鐵路航測(cè)調(diào)繪片自動(dòng)制作方法研究

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

傳統(tǒng)航測(cè)調(diào)繪片采用人工制作方法，包括調(diào)繪范圍框制作、調(diào)繪框命名、影像裁剪、影像旋轉(zhuǎn)、調(diào)繪片尺寸調(diào)整、調(diào)繪片命名及輸出等步驟。傳統(tǒng)制作方法存在以下幾個(gè)問題：

(1)需要多個(gè)軟件協(xié)同操作(AutoCAD、 Globalmapper、Photoshop等)，操作步驟多，制作效率低。

(2)正射影像的數(shù)量大，對(duì)電腦配置要求較高。

(3)調(diào)繪片制作不夠規(guī)范，在調(diào)繪片命名以及調(diào)繪片尺寸方面不統(tǒng)一。

(4)每個(gè)步驟均需要人工參與，效率低且易出錯(cuò)。

1 調(diào)繪片制作流程

紙質(zhì)調(diào)繪片是鐵路勘察設(shè)計(jì)階段地形圖制作的重要作業(yè)工序，其基本流程主要包括三個(gè)部分：①范圍框的制作。②根據(jù)鐵路調(diào)繪框的范圍裁剪相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。③將裁剪后帶有地理坐標(biāo)的影像進(jìn)行重采樣并完成成果輸出。其中，鐵路調(diào)繪框的自動(dòng)制作是對(duì)矢量數(shù)據(jù)的操作，其數(shù)據(jù)基本格式為DWG或者DXF，可以采用基于AUTOCAD的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)；影像的裁剪與重采樣過程是基于矢量數(shù)據(jù)的柵格影像處理操作，可以基于地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(kù)(GDAL-Geospatial Data Abstraction Library)開發(fā)實(shí)現(xiàn)，借助自編功能，可以控制影像生產(chǎn)制作過程，大幅提高影像處理的效率。圖1為調(diào)繪片批量自動(dòng)化制作的作業(yè)流程。

圖1 鐵路調(diào)繪片批量自動(dòng)化制作流程

將調(diào)繪范圍框矢量的制作部分與調(diào)繪片影像的處理內(nèi)容分開處理，采用與矢量、柵格數(shù)據(jù)格式相適應(yīng)的函數(shù)庫(kù)編程開發(fā)處理，實(shí)現(xiàn)兩部分內(nèi)容的自動(dòng)化制作。

2 調(diào)繪框自動(dòng)化制作

調(diào)繪框的制作是完成調(diào)繪片影像處理裁剪范圍的必要步驟。制作調(diào)繪框時(shí)，需要根據(jù)鐵路線位走向和鐵路沿線需要調(diào)繪的范圍，確定調(diào)繪框的具體位置以及調(diào)繪片沿線位的排列方向，盡可能使調(diào)繪范圍位于調(diào)繪框中間。鐵路的調(diào)繪范圍呈帶狀分布，相鄰調(diào)繪片的排列方向需要與線位的方向保持一致，在彎曲處，需要保證兩張調(diào)繪片有足夠的重疊。根據(jù)鐵路航測(cè)成圖的要求，調(diào)繪片一般采用A3紙張打印(尺寸為297 mm×420 mm)，而線位兩側(cè)600 m范圍內(nèi)需要調(diào)繪。綜合以上因素，鐵路調(diào)繪片制作的比例宜選擇1∶4 000。調(diào)繪范圍框的實(shí)際尺寸一般選擇為1 120 mm×1 600 mm。相鄰兩個(gè)調(diào)繪框的拼接示意如圖2所示。

圖2 調(diào)繪框制作示意(單位：mm)

調(diào)繪框制作的基本流程如圖3所示，其具體步驟如下：

圖3 調(diào)繪框制作示意

(1)根據(jù)鐵路中線信息，指定調(diào)繪框制作的起點(diǎn)A，以調(diào)繪矩形框長(zhǎng)邊的L=1 600 m為半徑，計(jì)算與鐵路中線交點(diǎn)B的坐標(biāo)。

(2)連接AB兩點(diǎn)，分別以A、B兩點(diǎn)為垂足，計(jì)算線段AB的垂線，垂足兩側(cè)的垂線長(zhǎng)度均為560 m。

(3)根據(jù)垂線的長(zhǎng)度即可確定調(diào)繪框矩形的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，完成第一個(gè)框的制作過程。

(4)為了保證兩個(gè)調(diào)繪框的重疊，以B為起點(diǎn)，根據(jù)不同曲線的曲線長(zhǎng)度確定BC之間距離，一般來說，BC=150 m可以滿足相鄰調(diào)繪片重疊要求，再通過計(jì)算得到C點(diǎn)平面坐標(biāo)。

(5)以C為起點(diǎn)，按照第一個(gè)框的制作流程完成第二個(gè)框的計(jì)算。

3 影像處理

基于上述自動(dòng)生成的調(diào)繪框成果，將矢量框數(shù)據(jù)按照SHP格式分別導(dǎo)出點(diǎn)、線、面文件。其中點(diǎn)文件主要為調(diào)繪框名稱及線位里程信息，線文件主要為鐵路中線及需調(diào)繪范圍，采用矢量柵格化的方式，實(shí)現(xiàn)兩種矢量信息在調(diào)繪片影像中的標(biāo)注。利用自動(dòng)生成的調(diào)繪框，完成影像的裁剪工序。制作調(diào)繪片算法流程如圖4所示。

