一種結(jié)合已有DOM和DEM的高精度自動(dòng)刺像控點(diǎn)方法

王明明，王 佳，馮仲科，申朝永

(1. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 2. 貴州省第三測(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004)

攝影測(cè)量作業(yè)過(guò)程中，為了控制加密，提高作業(yè)精度，一般須在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)。外業(yè)通過(guò)GPS測(cè)量等手段實(shí)地獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)，內(nèi)業(yè)中在單張像片上標(biāo)注出控制點(diǎn)位置，通過(guò)內(nèi)外業(yè)可得到控制點(diǎn)在地面測(cè)量坐標(biāo)系和像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在地理國(guó)情普查、重點(diǎn)區(qū)域變化監(jiān)測(cè)等方面，為了滿足現(xiàn)勢(shì)性需求，通過(guò)航攝更新相關(guān)地理信息產(chǎn)品。當(dāng)已具有時(shí)相1的DOM和DEM數(shù)據(jù)時(shí)，本文提出了一種利用IPS軟件和其輔助軟件，為時(shí)相2的航攝像片刺入控制點(diǎn)的方法。由于IPS軟件在影像匹配階段，利用幾何自動(dòng)統(tǒng)計(jì)方法的智能過(guò)濾器，可使匹配點(diǎn)提取質(zhì)量最高達(dá)0.1像素[1]，因此，其刺點(diǎn)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人眼識(shí)別刺點(diǎn)。技術(shù)流程如圖1所示。

本文選擇的試驗(yàn)區(qū)域位于貴州省安順市平壩區(qū)。時(shí)相2航攝面積約12 km2，航攝地面分辨率優(yōu)于10 cm，共拍攝一個(gè)架次7條航帶156張像片，平均航高2202 m。已有此測(cè)區(qū)先期DOM和DEM，測(cè)區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔1504 m，最低點(diǎn)海拔1078 m，涉及建筑物、森林、農(nóng)田等多種地物。

1 軟件介紹

處理過(guò)程中涉及IPS軟件和自主編寫的IPS控制點(diǎn)自動(dòng)采集輔助程序。

1.1 IPS軟件系統(tǒng)

IPS是ICAROS公司推出的快速精確處理航空影像的軟件系統(tǒng)，可用于各種大規(guī)模制圖和工程應(yīng)用中，包括災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)分析、管道制圖和能源審計(jì)等。IPS自動(dòng)化程度高，從采集到完成所需時(shí)間快，操作干預(yù)和錯(cuò)誤少，支持各種廣泛任務(wù)要求、傳感器有效載荷和處理?xiàng)l件。

1.2 IPS控制點(diǎn)自動(dòng)采集輔助程序

為了輔助IPS軟件完成高精度自動(dòng)刺像控點(diǎn)工作，基于Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了IPS控制點(diǎn)自動(dòng)采集輔助程序。該程序主要包括4部分：①裁切已有DOM；②生成DOM中心點(diǎn)坐標(biāo)；③生成相機(jī)文件；④根據(jù)像點(diǎn)讀取控制點(diǎn)坐標(biāo)。如圖2所示。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 DOM裁切

已有時(shí)相1的DOM和DEM數(shù)據(jù),如圖3所示。在ArcGIS中讀取DOM左下角和右上角點(diǎn)位坐標(biāo)，根據(jù)時(shí)相2航攝單張像片覆蓋實(shí)地面積分析DOM裁切尺寸，以裁切后DOM覆蓋范圍略大于單張像片覆蓋范圍為宜。如圖4所示，虛線表示待裁切DOM邊界，L(XL，YL)和R(XR，YR)分別表示DOM左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)，a和b表示在橫向和縱向裁切DOM的長(zhǎng)度。為了將DOM規(guī)則裁切，生成如圖4實(shí)線表示的格網(wǎng)，先計(jì)算格網(wǎng)左下角的起始點(diǎn)QS坐標(biāo)(XQS，YQS)，之后再計(jì)算完全覆蓋DOM所需要格網(wǎng)的列數(shù)CN和行數(shù)RN，生成裁切依據(jù)文件。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可讀取到(XL,YL)=(613 725,2 924 051)，(XR,YR)=(618 200,2 929 458)。航飛單張像片表示地面范圍約為0.8 km2，為了使裁切后的DOM與像片能精確匹配，此次DOM裁切規(guī)則為1500 m×1500 m，即a=1500 m,b=1500 m。下面結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明裁切依據(jù)文件生成過(guò)程。

