影響正射影像生成質(zhì)量的因素分析＊

張漢德，張海濤，別 君，董 梁，范學(xué)瑋，蔣旭惠

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2．中國(guó)海監(jiān)北海航空支隊(duì)，山東 青島266033）

0 引 言

數(shù)字正射影像（DOM）是地圖的一種形式，用相當(dāng)于正射投影的航攝像片上的影像來(lái)表示地物的形狀和平面位置。當(dāng)像平面水平且地面水平的情況下，該航攝像片就是正射投影的像片［1］。數(shù)字正射影像圖具有精度高、信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大用戶的歡迎。數(shù)字正射影像在土地管理、城市建設(shè)與規(guī)劃、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)等領(lǐng)域都得到了十分廣泛的應(yīng)用。

以數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)為例，介紹了應(yīng)用ERDAS2011LPS和Orima模塊制作正射影像的流程，并對(duì)制作過(guò)程中影響DOM精度的因素進(jìn)行了分析。

1 軟件簡(jiǎn)介

徠卡攝影測(cè)量系統(tǒng)（LPS）是美國(guó)ERDAS公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量及遙感處理軟件系統(tǒng)，為地球空間影像的應(yīng)用領(lǐng)域提供了精密的成果定向的攝影測(cè)量工具。它可以處理航天的各類傳感器影像定向及空三加密和各種數(shù)字影像格式，有高精度、多功能、易操作、處理高效等優(yōu)勢(shì)［2］。

ORIMA是由美國(guó)LH Systems公司推出的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站Helava上的一個(gè)區(qū)域網(wǎng)光束法平差軟件模塊，能夠處理大量的影像坐標(biāo)、地面控制點(diǎn)和GPS坐標(biāo)。它利用嚴(yán)密的空三平差數(shù)學(xué)模型，大大提高了外定向的精度。

2 正射糾正的原理及制作流程

實(shí)際中，由于航空攝影不能保持相機(jī)嚴(yán)格水平，加上相機(jī)檢校誤差、地球曲率、地形起伏等的影響，使中心投影航攝像片上的影像由于像片傾斜和地形起伏產(chǎn)生像點(diǎn)位移，使影像的構(gòu)形產(chǎn)生位移與變形及比例尺不一致。正射糾正的實(shí)質(zhì)就是將這種中心投影的影像數(shù)字化形成正射投影的過(guò)程，其原理是將影像數(shù)字化為許多微小的區(qū)域，根據(jù)相關(guān)的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)字高程模型對(duì)原始影像進(jìn)行糾正，使其轉(zhuǎn)換為正射影像［3］。

3 ERDAS2011LPS處理過(guò)程中的操作流程

ERDAS2011LPS處理過(guò)程中的操作流程

1）新建block工程，設(shè)置坐標(biāo)系、投影及飛行等相關(guān)參數(shù)，并與影像進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2）內(nèi)定向，即恢復(fù)攝影時(shí)刻攝影中心與影像之間的相關(guān)位置，本次試驗(yàn)使用的是數(shù)碼航片，其內(nèi)定向主要是設(shè)置焦距、相機(jī)點(diǎn)坐標(biāo)、相機(jī)畸變等參數(shù)。

3）外定向及空三解算

外定向是在內(nèi)定向的基礎(chǔ)上，確定在攝影瞬間攝影光束的空間位置和姿態(tài)的一系列工作。外定向工作是在點(diǎn)測(cè)量工具中進(jìn)行的，主要工作有:設(shè)置 Automatic tie properties屬 性，選 擇 合 適 的Strategy及Distribution，調(diào)用自動(dòng)采集連接點(diǎn)功能（APM），得到連接點(diǎn)；在 Aerial Triangulatioon對(duì)話框中設(shè)置空三屬性，如圖1所示，選擇合適的閾值及其它設(shè)置，運(yùn)行空中三角測(cè)量；根據(jù)空三報(bào)告中的收斂情況及RMSE值，如圖2、3所示，檢查同名點(diǎn)的精度，確定是否接受空三結(jié)果，完成外定向。

在ORIMA軟件中，運(yùn)行CAP－A，根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果反復(fù)修改X、Y、Z、Omega、Phi和Kappa值，直至運(yùn)行CAP－A后該值介于0．8～1．2之間為止。East－North窗口中的上述六個(gè)值起到了權(quán)重指示器的作用，在所選權(quán)重不合適的情況下就會(huì)通過(guò)這個(gè)值體現(xiàn)出來(lái)（即沒(méi)有落入0．8～1．2區(qū)間）。

