面向貴州山區(qū)應(yīng)急測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)的影像快速后處理方法研究

李璐

摘 要：通過(guò)數(shù)字測(cè)繪航空攝影快速獲取高分辨率影像，能快速生成DEM、正射影像、三維景觀圖等測(cè)繪產(chǎn)品，能夠迅速了解災(zāi)情并獲取受災(zāi)地區(qū)詳細(xì)的地面三維信息，為救援隊(duì)伍提供精確、可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)在受災(zāi)區(qū)域獲取的航空影像，基于PHOTOMOD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)快速后處理實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)效率分析和精度統(tǒng)計(jì)，證明其效率和取得的正射影像成果可以達(dá)到指導(dǎo)應(yīng)急救災(zāi)的需求。

關(guān)鍵詞：山區(qū) 應(yīng)急 影像 后處理 測(cè)繪產(chǎn)品

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0089-03

在災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急響應(yīng)中，航空攝影測(cè)量發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是貴州山區(qū)因氣流和天氣影響，飛行姿態(tài)難以穩(wěn)定，易存在航片傾角、旋偏角過(guò)大、像片重疊度變化大等問(wèn)題，對(duì)相對(duì)定向中同名像點(diǎn)的匹配影響很大，甚至導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行像點(diǎn)匹配的情況，并且在應(yīng)急保障航空攝影中，受災(zāi)地區(qū)難以進(jìn)入布設(shè)像控點(diǎn)。這些都為應(yīng)急響應(yīng)中的航空影像數(shù)據(jù)后處理帶來(lái)難度。文章利用在貴州省畢節(jié)市水箐鎮(zhèn)洪災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)中獲取的航空影像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了基于PHOTOMOD軟件進(jìn)行航空影像快速后處理方面的特性，解決像片拍攝姿態(tài)差導(dǎo)致的無(wú)法進(jìn)行像點(diǎn)匹配的問(wèn)題，以及使用POS數(shù)據(jù)輔助空三提高數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)驗(yàn)證明其精度和效率可以滿足應(yīng)急響應(yīng)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

1.1 軟件介紹

PHOTOMOD系列軟件產(chǎn)品是俄羅斯Racurs公司的集航空攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)航測(cè)、傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量、衛(wèi)星影像遙感及衛(wèi)星雷達(dá)遙感等數(shù)據(jù)后處理于一體的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，也是全球率先支持分布式并行運(yùn)算的高效全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量及影像、雷達(dá)處理系統(tǒng)。相對(duì)于同類(lèi)軟件具備算法先進(jìn)、配置靈活、功能完備、操作便捷、生產(chǎn)高效、精度可靠、支持眾多傳感器等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)在貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)水箐鎮(zhèn)，位于畢節(jié)市西北部，地處東經(jīng)104°01′～104°07′。北緯27°17′～27°20′。2015年5月10日晚，畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)突降暴雨，導(dǎo)致流經(jīng)水箐鎮(zhèn)北部新地村的岔河水位暴漲，淹沒(méi)了大量田地和房屋，受災(zāi)面積約8.3 km2，災(zāi)情較為嚴(yán)重。

1.3 資料分析

影像數(shù)據(jù)帶POS輔助設(shè)備，航攝儀為祿萊Rollei AICPROIQ180量測(cè)型相機(jī)，焦距51.386 mm，像幅尺寸7760×10328，像元大小5.2 μm，地面分辨率為0.15 m。航向重疊范圍56%～70%，旁向重疊范圍20%～40%。影像清晰，反差適中，能滿足正射影像和航測(cè)成圖的需要。POS數(shù)據(jù)完整，可以用于空三加密。航攝完成后，在測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行了外業(yè)量測(cè)像控點(diǎn)，采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，但是由于測(cè)區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，道路不通，有些地方無(wú)法到達(dá)測(cè)量像控點(diǎn)，導(dǎo)致布點(diǎn)不夠均勻，部分點(diǎn)量測(cè)精度不夠理想。

2 基于PHOTOMOD軟件的影像快速后處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 簡(jiǎn)化處理步驟、提高生產(chǎn)效率