(1) 根據(jù)a和b的位數(shù)，將(XL，YL)對(duì)應(yīng)數(shù)位的數(shù)字全部換為0，得到QS0(XQS0，YQS0)，如本文(XQS0，YQS0)=(610 000,2 920 000)。

(2) 在(XQS0，YQS0)上分別加a和b的倍數(shù)，直至得到不大于(XL，YL)的最大值，將其賦給(XQS，YQS)。此處采用循環(huán)實(shí)現(xiàn):

for (XQS=XQS0;XQS<=XL;XQS=XQS+a)

XQS=XQS-a;

for (YQS=YQS0;YQS<=YL;YQS=YQS+b)

YQS=YQS-b;

得到(XQS，YQS)=(613 000,2 923 000)。

(3) DOM右上角的坐標(biāo)與起始點(diǎn)坐標(biāo)作差，除以橫向和縱向的裁切長(zhǎng)度，之后取整再加一。根據(jù)式

(1)

可計(jì)算出裁切格網(wǎng)的列數(shù)CN=4，行數(shù)RN=5。

基于以上方法，IPS控制點(diǎn)自動(dòng)采集輔助程序可生成裁切DOM所需要的TXT依據(jù)文件，此文件內(nèi)容是以影像名、左下角X坐標(biāo)、左下角Y坐標(biāo)、右上角X坐標(biāo)、右上角Y坐標(biāo)的順序表示一個(gè)圖形。如613.000-2 923.000 613 000 2 923 000 614 500 2 924 500，表示影像名為613.000-2 923.000的DOM其左下角坐標(biāo)為(613 000,2 923 000)，右上角坐標(biāo)為(614 500,2 924 500)。之后利用裁切依據(jù)文件在Inpho中的OrthoVista模塊中裁切DOM影像，得到裁切后的DOM及其對(duì)應(yīng)的TFW頭文件。

2.2 DOM虛擬POS生成

裁切后的DOM以影像的形式加載到IPS中作匹配處理，故需要POS數(shù)據(jù)和相機(jī)文件，POS數(shù)據(jù)一般格式為(影像名,X,Y,Z,Omega,Phi,Kappa)。DOM完成裁切后，小幅DOM以影像左下角坐標(biāo)X-Y方式命名。DOM的虛擬POS生成過(guò)程中，X、Y坐標(biāo)選擇裁切后DOM的中心點(diǎn)坐標(biāo)，Z坐標(biāo)選擇時(shí)相2航飛高度。已有DOM是標(biāo)準(zhǔn)正射影像，因此其翻滾角(Omega)、俯仰角(Phi)、航向角(Kappa)均為零。

從上文中可知裁切后DOM的左下角坐標(biāo)(X左，Y左)和右上角坐標(biāo)(X右，Y右)，可得到DOM中心點(diǎn)坐標(biāo)

(2)

以DOM613.000-2 923.000為例，則可知其POS為(613.000-2 923.000,613 750,2 923 750,2202,0,0,0)。同樣可得到其他裁切后DOM的POS數(shù)據(jù)。

