù)直接反演成像的過程，通過立體像對的前方交會，以確定像點的地面坐標(biāo)達(dá)到地形圖測繪或制作正攝影像的目的。

集成傳感器定向(Integrated Sensor Orientation，ISO)。就是將POS獲取的定位定向參數(shù)，引入航空攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，采用統(tǒng)一的數(shù)字模型和算法，以獲得精確的影像外方位元素和立體測圖控制點的地面坐標(biāo)。

本文闡述的整個南寧市1∶2 000比例尺數(shù)字DOM項目的生產(chǎn)采用的是機載POS系統(tǒng)直接地理定位方法。

3 使用POS技術(shù)輔助制作南寧DOM及分析

3.1 基于POS外方位元素生成DOM的作業(yè)流程(圖1)

圖1 正射影像圖生產(chǎn)流程

(1)自動空中三角測量

在VirtuoZo AAT里進行空三加密，實際作業(yè)時，整個項目劃分成若干個分區(qū)來進行區(qū)域網(wǎng)量測。主要作業(yè)流程如下:

新建測區(qū)名，設(shè)置有關(guān)測區(qū)參數(shù)→引入相機參數(shù)文件→引入影像，進行影像格式轉(zhuǎn)換→旋轉(zhuǎn)影像→創(chuàng)建影像列表，設(shè)置重疊度、建立影像索引號→創(chuàng)建內(nèi)定向文件→添加航帶偏移點→自動轉(zhuǎn)點→自動挑點→在“GPS+IMU”中導(dǎo)入影像外方位文件→檢查像對的相對定向→保存測區(qū)文件。

①自動轉(zhuǎn)點時，往往會出現(xiàn)自動相對定向、模型連接失敗等問題?？刹捎萌斯ぴ黾舆B接點的方法處理。

②引入影像外方位文件時，影像列表的索引號名要與外方位文件中的image－no列一致。

(2)模型定向

空三結(jié)束后，先自動創(chuàng)建模型。然后，設(shè)置測區(qū)參數(shù)。修改DEM格網(wǎng)間隔、成圖比例。

①相對定向

進入相對定向界面，進行自動相對定向，查看相對定向點并檢查相對定向點的限差是否超限。定義左右影像的最大作業(yè)區(qū)，生成核線影像的范圍。

②絕對定向

由于基于POS技術(shù)航空攝影已經(jīng)提供了高精度的外方位元素，導(dǎo)入影像外方位文件后，缺省外業(yè)地面控制點和加密點，系統(tǒng)會自動提示采用影像的外方位元素生成模型的絕對定向。實際操作中，應(yīng)注意:查看影像的外方位元素(X，Y，Z，φ，ω，K)是否導(dǎo)入正確。對影像外方位數(shù)據(jù)的檢查，如果影像本身旋轉(zhuǎn)過180°，影像對應(yīng)的Kappa值是否已經(jīng)增加一個π或減去一個π值。

(3)生成核線影像、影像匹配

完成了模型定向后，即可批處理生成核線影像和影像匹配。非水平核線重采樣基于模型相對定向結(jié)果，生成的核線影像保持了原始影像同樣的信息量和屬性。當(dāng)原始影像發(fā)生傾斜時，核線影像也會發(fā)生同樣的傾斜。而水平核線重采樣使用了絕對定向的結(jié)果，將核線置平。根據(jù)南寧的地貌特征及航飛情況，采用的是非水平核線。

對一些匹配困難的區(qū)域(如山脊、陰影遮蓋處、居民區(qū)、水域等)可以先做匹配預(yù)處理，在模型中加測一些特征點、特征線或特征面輔助系統(tǒng)進行自動匹配，以獲得更好的匹配結(jié)果。

(4)生成DEM

DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)格網(wǎng)格點的平面坐標(biāo)及其高程的數(shù)據(jù)集，主要描述區(qū)域內(nèi)地貌形態(tài)的空間分布。且DEM是制作DOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

影像匹配后，根據(jù)匹配后產(chǎn)生的視差數(shù)據(jù)、定向處理后得到的結(jié)果參數(shù)以及設(shè)置的DEM參數(shù)等，自動建立模型的DEM。

(5)DEM拼接

DEM拼接區(qū)域大小可根據(jù)具體要求而定。在實際作業(yè)中，以項目成果要求的1∶2 000標(biāo)準(zhǔn)圖幅的坐標(biāo)為拼接區(qū)域。

拼接后將生成拼接精度對話框，其中顯示了拼接的中誤差、總點數(shù)和誤差分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)。拼接中誤差值越小，拼接后的DEM越能真實反映地表起伏變化。如果出現(xiàn)紅色的區(qū)域或者帶狀的較多，說明重疊區(qū)域內(nèi)同一地方不同模型航攝角度不同，造成多個模型的DEM拼接時產(chǎn)生誤差，進而導(dǎo)致生成的正射影像上地物拉伸及扭曲現(xiàn)象。針對這種情況，可編輯拼接后的DEM。

(6)DEM編輯

在DEMEditor編輯界面，導(dǎo)入拼接好的標(biāo)準(zhǔn)圖幅的多模型DEM，并選擇相關(guān)的立體模型，對DEM格網(wǎng)點編輯。對于不同地貌及地物，編輯方法如下:

①城區(qū)高層建筑物或大片相連房屋(如北湖片區(qū)萬秀城中村)，在區(qū)域周邊、區(qū)域內(nèi)部能看到并切準(zhǔn)地面的位置加量測點，并使用量測點內(nèi)插功能。

