傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密關鍵技術研究

□ 浙江省第二測繪院 許一睿 鄧廷起

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，測繪技術的日新月異，空間地理信息數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)多樣化，數(shù)據(jù)量大小也呈指數(shù)級增長，大數(shù)據(jù)時代對歷史空間地理信息數(shù)據(jù)資源的挖掘分析有著潛在的應用市場。近年來，浙江省大力推進“三改一拆”、全域土地綜合整治與生態(tài)修復工程、城中村改造等工作，工作中遇到了歷史違法用地辨別依據(jù)不足、早年地類是否存量建設用地判別困難等問題。這些問題可以利用歷史航空影像資料很好地進行解決。為高效管理和有效利用歷史航空影像，對歷史航空影像進行處理勢在必行。實現(xiàn)對航空影像定位以及后續(xù)應用，對航空影像空三加密是必不可少的步驟，眾多航空影像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了航攝資料的管理，同時可以對單張影像數(shù)據(jù)進行瀏覽和更新，但是卻不能實現(xiàn)歷史航空影像的漫游瀏覽和空間查詢。傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密不同于數(shù)碼影像空三加密，其加密方法直接影響其空三精度以及效率。本文對傳統(tǒng)膠片航攝影像數(shù)字掃描影像空三加密誤差分析，通過測試試驗，改進傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密方法，提升傳統(tǒng)膠片航攝影像空三效率以及空三加密成果精度。

一、傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密誤差分析

傳統(tǒng)膠片航攝影像，相對于數(shù)碼航片會有一些新的誤差源影響其空中三角測量精度，主要以下幾個方面。

（一）內(nèi)定向

利用影像數(shù)字化器將膠片航片掃描轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，其主要是將原來模擬方式的信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)字形式的信息。但每張數(shù)字影像大小會不一致，所以首先通過內(nèi)定向的方式將掃描影像的掃描坐標系轉(zhuǎn)換到像平面坐標系，內(nèi)定向誤差是傳統(tǒng)膠片航攝影像空中三角測量的主要誤差。

（二）控制點獲取困難

傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密成果精度較低，像控點成果較少且精度較低，特別對于空三成果缺失的上世紀七八十年代早期歷史航片，與現(xiàn)今相隔年限較長，變化較大，若通過實地測量歷史航片的像控點數(shù)據(jù)會相當困難且不太現(xiàn)實。如何獲取早期歷史航片的像控點將是早期歷史航片空三加密的關鍵。

（三）影像變形引起的不可預知誤差

傳統(tǒng)膠片航攝影像在轉(zhuǎn)換成數(shù)字掃描影像前已經(jīng)存放很多年，早期歷史航片存放時間過長，膠片影像已發(fā)生不可量算的變形。同時掃描影像紋理弱或掃描時亮度沒調(diào)好，反光強烈。這些對連接點自動匹配以及空三加密的精度影響較大。

二、提升傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密關鍵技術

根據(jù)對傳統(tǒng)航攝影像空三加密精度與效率影響的分析，突破影響歷史航片空三加密精度的內(nèi)定向、控制點獲取困難、影像變形等幾個問題的關鍵技術，利用數(shù)碼影像特征點全自動匹配技術改進傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密方法。

（一）像主點歸一化

由于膠片的框標不清晰造成掃描影像的內(nèi)定向工作量大且誤差較大，其誤差將會積累到空三加密成果中，嚴重影響空三加密成果的精度。參考數(shù)碼影像內(nèi)定向誤差理論值為零，對不同大小的膠片航攝影像通過修改畫布大小的方式（不影響影像分辨率）統(tǒng)一數(shù)字掃描影像畫幅大小。這樣膠片影像的空三加密轉(zhuǎn)變成了簡單的數(shù)碼航片的空三加密，內(nèi)定向誤差理論值也為零。這樣不但去除了內(nèi)定向的工作步驟，同時也去除了內(nèi)定向誤差對空三加密精度的影響，這一步驟稱為像主點歸一化。

（二）基于最新航攝影像量取歷史航片像控點

將歷史航片作為子區(qū)添加到同區(qū)域最新數(shù)碼航片已有加密成果工程中。在加密區(qū)內(nèi)添加連接點作為歷史航片的控制點，這樣做有以下幾個有利條件。

a.兩期影像在統(tǒng)一平臺下，有利于同名點的選取。

b.連接點精度有保證。

c.可以任意選取同名點作為連接點。

d.連接點坐標即為歷史航片控制點坐標。

（三）自檢校改正影像變形誤差

將歷史影像不可量測的形變誤差歸算到畸變差模型中，通過畸變差模型參與歷史影像空三加密的自檢校平差，利用控制點以及大量的連接點解算影像畸變差模型參數(shù)，改正影像形變。

三、膠片航攝影像空三加密生產(chǎn)試驗

（一）航攝資料分析及試驗技術流程

本試驗過程包括傳統(tǒng)膠片航攝影像像主點歸一化、影像自動匹配、不同時相加密區(qū)合并、歷史影像像控點獲取以及空三精度評定等步驟，具體總試驗技術流程如下圖1所示。