2.3 DOM虛擬相機(jī)生成

為了與時(shí)相2像片有更為相似的匹配條件，根據(jù)時(shí)相2相機(jī)文件生成DOM虛擬相機(jī)文件。在IPS輔助軟件中，生成DOM虛擬相機(jī)文件需要輸入焦距f、相對(duì)航高H、正射影像長(zhǎng)度a′和寬度b′(像素表示)、正射影像實(shí)地長(zhǎng)度a、寬度b等參數(shù)。以上參數(shù)中，焦距參考時(shí)相2相機(jī)文件；相對(duì)航高根據(jù)平均航高和測(cè)區(qū)平均海拔作差得到；a、b已知，a′、b′可從裁切后DOM文件的屬性中得到。根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合式(3)可先求得DOM地面采樣間隔GSD，再根據(jù)式(4)求得像元大小μ。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用的是飛思P65+相機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表1。

(3)

表1 飛思P65+相機(jī)參數(shù)

裁切后DOM中，a=b=1500 m,a′=b′=15 000,則根據(jù)式(3)可得GSD=0.1 m，參考表1中的焦距f=45.729 1 mm，DOM像元大小μ=0.005 431 mm?？偨Y(jié)得出DOM虛擬相機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 DOM虛擬相機(jī)參數(shù)

3 自動(dòng)刺入控制點(diǎn)

3.1 影像匹配

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，在IPS軟件中建立工程。將裁切后的時(shí)相1 DOM與時(shí)相2像片均視為影像文件，在工程中加載影像文件、相機(jī)文件、POS數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)海拔等。在相機(jī)文件夾下，存放兩個(gè)相機(jī)文件，一個(gè)是時(shí)相2拍攝相機(jī)文件，另一個(gè)是裁切后DOM的虛擬相機(jī)文件，建成工程后，修改DOM對(duì)應(yīng)的相機(jī)文件為其虛擬相機(jī)文件。進(jìn)入GeoViewer視圖窗口，以DOM和像片所覆蓋范圍有重疊即有關(guān)系為準(zhǔn)，手動(dòng)添加DOM與像片之間的連接關(guān)系，完成連接關(guān)系的添加，如圖5所示。

之后在Match模塊中開(kāi)始同名點(diǎn)匹配，完成后所有匹配點(diǎn)均列在主窗口的Points列表中。這些點(diǎn)既有時(shí)相1 DOM與時(shí)相2像片之間的同名點(diǎn)，也有僅存在于時(shí)相2像片之間的同名點(diǎn)。完成匹配后，在工程中的DP文件夾下有后綴為GPF和IPF的兩個(gè)文件，其中GPF為地面點(diǎn)文件，IPB為像點(diǎn)二進(jìn)制文件，通過(guò)“Tools-Bin to Directory”可將IPB文件轉(zhuǎn)換為IPF文件。GPF文件中記錄了所有匹配點(diǎn)在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，每張影像(裁切后的DOM和時(shí)相2像片)都有對(duì)應(yīng)的IPF文件，記載了與此影像有關(guān)的所有同名點(diǎn)個(gè)數(shù)、點(diǎn)名及各點(diǎn)在此像片平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.2 制作控制點(diǎn)

對(duì)于同時(shí)在DOM和時(shí)相2像片上的匹配點(diǎn)p，圖6反映了其在DOM像方平面坐標(biāo)系與物方平面坐標(biāo)系中的位置。根據(jù)IPF文件可知其在DOM像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xp,yp),在上文中，OrthoVista軟件在完成裁切后，會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)文件的TFW頭文件。TFW中存儲(chǔ)了影像在X方向和Y方向的地面采樣間隔GSD、旋轉(zhuǎn)系數(shù)，以及影像左上角柵格的中心點(diǎn)位(X0,Y0)。由式(5)可得DOM物方平面坐標(biāo)系中心坐標(biāo)(Xc,Yc)

(5)

由點(diǎn)p的像方平面坐標(biāo)、DOM物方平面坐標(biāo)中心點(diǎn)，以及采樣間隔GSD,可求出p點(diǎn)在物方平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

(6)

