利用數(shù)字建筑模型制作真正射影像的方法與實(shí)現(xiàn)

趙淑玲，屈偉軍（湖南省第二測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410119）

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利用數(shù)字建筑模型制作真正射影像的方法與實(shí)現(xiàn)

趙淑玲*，屈偉軍
（湖南省第二測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410119）

摘 要分析了傳統(tǒng)正射影像與真正射影像的區(qū)別，介紹了數(shù)字建筑模型及其生成數(shù)字表面模型的方法，簡(jiǎn)要闡述了真正射影像制作原理，介紹了目前主流的制作真正射影像的系統(tǒng)及其生產(chǎn)流程，進(jìn)行了真正射影像生產(chǎn)試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞數(shù)字建筑模型；真正射影像；數(shù)字微分糾正；遮蔽檢測(cè)與補(bǔ)償

1 引言

隨著地理信息數(shù)字化進(jìn)程的加快，數(shù)字正射影像圖（DOM）已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分。傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖在生產(chǎn)過(guò)程中僅考慮了地面高程，忽略了人工建筑等空間目標(biāo)，導(dǎo)致建筑物偏離其真實(shí)位置并對(duì)地表信息造成遮擋，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代城市測(cè)繪的應(yīng)用需求。利用數(shù)字表面模型（DSM）制作真正射影像（TDOM），可以對(duì)地形及地表建筑同時(shí)進(jìn)行糾正，從而保持了直視角度的地表景觀，解決了大比例尺城區(qū)正射影像高大建筑物對(duì)其他地表信息的遮擋等弊端（圖1），并能快速生成地表三維、城市三維景觀，在城市空間信息領(lǐng)域的前景非常廣闊，目前在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。

2　數(shù)字建筑模型

數(shù)字建筑模型（DBM）簡(jiǎn)單的理解就是一系列帶有高程信息的表示建筑物輪廓并根據(jù)所表示的建筑物層次結(jié)構(gòu)區(qū)分不同圖層的三維矢量，其通常以AutoCAD的繪圖交換文件格式DXF格式存儲(chǔ)。數(shù)字建筑模型一般都是通過(guò)全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站在立體環(huán)境下采集各建筑物的外部輪廓及頂部附屬結(jié)構(gòu)生成，如圖2所示。

將數(shù)字建筑模型與數(shù)字地面模型（DTM）進(jìn)行疊加，即可得到制作真正射影像所需要的數(shù)字表面模型（圖3）。

圖1　傳統(tǒng)正射影像與真正射影像Fig.1 Traditional orthophoto map and true orthophoto map

圖2　數(shù)字建筑模型Fig.2 Digital building model

圖3　DTM與DBM疊加生成DSMFig.3 DTM and DBM together to generate DSM

3　真正射影像制作原理

3.1 數(shù)字微分糾正

為了消除由于影像傾斜和地形起伏等引起的變形，需要根據(jù)有關(guān)的參數(shù)與數(shù)字地面模型，利用相應(yīng)的構(gòu)象方程式，或按一定的數(shù)學(xué)模型用控制點(diǎn)解算，從原始非正射投影的數(shù)字影像獲取正射影像，這種過(guò)程是將影像化為很多微小的區(qū)域逐一進(jìn)行糾正，并且使用的是數(shù)字方式處理，故叫做數(shù)字微分糾正或數(shù)字糾正。

數(shù)字微分糾正的基本任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維圖像之間的幾何變換，在微分糾正過(guò)程中必須先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的幾何關(guān)系。設(shè)任一像元在原始圖像和糾正后的圖像中的坐標(biāo)分別為（x,y）和（X,Y），則他們之間存在這映射關(guān)系：

公式1是由糾正后的像點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y）出發(fā)反求其在原始圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo)（x,y），這種方法稱為反解法（或稱間接法）；而公式2是通過(guò)原始影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)（x,y）解求糾正后圖像上相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y），這種方法稱為正解法（或稱直接法）。數(shù)字微分糾正就是通過(guò)解求相應(yīng)像元的位置進(jìn)行灰度值的內(nèi)插和賦值的運(yùn)算。