②池塘、江河等大面積水域(如邕江)，先用測標(biāo)切準(zhǔn)水面，讀取水面高程，然后選擇該水域，使用定值平面功能直接指定高程值。

③高架橋梁或立交橋(如竹溪立交、邕江大橋等)，在橋面及橋底能看到并切準(zhǔn)地面的位置加量測點，并使用DEM內(nèi)插功能。

(7)影像糾正鑲嵌

DEM編輯好后，可進行正攝影像的生成。在“正射影像制作”中導(dǎo)入編輯好的DEM及相關(guān)影像，設(shè)置生成正射影像區(qū)域、地面分辨率。自動進行影像糾正鑲嵌處理。

(8)拼接處理

糾正鑲嵌后生成的正射影像已能真實反映地貌形態(tài)，但由于同一地物不同影像航攝角度不同，且各個像對相對定向、絕對定向點的精度不同，拼接的地方產(chǎn)生拼接錯位，采用正射影像修補模塊來處理。為保證正射影像產(chǎn)品精度，修補時應(yīng)注意:

①建筑物、居民地內(nèi)的房屋的修補選用正射投影的影像修補，盡量避免傾斜或者拉伸的現(xiàn)象。

②農(nóng)林地(如旱地、水田)地物的修補沿著田埂、地類分界線修補。

③道路的修補。盡量選擇同一影像，或者延伸至轉(zhuǎn)角、交叉、盡頭處再修補。

(9)影像格式轉(zhuǎn)換，色彩調(diào)整

修補后的正射影像.orl轉(zhuǎn)化為后期便于色彩編輯及存儲的Tif格式。

鑲嵌后的正射影像并不能統(tǒng)一色彩問題。而云層，太陽照射角，像片掃描等因素對彩色影像的影響較大，往往造成同一張、相鄰像片出現(xiàn)部分曝光過度或色彩失衡現(xiàn)象，因此，對Tif處理的方法為:

①采用影像勻光軟件批處理能實現(xiàn)大范圍影像色彩均勻一致，但容易造成色彩失真。

②勻光后再用Photoshop調(diào)色。調(diào)節(jié)影像的色彩平衡、飽和度及對比度，使影像符合自然色彩，滿足視覺要求。

3.2 正射影像圖的數(shù)學(xué)精度檢查

對于正射影像圖的數(shù)學(xué)精度檢查，選用“利用矢量圖檢驗法”，即利用2009年新修測的1∶1 000城北片區(qū)數(shù)字線劃圖DLG(為DWG格式)，疊加到相同圖幅坐標(biāo)的DOM上。將點坐標(biāo)與DOM相應(yīng)地物點坐標(biāo)進行比較，計算檢測點坐標(biāo)差，并統(tǒng)計平面位置中誤差?；駾OM圖上量測特征邊線(如房屋邊線、球場邊線、田埂等)的邊長，與相應(yīng)DLG上的相同地物相比較，并統(tǒng)計中誤差，從而生成正攝影像的數(shù)學(xué)精度報告。

在“利用矢量圖檢驗法”具體實施中，采用抽樣檢驗的方法，對檢驗樣區(qū)隨機選取18個明顯地物點(如房角、電桿、墩柱、田埂、球場等)，并與DLG上的相應(yīng)點位進行比較，進行平面位置點位坐標(biāo)檢查或邊長檢查，結(jié)果如表1所示。

DOM的數(shù)學(xué)精度檢查 表1

表1中片區(qū)1屬于城中村，片區(qū)2屬于城郊農(nóng)田地。依照我國現(xiàn)行航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，這兩片區(qū)均符合1∶2 000 DOM生產(chǎn)的精度規(guī)范要求。

3.3 幾點認(rèn)識和體會

通過實際生產(chǎn)，有以下幾點認(rèn)識和體會:

(1)源數(shù)據(jù)

用數(shù)碼航攝影像制作DOM，其數(shù)據(jù)量很大，需要足夠的硬盤空間存數(shù)據(jù)。

(2)DOM制作過程

①數(shù)碼影像是沒有框標(biāo)的，無法像常規(guī)航片一樣進行內(nèi)定向，采用自編的內(nèi)定向小程序。

②生成單個模型的DEM后，由于數(shù)碼影像重疊度大，創(chuàng)建像對多，如果對單模型的DEM編輯，則重疊區(qū)域還得重復(fù)編輯，勢必增加了不少工作量。如果編輯采用多模型拼接后的DEM，可節(jié)省不少工作量。

③數(shù)碼航攝影像重疊度大，創(chuàng)建的像對較多;且像對間由于航攝角度及投影差問題，同名影像會有較大差異，如直接自動鑲嵌，疊加在一起的影像會出現(xiàn)大面積的重影。為避免重影，可用編輯后的DEM糾正鑲嵌生成正射影像。

④DEM糾正鑲嵌生成的正射影像可以避免重影，而且圖面清晰，但由于不能實現(xiàn)拼接線的實時編輯，從而影像拼接的地方出現(xiàn)較多的錯位現(xiàn)象，后期的正射影像修補工作量比較大。

4 結(jié)論

實踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)DOM制作相比，POS技術(shù)在數(shù)碼航攝影像制作DOM具有以下幾個方面的優(yōu)勢:

(1)免去了外業(yè)控制測量，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理花費的時間明顯縮短。相對傳于統(tǒng)航空攝影測量速度大大提高，勞動強度、經(jīng)費降低，社會效益增強。

(2)航攝影像是直接輸出到計算機上，掃描時可直接讀取掃描分辨率，且不用擔(dān)心影像命名錯誤、掃描造成影像扭曲變形，色彩失真等。

(3)數(shù)碼影像更清晰，影像分辨率達(dá)12 μm，而常規(guī)影像掃描分辨率為21 μm。

綜上所述，使用POS輔助制作DOM具有低成本，清晰、高精度的特點，在如今城市建設(shè)日新月異的變化中，這對南寧市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取具有很大的幫助。

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