用于調(diào)繪片制作的DOM數(shù)據(jù)源中，要求所有用到的正射影像波段數(shù)以及影像分辨率保持一致，對(duì)于不一致的正攝影像，需要采用其他外部軟件進(jìn)行重采樣，得到一致的分辨率或影像波段數(shù)?；趫D4的算法流程，采用編程方法，可實(shí)現(xiàn)影像裁剪和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的自動(dòng)化輸出。

圖4 影像處理算法流程

3.1 影像批量裁剪與拼接

調(diào)繪片制作過程中，影像的批量自動(dòng)化裁剪是非常關(guān)鍵的步驟，影像裁剪與拼接的質(zhì)量直接影響調(diào)繪片的質(zhì)量以及制作效率。提出一種先裁剪再拼接的方法，可顯著提高影像裁剪的效率。其基本思路為：

(1)識(shí)別每個(gè)調(diào)繪框四個(gè)角點(diǎn)的地理坐標(biāo)并記錄。

(2)遍歷數(shù)據(jù)源中所有影像，計(jì)算調(diào)繪框與每景影像的重疊范圍，記錄重疊范圍的地理坐標(biāo)。

(3)記錄重疊的矢量多邊形，將對(duì)應(yīng)的每幅圖像影像進(jìn)行裁剪，并存儲(chǔ)裁剪之后的影像。

(4)第一個(gè)調(diào)繪框裁剪完成之后，繼續(xù)第二個(gè)調(diào)繪框的裁剪，直至將所有調(diào)繪框裁剪完畢。

影像裁剪完畢后，需要將調(diào)繪片有重疊區(qū)域的所有影像進(jìn)行拼接處理。如果將所有影像直接按范圍疊加拼接處理，會(huì)導(dǎo)致拼接后影像中部分像素為背景值(見圖5(a))。為解決此問題，對(duì)原有拼接算法進(jìn)行改進(jìn)，有效消除了拼接過程中出現(xiàn)的無效數(shù)據(jù)。拼接策略為逐塊讀取拼接的影像，對(duì)于每次讀取的內(nèi)存塊，逐像元判斷灰度是否為背景值(表示黑邊)，如果為背景值，則棄用，否則將其像元值放入新數(shù)組中，最后將新數(shù)組寫入影像中，依次完成鑲嵌。對(duì)于RGB影像拼接，增加了三個(gè)波段是否一致并且全部為背景灰度值的判斷條件，避免了彩色影像中黑邊問題出現(xiàn)(見圖5(b))。

圖5 未考慮背景值拼接的影像

3.2 影像重采樣與矢量柵格化

拼接后的影像帶有地理坐標(biāo)，有些影像不能夠完整填充整個(gè)影像范圍(見圖5(b))，如果直接采用A3紙打印調(diào)繪片會(huì)造成浪費(fèi)。因此，在調(diào)繪片成果輸出之前，需將影像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行重采樣處理。由于影像的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)與調(diào)繪框四個(gè)角點(diǎn)是一致的，可根據(jù)四個(gè)角點(diǎn)中的坐標(biāo)計(jì)算影像與水平軸的夾角α，如圖6所示。

圖6 影像旋轉(zhuǎn)角示意

影像旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為

(1)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算旋轉(zhuǎn)后每個(gè)像元的坐標(biāo)值，其計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)公式(1)、(2)的數(shù)據(jù)模型，采用最鄰近差值方式完成影像重采樣，實(shí)現(xiàn)影像的置平操作處理。根據(jù)裁剪的實(shí)際范圍，影像打印尺寸與影像實(shí)際尺寸的比例為1∶4 000。因此，影像需要降低分辨率，進(jìn)行重采樣，重采樣成果如圖7所示。

圖7 影像重采樣結(jié)果

矢量柵格化需要將每個(gè)調(diào)繪片的名稱和鐵路中線以及調(diào)繪范圍標(biāo)記在調(diào)繪片上，再對(duì)點(diǎn)線矢量進(jìn)行柵格化處理，即可完成調(diào)繪片制作。利用程序自動(dòng)生成的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)繪片如圖8所示。

圖8 基于程序生成的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)繪片成果

[1] 弓美榮.衛(wèi)星遙感影像和數(shù)碼航空影像結(jié)合生產(chǎn)調(diào)繪片的方法[J].測(cè)繪技術(shù)裝備，2009，4(11)

[2] 李芹.像片外業(yè)調(diào)繪生產(chǎn)工藝流程的改進(jìn)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2008，31(3)

[3] 宗偉麗.航測(cè)外業(yè)新方法的探索[J].鐵道勘察，2012，38(5)

[4] 盧曉平，馬進(jìn)全.ERDAS在航測(cè)調(diào)繪片糾正中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(2)

[5] 鄧?yán)^偉.基于TerraSolid的調(diào)繪片快速制作新方法[J].鐵道勘察，2016，42(4)

[6] 吳彥格.航測(cè)外業(yè)調(diào)繪數(shù)字化研究[J].鐵道勘察，2008，34(2)

[7] 李民錄.GDAL源碼剖析與開發(fā)指南[M].北京：人民出版社，2014

[8] 莊曉東，王海銀，胡振彪，等.地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].2016，4(12)