3.2 遮蔽區(qū)域檢測(cè)與補(bǔ)償

傳統(tǒng)的航空影像屬于中心投影，對(duì)于地面上有一定高度的地物都會(huì)產(chǎn)生遮蔽現(xiàn)象，中心投影所產(chǎn)生的遮蔽其實(shí)質(zhì)就是投影差（圖4）。由正射影像的遮蔽分析可知，使用數(shù)字建筑模型可以獲取建筑物的平面坐標(biāo)和真實(shí)高程值，進(jìn)而可以計(jì)算出建筑物在正射影像上對(duì)應(yīng)的正確位置，再結(jié)合數(shù)字地面模型就可以確定建筑物在正射影像上實(shí)際的投影位置，進(jìn)而確定被建筑物遮擋的區(qū)域。

對(duì)于被遮蔽的像元信息，在具有一定重疊度的情況下，可以利用相鄰影像上未被遮擋的相關(guān)信息進(jìn)行填充補(bǔ)償。首先根據(jù)真正射影像上地面遮蔽像元的地面平面坐標(biāo)在DEM中內(nèi)插獲取高程值，得到地面遮蔽點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)共線條件方程計(jì)算出其在相鄰影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)，并判斷在該相鄰影像上是否被遮擋，如未被遮擋，則用該點(diǎn)的影像信息對(duì)真正射影像進(jìn)行填充補(bǔ)償，否則繼續(xù)搜索下一張相鄰影像。如果所有影像都被遮擋，則表明該區(qū)域?qū)儆跀z影死角，則可使用背景顏色填充。

圖4　中心投影遮蔽示意圖Fig.4 Sketch map of occlusion in central projection

4　真正射影像生產(chǎn)流程

就現(xiàn)階段而言，可以完成一整套傳統(tǒng)DOM生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)數(shù)不勝數(shù)，但目前能直接用來(lái)生產(chǎn)真正射影像的系統(tǒng)并不多，大部分需要在生成DOM后進(jìn)行二次加工，以得到真正射影像。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站系統(tǒng)中，以Inpho和PixelFactory（“像素工廠”）最為知名，可以無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工直接生成真正射影像，其生產(chǎn)的一般流程為：

（1）對(duì)航攝影像進(jìn)行空三加密，恢復(fù)各像片在攝影時(shí)的空間關(guān)系；

（2）利用影像匹配技術(shù)生成規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)字地面模型；

（3）使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站在立體環(huán)境下采集數(shù)字建筑模型，與數(shù)字地面模型疊加生成數(shù)字表面模型；

（4）使用數(shù)字表面模型對(duì)原始影像進(jìn)行正射糾正，并進(jìn)行遮蔽區(qū)域的檢測(cè)；

（5）在影像鑲嵌過(guò)程中實(shí)現(xiàn)遮蔽區(qū)域的補(bǔ)償，對(duì)鑲嵌結(jié)果進(jìn)行分幅裁切，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ぞ庉?，形成?biāo)準(zhǔn)分幅真正射影像圖。

5　生產(chǎn)試驗(yàn)與分析

本文采用Inpho攝影測(cè)量工作站對(duì)長(zhǎng)沙市內(nèi)某高層建筑區(qū)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由RCD30航攝儀拍攝，攝影平均地面分辨率為0.1 m，航向重疊度和旁向重疊度均為70%。試驗(yàn)中對(duì)該區(qū)域數(shù)據(jù)分別生成了傳統(tǒng)正射影像和真正射影像（圖5），對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖5　傳統(tǒng)正射單片與真正射單片F(xiàn)ig.5 Traditional orthophoto single map and true orthophoto single map

