基于ERDAS LPS的大數(shù)據(jù)量航攝遙感影像DOM制作

王海明張榮春陸 鳳

（1.蘇州高新區(qū)測(cè)繪事務(wù)所有限公司，江蘇 南京215011;2.南京郵電大學(xué)地理與生物信息學(xué)院，江蘇 南京210023;3.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京241000）

0 引 言

數(shù)字正射影像圖（Ditgital Orthophoto Map，DOM）是以航攝相片或遙感影像（單色/彩色）為基礎(chǔ)，經(jīng)掃描處理并經(jīng)逐像元進(jìn)行輻射改正、微分糾正和鑲嵌，按地形圖范圍裁剪成的影像數(shù)據(jù)[1-2]。它具有地形圖的幾何精度和影像特征，且具有信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

由于技術(shù)條件及設(shè)備差異，且制作正射影像的數(shù)據(jù)來(lái)源不同[3]，數(shù)字正射影像的制作有多種途徑，如全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法、單片數(shù)字微分糾正方法以及正射影像圖掃描等[4]。本文結(jié)合某水電站測(cè)區(qū)大數(shù)據(jù)量、高分辨率的實(shí)際航攝影像資料，對(duì)運(yùn)用ERDAS LPS 2010數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)制作正射影像的處理流程及注意事項(xiàng)進(jìn)行較為詳細(xì)地介紹。

1 ERDAS LPS簡(jiǎn)介

ERDAS LPS（Leica Photogrammetry Suite）是美國(guó)ERDAS公司研發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。它提供多種航天-航空幾何傳感器模型設(shè)置、坐標(biāo)系統(tǒng)定義、影像自動(dòng)匹配、區(qū)域網(wǎng)空三加密、數(shù)字地面模型（DTM）自動(dòng)提取、數(shù)字正射影像（DOM）制作等全線數(shù)據(jù)生產(chǎn)需求[5]。在高性能軟硬件支持下，LPS以嚴(yán)密的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，以流線型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程為核心，操作更簡(jiǎn)便、處理更高效，對(duì)于大數(shù)據(jù)量制作DOM而言更為適合。

2 LPS制作DOM流程

2.1 核心功能

LPS核心功能[6]主要包括支持各種傳感器模型、自動(dòng)內(nèi)定向、自動(dòng)像點(diǎn)量測(cè)、交互式像點(diǎn)量測(cè)、空中三角測(cè)量、正射影像糾正、正射影像鑲嵌等基本的攝影測(cè)量工具，其處理流程與攝影測(cè)量的過(guò)程相符合，操作簡(jiǎn)便。

其中，空中三角測(cè)量計(jì)算作為攝影測(cè)量學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，其精度好壞對(duì)航空正射影像圖的質(zhì)量影響很大[7]?？罩腥菧y(cè)量方法的分類(lèi)多種多樣:按平差所采用的數(shù)學(xué)模型不同，可分為航帶法空中三角測(cè)量、獨(dú)立模型法空中三角測(cè)量和光束法空中三角測(cè)量3類(lèi)[8]。其中光束法空中三角測(cè)量理論最嚴(yán)密，加密成果的精度較高。光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以一張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的數(shù)學(xué)模型，以像點(diǎn)坐標(biāo)為觀測(cè)值，根據(jù)相鄰像片公共交會(huì)點(diǎn)坐標(biāo)相等、控制點(diǎn)的加密坐標(biāo)與地面坐標(biāo)相等為條件，求解每張像片的外方位元素和加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)的方法[9-10]。以上過(guò)程中必然用到的就是攝影測(cè)量學(xué)的經(jīng)典共線方程式:

式（1）中，x、y為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo);X S、Y S、Z S為站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo);x、y、z為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo);a i、b i、c i（i=1，2，3）為影像的3個(gè)外方位自元素組成的9個(gè)方向拿弦。

2.2 基本流程

LPS制作正射影像基本流程如下所示（圖1）。

利用LPS進(jìn)行正射影像制作首先需要?jiǎng)?chuàng)建*.blk格式的工程文件，其包含整個(gè)測(cè)區(qū)所有信息。工程文件建好并設(shè)置相機(jī)模型、投影參數(shù)等相關(guān)信息后，需將原始影像加載至測(cè)區(qū)影像列表中并進(jìn)行影像間的關(guān)聯(lián)。為增強(qiáng)影像顯示效果及自動(dòng)同名點(diǎn)定義，需要利用原始影像生成金字塔影像。內(nèi)外定向參數(shù)設(shè)置也是整個(gè)處理流程中的關(guān)鍵步驟。內(nèi)外定向參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作做好后，就可以進(jìn)行同名點(diǎn)匹配了。通常，需要首先量測(cè)控制點(diǎn)確定外定向參數(shù)，若已通過(guò)某些途徑獲得了初始外方位元素，則無(wú)需采集控制點(diǎn)即可進(jìn)行外定向。完成匹配和精度檢查后，即可進(jìn)行空中三角測(cè)量，計(jì)算物方坐標(biāo)，通過(guò)不斷調(diào)整、剔除粗差，反復(fù)計(jì)算直至精度符合要求。空三計(jì)算完成后，自動(dòng)提取DTM用于正射校正。最后經(jīng)過(guò)正射影像拼接、鑲嵌得到拼接后的DOM。

