一種便捷的歷史影像制作方法

戴江鷗

(廣東省國土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

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一種便捷的歷史影像制作方法

戴江鷗

(廣東省國土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

目前基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)都要數(shù)字化處理后，在現(xiàn)代化存儲設(shè)備入庫存檔，而歷史資料依然是以紙質(zhì)資料保存。本文介紹了利用歷史資料、以IPS為平臺制作歷史影像的方法，方法簡單，精度高，非常實用。成果既可以入庫存儲，也可以用于科研，有一定的推廣應(yīng)用價值。

參數(shù)錄入；興趣點；匹配；自由網(wǎng)整體平差；工作流

一、引 言

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，數(shù)字正射影像的使用越來越廣泛。與矢量線劃圖相比，正射影像圖能更加直觀明了地反映地形、地貌、地物特征，是建設(shè)數(shù)字城市、智慧城市的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了研究城市的變遷和發(fā)展，以及建設(shè)更加完善的數(shù)據(jù)庫，業(yè)內(nèi)人士已開始重視歷史正射影像數(shù)據(jù)的制作和入庫。但是幾十年前的數(shù)據(jù)只有紙質(zhì)資料，沒有電子文檔，而把它們制作成為現(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)格式，對投入成本和成果精度都是相當(dāng)大的考驗。

本文以中山市1976年正射影像的制作為例，利用IPS軟件，介紹一種切實可行的快捷方法，供業(yè)內(nèi)人士參考。

二、技術(shù)路線

1.數(shù)據(jù)資料的分析與準(zhǔn)備

目前可獲得的中山市1976年影像的相關(guān)資料有設(shè)計書、航飛略圖、加密略圖、滌綸片、像片及控制點資料，均為紙質(zhì)。

首先應(yīng)從設(shè)計書上獲取航攝比例尺、航高、相機焦距、像幅、飛行方向、航向重疊度、平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)等重要信息，這些信息將作為影像處理的重要參數(shù)；按照IPS軟件認(rèn)可的形式將上述參數(shù)錄入照相機文件*.cam。

其次分析加密略圖及加密成果打印紙帶，讀取中山市范圍內(nèi)的航片號、地面控制點點號及坐標(biāo)信息，在電腦上錄入地面控制點點號及坐標(biāo)信息，制作并存儲成為IPS軟件認(rèn)可的地面控制點文件*.csv。

最后，將航片掃描成為電子數(shù)據(jù)，從設(shè)計書得知航向重疊高于90%，故掃描時無須挨片號，可間隔3～4張片，以減少工作量。本次中山市航片像幅為23 cm×23 cm，掃描儀掃描分辨率為25 μm，掃描影像分辨率約為1 m，每幅影像都是8481行×8481列。

掃描航片使用時需要像主點坐標(biāo)文件，現(xiàn)有的資料無法提供。根據(jù)航攝比例尺、航高、像幅可以分析出，一張航片面積基本可以涵蓋一幅1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)分幅面積；根據(jù)航飛略圖可以分析出航片與圖幅的相對位置，因此可以在航片與圖幅之間建立一種假設(shè)的關(guān)系，以圖幅的幾何中心點坐標(biāo)代替此處航片的像主點坐標(biāo)。又根據(jù)航片的掃描間隔，東西圖廓邊的中心點也作為該處航片的像主點坐標(biāo)，當(dāng)然，這樣只是模擬航片的相對位置，是一個粗略的近似值，在下一步處理期間，這些值的精度將隨著算法得到改善和優(yōu)化。像主點坐標(biāo)也應(yīng)錄入并存儲為IPS可識別的格式*.gps，注意錄入的像主點號應(yīng)與掃描航片片號完全一致。掃描航片像主點與圖幅相對關(guān)系如圖1所示。

圖1 掃描航片像主點與圖幅相對關(guān)系

2.空三加密

首先要進行航片的內(nèi)定向，一般的數(shù)字?jǐn)z影測量軟件都可以完成；然后在IPS導(dǎo)入內(nèi)定向后的航片及照相機文件*.cam、*.gps文件，建立工程文件，進入空三加密過程，這是制作歷史正射影像最關(guān)鍵的一步。工作流程如圖2所示。

圖2 空三加密流程

IPS用戶界面由3個完全同步的視窗組成，分別為Data Window(數(shù)據(jù)窗口，如圖3所示)、Geo Viewer(地理觀察器，如圖4所示)、Image Viewer(影像觀察器，如圖5所示)。3個窗口各有特點，操作方便。

圖3 Data Window(數(shù)據(jù)窗口)

IPS軟件匹配創(chuàng)新性地使用影像點矢量表示法，在影像內(nèi)部尋找“興趣點”，即影像內(nèi)與其周圍顯著不同的點，如圖4窗口顯示的小圓圈，圖3窗口上方表格中同步顯示了興趣點坐標(biāo)信息。

圖4 Geo Viewer(地理觀察器)

圖5 Image Viewer(影像觀察器)

初始匹配后，應(yīng)用幾何濾波忽略異常值，僅選擇那些對區(qū)域穩(wěn)定性具有最高價值的點。匹配處理之后，每個像對間的絕大部分連接應(yīng)該超過3個興趣點，圖4窗口中顯示了不同粗細的線條，每條線表示其連接的影像間存在興趣點，每條線的粗細表示連接點的數(shù)量。像對興趣點匹配程度可以參考左側(cè)內(nèi)容列表中的關(guān)于像對興趣點匹配程度的Connections圖解。