▲圖1▲傳統(tǒng)膠片影像空三加密試驗技術流程圖

選擇的試驗區(qū)域位于浙江省中部的蘭溪市北部區(qū)塊，面積約130平方公里，東西長約12公里，南北長約11公里，整體地形為山地。試驗區(qū)所用歷史影像航攝資料為1979年航攝的膠片影像，試驗區(qū)最新航攝資料為2016年0.2米分辨率數(shù)碼影像。

▲圖2▲膠片掃描影像像主點歸一化

（二）傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密主要技術

1. 像主點歸一化

內(nèi)定向誤差對膠片影像空三加密精度影響較大，為了減少內(nèi)定向?qū)δz片影像空三加密精度的影響以及減少內(nèi)定向工作量，將掃描影像通過修改影像畫布大小的方式將其影像大小統(tǒng)一（不改變影像分辨率），如圖2所示。這樣內(nèi)定向誤差理論值為零。

通過對膠片掃描影像畫布大小的改變，影像幅面大小長寬一致，使得其像主點居于影像中心，膠片影像空三加密方式轉(zhuǎn)換成簡單的數(shù)碼影像空三加密，因此數(shù)碼影像空三加密技術，如特征點提取、自動匹配、密集匹配就可以應用于膠片影像的空三加密。

▲圖3▲1979年蘭溪測區(qū)航攝影像及控制點分布結(jié)合圖

2.膠片影像像控點獲取及空三加密

由于1979年膠片歷史影像與2016年影像變化較大，像控點獲取通過實地測量較為困難。將膠片歷史影像與2016年數(shù)碼影像建立在同一區(qū)域網(wǎng)加密區(qū)內(nèi)，在空三軟件量測平臺添加連接點，且連接點同為膠片歷史影像與2016年數(shù)碼影像同名點。加密區(qū)內(nèi)均勻添加連接點后，將加密區(qū)分為兩個加密區(qū)，膠片歷史影像為一個加密區(qū)，2016年數(shù)碼影像為一個加密區(qū)（已有空三加密成果，且包含膠片歷史影像的同名點）。將2016年數(shù)碼影像已有空三加密成果重新平差得到的同名點物方點坐標即作為膠片歷史影像加密區(qū)的像控點坐標。膠片歷史影像航攝曝光點與像控點分布圖如圖3所示。

3.膠片航攝影像附加參數(shù)自檢校控制網(wǎng)平差

膠片歷史影像由于存放時間過長，影像存在一定的不可量算的誤差，通過復雜的數(shù)學模型利用多余的控制點觀測量進行誤差改正，一般常用的誤差改正量可表示成像點坐標的函數(shù)如下所示：

Δx=f1(x,y)

Δy=f2(x,y)

通過附加參數(shù)自檢校模型進行控制網(wǎng)平差，能有效去除膠片影像的形變誤差，提升空三加密成果精度。

（三）膠片航攝影像空三加密精度評價

將空三加密成果導入到全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，在立體上量測檢查點的三維坐標，特別是高程值。檢查點的三維坐標在2016年已有空三加密成果中量測獲取。以檢查點量測為基準，立體量測相對于檢查點量測的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計算。

式中：m1—檢查點中誤差，單位為米（m）；△—檢查點實測值與立體觀測值誤差，單位為米（m）；n—參與評定的檢查點數(shù)（共42個）。

統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

若采用常規(guī)的膠片航攝影像空三加密方法，經(jīng)已有膠片航攝影像空三加密成果精度統(tǒng)計，加密點坐標中誤差大約在1米左右。而本文通過對膠片航攝影像空三加密方法的改進，從表1空三加密精度統(tǒng)計相對中誤差可以看出，此種方法極大地提升了膠片航攝影像空三加密成果精度，至少一個數(shù)量級的提升，統(tǒng)計相對中誤差為±0.13米。

表1▲空三加密成果精度統(tǒng)計表

四、基于膠片航攝影像高精度空三加密成果的應用

高精度膠片航攝影像空三加密成果，在實際工程中膠片航攝影像有著廣泛的應用前景，高精度膠片航攝影像空三加密成果可以通過密集匹配獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，由于歷史航空影像植被稀疏、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)現(xiàn)勢性植被茂密區(qū)域植被分離；高精度的DEM數(shù)據(jù)以及現(xiàn)勢性地表植被高程信息可實現(xiàn)電力工程桿塔室內(nèi)精確定位，減少大量外業(yè)實地測量工作。

同時高精度膠片航攝影像的空三加密成果，結(jié)合現(xiàn)勢性航攝影像通過密集匹配實現(xiàn)見樹又見地，可以輔助喬、灌木的區(qū)分，可以進行植被動態(tài)監(jiān)測。

再次對膠片歷史航片進行數(shù)據(jù)處理可有效保障歷史數(shù)據(jù)的安全，避免信息資源損失，同時，數(shù)據(jù)處理技術的提高大大增強了影像的精度和實用性，為獲取數(shù)字高程模型、建筑物甄別測繪、拆遷補償司法鑒定等多種應用提供服務。