圖1 LPS正射影像制作流程圖

3 工程實(shí)例應(yīng)用

本文以某大型水電站的實(shí)際項(xiàng)目為例，具體介紹運(yùn)用ERDAS LPS軟件完成大數(shù)據(jù)量航攝遙感影像DOM的制作過(guò)程。

3.1 項(xiàng)目概況

該水電站是以發(fā)電為主的大型水電水利工程，正常蓄水位370.00 m，總庫(kù)容123.28億立方米，有效庫(kù)容57.85 m3。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）影像數(shù)據(jù):整個(gè)水電站分為3個(gè)測(cè)區(qū)共計(jì)1 500張航片，地面分辨率達(dá)0.2 m。

（2）投影參數(shù):根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目資料，采用自定義坐標(biāo)系統(tǒng)。

（3）相機(jī)參數(shù):采用專(zhuān)業(yè)數(shù)字相機(jī)Vexcel Ultra-Cam-X Digital Camera，內(nèi)定向參數(shù)為:x0=-0.144 mm，y0=0.0 mm，f=100.5 mm;外 定 向參數(shù)由GPS和電子羅盤(pán)獲取，為已知值（圖2）。

圖2 投影參數(shù)設(shè)置

3.3 具體過(guò)程

（1）建立名為i23toi34.blk的測(cè)區(qū)，并設(shè)置相應(yīng)屬性信息。

（2）加載影像并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，成功后影像列表Online列顯示為綠色。

（3）生成金字塔影像。此過(guò)程可靈活選取所需要的部分或全部影像進(jìn)行金字塔圖層計(jì)算。

（4）內(nèi)外定向及相機(jī)參數(shù)設(shè)置好后，即進(jìn)入同名點(diǎn)自動(dòng)匹配環(huán)節(jié)。由于本項(xiàng)目的外方位元素已通過(guò)GPS和電子羅盤(pán)得到，故可省去量測(cè)控制點(diǎn)步驟，直接進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配（圖3）。

圖3 同名點(diǎn)自動(dòng)匹配結(jié)果報(bào)告

（5）空中三角測(cè)量計(jì)算。同名點(diǎn)匹配完成后，設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行空中三角測(cè)量，剔除或修正誤差過(guò)大的點(diǎn)，得到符合精度要求的空三計(jì)算結(jié)果。

（6）DTM自動(dòng)提取。這是整個(gè)處理過(guò)程耗時(shí)最長(zhǎng)的一步。由于數(shù)據(jù)量較大，且與電腦配置相關(guān)，該項(xiàng)目提取DTM的平均時(shí)間約為8 min/像對(duì)，對(duì)于幾百?gòu)堄跋穸杂脮r(shí)就需要十幾甚至幾十個(gè)小時(shí)。故建議選擇分塊處理更大數(shù)據(jù)量的項(xiàng)目，或者采取建立小型工作站的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（7）正射影像處理。有了DTM成果后，通過(guò)正射影像校正、拼接、鑲嵌等一系列處理即可得到最終正射影像成果（圖4）。

圖4 正射影像鑲嵌結(jié)果

3.4 分析

簡(jiǎn)要分析LPS在某水電站實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用情況，得到如下結(jié)論及建議。

（1）將鑲嵌結(jié)果與矢量化文件疊加檢查，重合度達(dá)95%以上，效果較好;DOM制作過(guò)程中幾乎每一步都需要設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)與否對(duì)中間結(jié)果及最終產(chǎn)品質(zhì)量和精度都有一定影響，故每一步的參數(shù)設(shè)置都需經(jīng)過(guò)不斷嘗試，選取合適的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

（2）為保證鑲嵌處色調(diào)平滑，避免出現(xiàn)相鄰影像局部色調(diào)差異過(guò)大的現(xiàn)象，在正射影像鑲嵌之前，需要選擇適當(dāng)方法進(jìn)行各種處理:如色彩糾正，可根據(jù)實(shí)際情況選擇色彩平衡、直方圖匹配或其他方法;同時(shí)，還可以進(jìn)行平滑和羽化處理。但是，從圖4可以看出，盡管經(jīng)過(guò)處理，影像的色調(diào)分布仍然不是很均勻，可另外對(duì)其進(jìn)行熒光處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)LPS在某大型水電站的航攝遙感正射影像制作中的應(yīng)用結(jié)果，表明對(duì)于多航帶大測(cè)區(qū)高分辨率航攝影像而言，LPS可以完成正射影像的制作并達(dá)到精度要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和攝影測(cè)量學(xué)科的飛速發(fā)展，LPS對(duì)于高性能硬件支持的要求將更容易滿足，加之生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)不斷積累以及生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，將LPS廣泛應(yīng)用于高精度攝影測(cè)量產(chǎn)品的制作將會(huì)對(duì)測(cè)繪行業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)作用。