本次中山市151幅航片共匹配出13 133個興趣點，從數(shù)量上和平均分布密度上來看，這個結(jié)果是比較理想的。但是在圖4窗口中可以看到依然存在個別興趣點少于3個點或根本沒有連接的像對，故需要在這些像對區(qū)域選擇興趣點或直接人工添加興趣點。在圖5窗口進行編輯，直至每個像對間的連接超過3個興趣點。然后在圖3窗口上方表格中將殘差進行排序，選擇殘差大的興趣點，此點會同步在圖4窗口中高亮顯示，在圖5窗口中同時將顯示與之相關(guān)的所有航片及興趣點近似位置，用刺點工具微調(diào)，保證每張航片的興趣點刺在同一位置；與此同時，圖3窗口下方表格中也將同步顯示每張相關(guān)航片的匹配的殘差值。這一作業(yè)過程是要將殘差值盡量降低，以保證興趣點坐標(biāo)的精度，將光束法平差中任何可能的問題最小化。

本次中山市的航片由于年代久遠，掃描質(zhì)量不是很理想，造成殘差值略偏高，因此必須增加地面控制點以改進，這樣也是為了增強光束法平差處理并獲得影像中心更好的地面坐標(biāo)。首先導(dǎo)入地面控制點文件*.csv，再用放大鏡觀測滌綸片上的刺點，然后使用圖5影像觀察器在每幅影像上通過視覺識別進行控制點刺點，控制點應(yīng)分布均勻。本次中山市共增加了56個控制點，殘差值得到了很好的控制。

上述步驟完成后，進入自由網(wǎng)整體平差計算，IPS光束法平差算法是利用已有的興趣點及地面控制點進行外方位元素的數(shù)學(xué)計算，采用的是非線性最小二乘參數(shù)平差迭代算法，多次迭代，直至Pixel RMS(自由網(wǎng)整體平差精度)收斂值不再變化。算法對初始參數(shù)值精度依賴程度較大，初始參數(shù)值精度高，迭代收斂性效果就好，這也解釋了為什么前面的步驟中要不斷地降低殘差值。若收斂值沒有達到所需的Pixel RMS，需要返回上一步驟，改進興趣點或地面控制點進行追加解算迭代；若收斂值達到所需Pixel RMS，說明模型的內(nèi)在統(tǒng)一性很好，可以進行DTM的輸出，為正射影像的制作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

圖6是中山市1976年航片空三加密平差計算的最終結(jié)果，Pixel RMS為1.195個像素，與現(xiàn)在數(shù)碼航片平差計算的結(jié)果相比，這個值不是很理想。但是歷史影像從當(dāng)年航飛、曬印，再到現(xiàn)在掃描，即使不考慮技術(shù)先進與落后，僅獲取過程已經(jīng)比數(shù)碼航片多了產(chǎn)生多種誤差的可能；而且中山市的數(shù)據(jù)在加密過程中受到滌綸片控制點精度和點位不清等影響，無法獲得更高精度的平差結(jié)果。因此，在不影響最終使用的前提下，可以適當(dāng)?shù)匚⒄{(diào)精度。

圖6 自由網(wǎng)整體平差精度

3.正射影像的制作

使用內(nèi)定向后的影像、*.gps文件、DTM和Orthorectify模塊進行正射糾正，然后對糾正后的正射影像使用Stitch模塊進行鑲嵌。在運行鑲嵌之前應(yīng)注意參數(shù)的設(shè)置及鑲嵌線的規(guī)劃，以保證得到高質(zhì)量的正射影像成果。

IPS可以選擇模塊設(shè)計工作流以達到快速處理的目的。該步驟如無手動干預(yù),可以設(shè)計成為“Orthorectify+Stitch”的工作流，讓軟件自行運轉(zhuǎn)，省去了步驟轉(zhuǎn)換的麻煩，提高了工作效率。

4.成果質(zhì)量控制處理

正射影像成果的檢查和修改是在CeoClipboad用戶界面中進行的，這個界面可以同時加載DTM和正射影像，在檢查影像的同時，及時校正鑲嵌錯誤及DTM變形。而且，對于任何區(qū)域，可以加載多幅正射影像作為可選數(shù)據(jù)源，窗口可以顯示每幅正射影像的預(yù)覽，方便用戶選用質(zhì)量最好的一幅。相比較Photoshop因無法坐標(biāo)定位、用戶需花費大量時間手動查找重疊的正射影像后再對變形位置進行修補的缺點，CeoClipboad有明顯的優(yōu)勢。

三、成果應(yīng)用舉例

圖7截取了中山市的某一地點不同歷史時期的正射影像。從影像上可以清楚地看到填海造田引起的海岸線變化，用戶可以選擇合適的軟件提取想要的矢量數(shù)據(jù)用于海岸線變化的研究。當(dāng)然，歷史影像的應(yīng)用還有很多方面，如研究城市的變遷、土地動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)等。

圖7 中山市同一地點不同歷史時期的影像對比

四、結(jié)束語

這種以歷史資料為依托、以IPS為平臺制作歷史正射影像圖的方法，相比較傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量“單個像對編輯、一次一幅影像”的做法，是一種變單兵作戰(zhàn)為集體作戰(zhàn)的集成， 它極大地提高了工作效率，能夠更好地適應(yīng)市場對測繪數(shù)據(jù)即做即用的需求。

本次中山市1976年和1987年的正射影像正是采用這一方式快速獲得，用戶不僅擁有了入庫存檔數(shù)據(jù)，而且可以此為依據(jù)研究一個城市多個領(lǐng)域的變化，對現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)具有重要的參考價值。

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A Convenient Method of Historical DOM Production

DAI Jiangou

戴江鷗.一種便捷的歷史影像制作方法[J].測繪通報，2015(7)：82-84.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0218

2015-01-23

戴江鷗(1978—)，女，工程師，主要從事基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)的生產(chǎn)及應(yīng)用工作。Email：rivergull@126.com

P237

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：0494-0911(2015)07-0082-03