從圖5中可以看出，傳統(tǒng)正射影像單片中屋頂已經(jīng)偏離其正確位置，并且對(duì)地面物體形成了遮擋；而真正射影像單片中屋頂被糾正到正確位置，并且由投影差所造成的遮蔽區(qū)域也被檢測(cè)出來(lái)，并用背景顏色（白色）作了標(biāo)記。由于不同影像的攝影方向不同，導(dǎo)致各影像上房屋的倒向也不一致，從而使得每張影像上的遮蔽區(qū)域各不相同，這為遮蔽區(qū)域的補(bǔ)償提供了有效的方法與途徑。在影像鑲嵌過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用相鄰影像的有效像素進(jìn)行遮蔽區(qū)域的補(bǔ)償，最終形成完整的真正射影像（圖6）。

在圖6中房屋的部分細(xì)小內(nèi)角處仍然可以看到白色背景，其所在區(qū)域就是前面3.2中所提到的攝影死角。由于本次試驗(yàn)使用的是高分辨率航空影像，其相對(duì)攝影高度非常低，而航向重疊度只有70%，導(dǎo)致部分房屋內(nèi)角處無(wú)法處于可視范圍，從而形成攝影死角，解決該問(wèn)題的有效方法是加大航攝航向重疊度。

圖6　遮蔽區(qū)域補(bǔ)償后的真正射影像Fig.6 True orthophoto map with occlusion compensated

6　結(jié)束語(yǔ)

真正射影像作為攝影測(cè)量的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，它同時(shí)具有完美的幾何精度和視覺(jué)特征，可以真實(shí)地再現(xiàn)攝影時(shí)地形表面的三維信息，比單純的正射影像數(shù)據(jù)具有更大的應(yīng)用價(jià)值和更廣闊的應(yīng)用前景。利用數(shù)字建筑模型疊加數(shù)字地面模型進(jìn)行真正射影像的生產(chǎn)，在Inpho、PixelFactory等數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中可以做到高度自動(dòng)化，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)/Reference

[1]梅曉丹，等．基于DMC航空影像的數(shù)字真正射影像制作研究[J]．黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，28（2）：12-15．

[2]萬(wàn)從容，郭容寰，楊常紅．?dāng)?shù)字真正射影像的研制[J].上海地質(zhì)，2009，4：33-36．

[3]楊玲，等．一種數(shù)字真正射影像制作方法[J]．2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS)．2010：356-359

[4]杜澤明，楊常紅，萬(wàn)從容．基于Inpho的真正射影像生產(chǎn)試驗(yàn)[J]．現(xiàn)代測(cè)繪，2013，36（2）：39-41．

[5]史照良，沈泉飛，曹敏．像素工廠中真正射影像的生產(chǎn)及其精度分析[J]．測(cè)繪科學(xué)技術(shù)報(bào)，2007，24（5）：332-335．

[6]謝文寒，周國(guó)清．?dāng)?shù)字建筑模型生成大比例尺真正射影像方法[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（4）：590-592．

[7]王樹根，等．正射影像上陰影和遮蔽的信息處理方法研究[J]．測(cè)繪信息與工程，2004，29（4）：1-4．

[8]曾小江．基于INPHO生成真正射影像的方法介紹和探討[J]．江西測(cè)繪，2013，1：45-47．

The Method and Implementation of Making True Orthophoto Map Using Digital Building Model

Zhao Shuling,Qu Weijun
(The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan,Changsha Hunan 410119)

Abstract:The differences between traditional orthophoto map and true orthophoto map are analyzed,the digital building model and how to use it to generate digital surface model are introduced,the principles of making true orthophoto map are briefly described,the mainstream systems of making true orthophoto map and its production processes are introduced,and a true orthophoto production test is implemented.

Key Words:digital building model;true orthophoto;digital differential rectification;occlusion detection and compensation

收稿日期：2015-12-25；改回日期：2016-2-23。

*第一作者簡(jiǎn)介趙淑玲，女，1969年生，地理信息工程專業(yè)，從事地理信息數(shù)據(jù)處理、三維建模、系統(tǒng)開發(fā)、國(guó)土調(diào)查等工作。Email：598902787@qq.com

文章編號(hào)：1672-5603（2016）01-086-5

中圖分類號(hào)：P283.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A