4）地表模型DTM的生成與編輯。調(diào)用Classic ATE工具，在打開(kāi)的DTM Extraction窗口中設(shè)置相關(guān)屬性后運(yùn)行得到粗糙的DEM。做消除視差等DEM編輯，得到精確的DEM．

5）執(zhí)行正射重采樣。其執(zhí)行過(guò)程是由LPS讀取DEM中的每個(gè)像元值，并匹配到影像的相應(yīng)位置上。

6）正射影像鑲嵌。使用mosaic工具，生成拼接線并進(jìn)行適應(yīng)的編輯，即可執(zhí)行正射拼接功能。

4 影響DOM精度的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

影響DOM精度的因素是多方面的，如相機(jī)沒(méi)有做檢校、GPS和INS誤差、連接點(diǎn)誤差、外定向誤差、視差、正射重采樣誤差等。對(duì)操作過(guò)程中涉及到參數(shù)設(shè)置、閾值大小等造成的誤差進(jìn)行分析。

4．1 連接點(diǎn)點(diǎn)位誤差

量測(cè)同名點(diǎn)其實(shí)就是在進(jìn)行影像匹配，匹配的精度對(duì)后續(xù)的正射影像的制作影響很大。選刺的同名點(diǎn)一般應(yīng)該同時(shí)滿足以下四個(gè)條件:1）點(diǎn)位一般要盡量位于地面上，以保證生成精確的DEM；2）點(diǎn)位的地理位置不易改變，為以后的實(shí)地檢驗(yàn)為準(zhǔn)備；3）點(diǎn)位易于確定，如交通線的交點(diǎn)、拐點(diǎn)等；4）點(diǎn)位分布均勻，避免因同名點(diǎn)分布密集造成的圖像扭曲變形。

為了在后續(xù)處理中得到較高精度的DEM，要求在APM之后將位于非地面上的同名點(diǎn)移動(dòng)到地面上。同時(shí)空三運(yùn)算結(jié)束后，會(huì)有部分同名點(diǎn)誤差過(guò)大而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差超限或空三結(jié)果不收斂，一般情況下要對(duì)此點(diǎn)位進(jìn)行修改，有時(shí)卻不能在點(diǎn)位附近為其找到其它合適的點(diǎn)，這種情況下該點(diǎn)會(huì)被刪除。為了防止APM之后有過(guò)多此類情況的發(fā)生，在實(shí)驗(yàn)中將 Auto tie point generation properties窗口下的Intended Number of Points／Image設(shè)置為較大值，以求獲得更多的連接點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中該值取50，得到了49個(gè)連接點(diǎn)。

4．2 外定向誤差

為提高外方位元素的精度，在空三運(yùn)算之前一般要將 Aerial Triangulation窗口下 X0、Y0、Z0和Omega、Phi、Kappa的標(biāo)準(zhǔn)差（如圖1所示）初始值盡量設(shè)小，在后續(xù)處理中遵循“由小到大，緩慢增加”的原則做增大處理，實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置為0．1和0．001．連接點(diǎn)的精度直接影響外定向的精度，根據(jù)空三運(yùn)算結(jié)果，修改單個(gè)點(diǎn)均方根誤差（Total RMSE）大于一個(gè)像素的點(diǎn)位（部分無(wú)法找到合適的同名點(diǎn)時(shí)可將其刪除）。在實(shí)際操作中，并非要一次性將全部大于1的點(diǎn)進(jìn)行修改，因?yàn)橐粋€(gè)壞點(diǎn)對(duì)其它點(diǎn)精度的影響很大，往往在修改4～5個(gè)點(diǎn)，并漸漸地增大上述外方位元素的標(biāo)準(zhǔn)差至0．1、0．08后，再次運(yùn)行空三，Total RMSE值已小于1了。同時(shí)空三結(jié)果收斂，并且 Total image unitweight RMSE小于原始影像的像素大小時(shí)接受初始外方位元素的修改（如圖2所示）。

需要注意的是，在運(yùn)行空中三角測(cè)量時(shí)進(jìn)行外方位元素標(biāo)準(zhǔn)差的設(shè)置，其中的參數(shù)設(shè)置需要不斷實(shí)驗(yàn)以達(dá)到最適宜的值。由于不同的航片內(nèi)選刺的同名點(diǎn)不同，所以不同的block工程最終選擇的參數(shù)也不同。

空中三角測(cè)量以后，完成了外定向工作，影像間已經(jīng)建立起了正確的空間關(guān)系，通過(guò)共線方程計(jì)算出的每個(gè)立體像對(duì)的同名特征點(diǎn)坐標(biāo)值。