通過(guò)簡(jiǎn)化影像預(yù)處理的步驟、自動(dòng)高精度匹配算法、自動(dòng)預(yù)測(cè)控制點(diǎn)、高效、精準(zhǔn)的DTM匹配和平滑濾波、便捷修改鑲嵌線、測(cè)區(qū)內(nèi)勻光勻色等關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)化了影像內(nèi)業(yè)處理的步驟。并且PHOTOMOD軟件具備分布式并行運(yùn)算能力和GPGPU技術(shù)，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入、相對(duì)定向匹配、區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算、DEM提取及正射糾正、鑲嵌勻色等計(jì)算量大、耗時(shí)較長(zhǎng)的步驟均支持分布式處理，劃分任務(wù)模塊，利用計(jì)算機(jī)多線程并行處理計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)，最大化地應(yīng)用計(jì)算機(jī)資源，對(duì)于大型、超大型測(cè)區(qū)處理尤其高效。

2.2 通過(guò)調(diào)整匹配參數(shù)提高空三精度

貴州山區(qū)氣流較大，飛行姿態(tài)較難穩(wěn)定，在應(yīng)急響應(yīng)中，由于天氣變化大、起降場(chǎng)地限制等原因飛行條件更為惡劣，獲取的航空影像易存在航片傾角、旋偏角過(guò)大、像片重疊度變化大等問(wèn)題。像片的拍攝姿態(tài)差對(duì)相對(duì)定向中同名像點(diǎn)的匹配影響很大，甚至導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行像點(diǎn)匹配的情況，可通過(guò)調(diào)整相對(duì)定向參數(shù)的方式，解決如下問(wèn)題，改善匹配情況，提高空三質(zhì)量。

2.2.1 解決影像畸變差大的匹配問(wèn)題

當(dāng)使用非量測(cè)型相機(jī)進(jìn)行航空攝影時(shí)，由于相機(jī)鑒定的時(shí)間離拍攝影像的時(shí)間間隔較長(zhǎng)等原因，用相機(jī)鑒定報(bào)告上的畸變參數(shù)進(jìn)行改正時(shí)，可能并未完全消除相機(jī)畸變，從而導(dǎo)致匹配的相關(guān)性差或者存在上下視差的情況。在平差時(shí)，可執(zhí)行相機(jī)自檢校，如果測(cè)區(qū)有控制點(diǎn)的話，利用控制點(diǎn)進(jìn)行相機(jī)的自檢校。經(jīng)相機(jī)自生檢校后，生成新的相機(jī)參數(shù)（焦距、畸變差等），可從很大程度上恢復(fù)相片的初始狀態(tài)，大大提高后續(xù)處理的精度。

2.2.2 解決影像相關(guān)性差的匹配問(wèn)題

因飛行條件不好，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等原因，獲取的航空影像易存在航片傾角、旋偏角過(guò)大、像片重疊度變化大等問(wèn)題，導(dǎo)致相對(duì)定向匹配困難，可能有部分影像，航帶內(nèi)和航帶間沒(méi)有匹配上點(diǎn)，可嘗試使用調(diào)整相對(duì)點(diǎn)數(shù)、相關(guān)性閾值和最大誤差等的方式，僅對(duì)這部分影像進(jìn)行局部匹配。

2.2.3 解決重疊度變化大的匹配問(wèn)題

不同于傳統(tǒng)攝影測(cè)量中大飛機(jī)航攝的規(guī)則航線，小飛機(jī)或無(wú)人機(jī)因風(fēng)力原因飛機(jī)在航拍過(guò)程中左右搖擺，可能導(dǎo)致航帶內(nèi)、航帶間重疊度變化較大，影響相對(duì)定向時(shí)在影像間搜索匹配同名點(diǎn)，可以通過(guò)改變搜索區(qū)域的大小來(lái)解決該問(wèn)題。

2.2.4 匹配測(cè)試結(jié)果

該測(cè)區(qū)使用的是量測(cè)性數(shù)碼相機(jī)，沒(méi)有畸變差大而造成的匹配影響，但因飛行姿態(tài)問(wèn)題，影像傾角、旋偏角較大，航線也不太規(guī)則，部分影像相關(guān)性不是很好，出現(xiàn)了沒(méi)有匹配上點(diǎn)的情況。經(jīng)使用2.2.2和2.2.3的方法反復(fù)調(diào)整參數(shù)，取得了較好的匹配效果，提高了空三加密的精度。

2.3 在應(yīng)急情況下，POS數(shù)據(jù)輔助空三加密提高效率測(cè)試

POS系統(tǒng)是一種GPS和INS的組合系統(tǒng)，利用POS系統(tǒng)同時(shí)記錄的航攝儀三維坐標(biāo)和姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)后期處理計(jì)算出每張航片的外方位元素，并加入少量的外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行空中三角測(cè)量的技術(shù)，在現(xiàn)階段折數(shù)字航空攝影測(cè)量中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的空三加密方法相比，它在一定程度上簡(jiǎn)化作業(yè)步驟，并可實(shí)現(xiàn)少量甚至無(wú)控制點(diǎn)的空三加密，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，尤其適用于外業(yè)困難地區(qū)以及道路、管線等帶狀領(lǐng)域。