根據(jù)以上原理，在IPS輔助軟件的根據(jù)像點(diǎn)讀取控制點(diǎn)坐標(biāo)模塊中，輸入GPF文件、IPF文件和TFW文件等，計(jì)算所有DOM與時(shí)相2像片匹配出的點(diǎn)的物方平面坐標(biāo)(X,Y)，根據(jù)物方平面坐標(biāo)和DEM可提出Z坐標(biāo)，將(X,Y,Z)坐標(biāo)一并寫入GPF文件中。用新生成的GPF文件替換原有GPF文件，打開(kāi)工程后可見(jiàn)DOM與時(shí)相2匹配點(diǎn)的物方坐標(biāo)已被改寫，而時(shí)相2像片間匹配的點(diǎn)坐標(biāo)依然為(0,0,0)。

改變已寫入物方坐標(biāo)的點(diǎn)屬性(從“tie”改為“xyz_check”)，之后通過(guò)平差，系統(tǒng)會(huì)給出每個(gè)點(diǎn)的殘差大小，以殘差大小為依據(jù)，結(jié)合目視檢查的方法刪掉有明顯錯(cuò)誤的“xyz_check”點(diǎn)。經(jīng)過(guò)若干次平差后，刪除“xyz_check”點(diǎn)以外的其他所有點(diǎn)和工程中的DOM影像。IPS軟件中GPF文件和IPB(IPF)文件通過(guò)點(diǎn)名字段連接，通過(guò)上面的步驟可知，剩余點(diǎn)在GPF文件中存有其物方坐標(biāo)，在IPB(IPF)文件中存有對(duì)應(yīng)的像平面坐標(biāo)，將“xyz_check”點(diǎn)屬性改為“xyz_control”即完成了區(qū)域內(nèi)刺像控點(diǎn)的工作。

3.3 后續(xù)處理

引入控制點(diǎn)后完成空三處理，平差之后的成果可以在IPS軟件中進(jìn)一步處理得到時(shí)相2的地信產(chǎn)品，也可直接將其導(dǎo)出為PATB格式，或分析其數(shù)據(jù)格式，將其轉(zhuǎn)換為Inpho或其他后續(xù)軟件文件格式，以期在其他軟件中完成地信產(chǎn)品生產(chǎn)。在示例數(shù)據(jù)中，平差之后得到RMSPixel=1.421,RMSX_Control=0.224,RMSY_Control=0.191,RMSZ_Control=0.133。依次執(zhí)行DTMe—OrthoRectifyMe—StitchMe—Seam line Editor等步驟，完成了時(shí)相2 DOM影像的生成。通過(guò)對(duì)完成后的DOM影像的分析，其結(jié)果完全符合1∶1000國(guó)家規(guī)范。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了在地理信息產(chǎn)品更新過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)匹配的方法找出時(shí)相1 DOM與時(shí)相2像片之間的同名點(diǎn)，再通過(guò)DOM的本身屬性和其對(duì)應(yīng)的TFW文件，以及DEM對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，共同得到匹配點(diǎn)的物方坐標(biāo)。通過(guò)平差探測(cè)與目視檢查等方法排除了錯(cuò)誤點(diǎn)位后，將這些點(diǎn)作為控制點(diǎn)存儲(chǔ)，即完成了像控點(diǎn)高精度刺入的目的。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行下一步的匹配、解算、地理信息產(chǎn)品的生成等。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間分辨率遠(yuǎn)優(yōu)于遙感數(shù)據(jù)，因此在需要以無(wú)人機(jī)影像作為遙感數(shù)據(jù)分析依據(jù)時(shí)，DOM同樣可用高分遙感影像如WorldView、Google Earth等代替，處理所得結(jié)果可以與目標(biāo)遙感影像高度匹配。在此處理中，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)匹配的方法得到的點(diǎn)位精度遠(yuǎn)高于人工刺入點(diǎn)位，可以達(dá)到亞像元級(jí)別，同時(shí)得到的控制點(diǎn)更為均勻稠密地分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，為精確的空三處理提供基礎(chǔ)保證。