但在本實(shí)驗(yàn)中為了進(jìn)一步提高外定向的精度，將空三結(jié)果導(dǎo)入ORIMA軟件繼續(xù)處理。

運(yùn)行CPA－A，對(duì)于不符合要求的外方位元素，一般是將其結(jié)果與已參與計(jì)算的對(duì)應(yīng)值相乘，其積再次迭代計(jì)算。直到CPA－A Sigma0的值小于3，并且外方位元素介于0．8～1．2時(shí)為止。評(píng)價(jià)該運(yùn)算結(jié)果精度的一個(gè)重要指標(biāo)是誤差橢圓，橢圓的形狀、大小及長(zhǎng)短半軸的比值大小反映了誤差的方向、大小以及最大誤差的方向，由圖4可以看出，經(jīng)ORIMA處理后，各個(gè)點(diǎn)位誤差均勻，方向比較離散，精度較好。

圖4 外方位元素誤差橢圓

4．3 DEM的影響

實(shí)驗(yàn)中DEM用來(lái)做正射校正，在DEM的提取過(guò)程中，使用AOI工具畫(huà)出不同類別的地物，并賦予不同的濾波策略，以求得到比較精確的DEM．同時(shí)在DEM的編輯階段，消除視差，將臨近的地面點(diǎn)高程值賦予位于非地面上的加密三角網(wǎng)點(diǎn)，基本完成DEM的編輯。

由于DEM是系統(tǒng)自動(dòng)提取的，勢(shì)必存在較大的偏差，所以可以在提取前選中Create DTM Point Status Output Image選項(xiàng)生成 DEM 影像質(zhì)量圖，如圖5所示，根據(jù)圖的顏色做后續(xù)DEM編輯。

圖5 DEM影像質(zhì)量圖

4．4 正射重采樣誤差

為了得到較為清晰的正射影像圖，生成影像的像元大小盡量小。同時(shí)將重疊區(qū)域小的區(qū)域做剪切處理。

4．5 影像鑲嵌影響

影像鑲嵌處理一般不影響DOM的精度，而是對(duì)其美觀產(chǎn)生影響，經(jīng)過(guò)影像的勻光處理可以減弱其影響。鑲嵌處理主要是斷裂線的處理，由軟件自動(dòng)生成斷裂線后，一般要手動(dòng)調(diào)整使其不穿過(guò)大型建筑物或水域等的中部，同時(shí)避免不要太靠近影像的邊緣；可以沿著對(duì)比強(qiáng)烈的地物邊緣，如道路、河流等，以保證斷裂線附近兩張影像的色調(diào)一致或相差不大［4］。如果已有本區(qū)域的矢量文件，也可以以矢量文件作為斷裂線，如圖6所示。

圖6 正射影像圖

5 結(jié) 論

從使用航攝相片應(yīng)用ERDAS LPS、ORIMA軟件制作DOM的過(guò)程中可以看出，影響DOM精度的主要誤差源是連接點(diǎn)誤差、外定向誤差，并且對(duì)連接點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)相當(dāng)繁瑣、費(fèi)時(shí)、復(fù)雜的過(guò)程。因此，在制作過(guò)程中，一定要保證連接點(diǎn)的精度，同時(shí)確保有高精度的外方位元素信息。

考慮到單純地使用航攝相片制作DOM費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)，可以尋求其它制作DOM的方法，如目前興起的機(jī)載LIDAR的方法，由于該技術(shù)獲取的各個(gè)激光腳點(diǎn)都有慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的精確坐標(biāo)值，根據(jù)高程值從這些腳點(diǎn)中提取地面點(diǎn)的難度將大大減化，而這些激光腳點(diǎn)可以代替航攝相片中連接點(diǎn)，由此生成DEM時(shí)可節(jié)省大量的人力和物力，大大節(jié)約DOM的生產(chǎn)周期。

［1］ 王佩軍，徐亞明．?dāng)z影測(cè)量學(xué)［M］．武昌:武漢大學(xué)出版社，2005:126－133．

［2］ 賈維花，呂宜平，張之武．基于ERDAS8．7LPS模塊正射影像圖的制作［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2007，6（30）:39－43．

［3］ 官云蘭，周世健，魯鐵定．基于 ERDAS IMAGINE的數(shù)字正射影像圖的制作［J］．測(cè)繪通報(bào)，2005（12）:31－33．

［4］ 陳周云，李 兵，黃海英，等．城市大比例尺真彩色數(shù)字正射影像的制作［J］．測(cè)繪工程，2005，4（14）:49－51．