在應(yīng)急響應(yīng)的應(yīng)用中，影像數(shù)據(jù)的快速、高效處理至關(guān)重要，尤其是在災(zāi)情未知的情況下，進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行野外控制點(diǎn)測(cè)量既費(fèi)時(shí)又存在安全隱患。因此，文章利用實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)在1∶1萬(wàn)地形圖上圖解測(cè)區(qū)四角的少量控制點(diǎn)以及無(wú)控制點(diǎn)兩種情況下使用POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測(cè)量進(jìn)行了測(cè)試，簡(jiǎn)化作業(yè)步驟，減弱空中三角測(cè)量對(duì)地面實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的依賴，直接通過(guò)POS數(shù)據(jù)中的GPS信息對(duì)相對(duì)定向匹配得到的自由網(wǎng)進(jìn)行絕對(duì)定向，從而得到空三加密和正射影像等成果，并驗(yàn)證其精度和效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 精度分析

3.1.1 空三加密精度

水箐測(cè)區(qū)經(jīng)使用外業(yè)實(shí)測(cè)地面像控點(diǎn)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，得到的控制點(diǎn)平均誤差為Exy=0.405，Ez=0.143；控制點(diǎn)最大誤差為Mxy=0.797，Mz=0.314。采用圖解少量控制點(diǎn)POS輔助空三的方式，利用該測(cè)區(qū)獲取的30個(gè)野外像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中輸出的空三成果立體建模，并在立體模型上量測(cè)其三維坐標(biāo)值，進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，通過(guò)檢查點(diǎn)精度結(jié)果，計(jì)算得到平面中誤差為±0.985，高程中誤差為±1.429。

3.1.2 正射影像精度

正射影像成果清晰易讀，色調(diào)均勻、反差及亮度適中、接邊處色彩過(guò)渡自然，地物合理接邊，無(wú)重影和發(fā)虛現(xiàn)象，人工地物接邊完整、合理。從正射影像上可清晰了解、判斷災(zāi)情，與災(zāi)前的衛(wèi)星影像進(jìn)行對(duì)比分析有更加直觀的效果，可有效指導(dǎo)應(yīng)急救災(zāi)。

3.2 效率分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)從影像預(yù)處理至空三加密、生成正射影像成果的整個(gè)過(guò)程，采用外業(yè)實(shí)測(cè)控制點(diǎn)、圖解少量控制點(diǎn)POS輔助空三和無(wú)控制POS輔助空三等3種實(shí)驗(yàn)方法所用時(shí)間如表1所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)貴州省畢節(jié)市水箐鎮(zhèn)洪災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)航空影像進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理實(shí)驗(yàn)，在PHOTOMOD軟件平臺(tái)上完成了整個(gè)流程的操作，并測(cè)試了通過(guò)調(diào)整相對(duì)定向參數(shù)解決相對(duì)定向匹配問(wèn)題的方法，使得匹配精度得到很大改善，最后輸出了空三加密和正射影像成果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用外業(yè)控制點(diǎn)處理的整個(gè)流程耗時(shí)約3 h，空三加密控制點(diǎn)平均誤差達(dá)到Exy=0.405，Ez=0.143，可以滿足1∶2000測(cè)圖精度，正射影像清晰易讀，證明該技術(shù)流程可以滿足應(yīng)急響應(yīng)數(shù)據(jù)快速處理的精度和效率要求，可以作為災(zāi)情分析、指導(dǎo)救災(zāi)使用。

針對(duì)應(yīng)急響應(yīng)中來(lái)不及也無(wú)法進(jìn)行野外實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的情況，文章還對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)進(jìn)行了POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測(cè)量的圖解少量控制點(diǎn)和無(wú)控制點(diǎn)兩種情況進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，因POS輔助空三減少了像控量測(cè)的工作量，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，工作效率也得到了很大的提高，而且測(cè)區(qū)越大、像片數(shù)越多的情況下，在效率方面的提升會(huì)愈加明顯。在圖解少量控制點(diǎn)+POS輔助平差的情況下，取得了較好的平面量測(cè)精度，解決無(wú)實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的情況下快速出圖指導(dǎo)應(yīng)急救災(zāi)的問(wèn)題。

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