公路地形圖測(cè)繪中遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)應(yīng)用分析

汪 族 仁

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230000)

在公路地形圖的采集過(guò)程中，航空攝影獲取關(guān)于地形的影像資料，經(jīng)過(guò)像控點(diǎn)的科學(xué)布設(shè)和空三加密，測(cè)繪人員利用相關(guān)數(shù)據(jù)展開(kāi)采集工作。業(yè)內(nèi)采集工作主要包含數(shù)字特征模型、地形等高線、高程點(diǎn)以及地物地雷數(shù)據(jù)的采集，傳統(tǒng)的采集作業(yè)中人們需要在立體環(huán)境下工作，不僅工作量大，且采集效率低，而遙感影像點(diǎn)匹配技術(shù)的應(yīng)用剛好解決了這一難題。

1 遙感影像匹配技術(shù)的實(shí)施步驟

首先，根據(jù)公路地形的實(shí)際情況正射校正遙感影像。利用衛(wèi)星影像軌道數(shù)據(jù)與地形信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)投影變換將衛(wèi)星遙感影像平面像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地面參考坐標(biāo)系，隨后對(duì)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影像展開(kāi)灰度值采樣工作，最終得到正射校正后的影像。匹配校正后的影像，生成同名點(diǎn)文件，優(yōu)化衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，將該結(jié)果作為初步測(cè)繪的軌道數(shù)據(jù)，完成遙感影像的精確匹配。其次，校正遙感影像后，選取具有參考價(jià)值的影像，應(yīng)用外部地形高程模型生成灰度圖。最后，應(yīng)用相位相關(guān)法自動(dòng)匹配遙感影像，計(jì)算出影像之間所對(duì)應(yīng)像素的偏移量。該偏移量就是公路地形實(shí)際變化與形變位移量[1]。

2 遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)在公路地形圖測(cè)繪中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1.1影像匹配

對(duì)于影像匹配，目前主要有兩種類型。一種是以圖像作為參考進(jìn)行匹配分析，也就是相互匹配。另一種是在同一地理坐標(biāo)系內(nèi)匹配圖像，這是絕對(duì)匹配。空間域影像匹配主要是從影像幾何形變與灰度差情況出發(fā)，匹配精度高且速度快，由于匹配頻率域時(shí)會(huì)涉及到關(guān)于空間域和頻率域的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，匹配起來(lái)比較復(fù)雜，對(duì)影像匹配結(jié)果提出了較高的要求。當(dāng)前的影像匹配方法主要有三種，基于區(qū)域的影像匹配方法主要是根據(jù)圖像灰度相似性完成匹配工作；基于特征的影像匹配方法是利用點(diǎn)線特征完成匹配，對(duì)圖像畸變有著魯棒性，在匹配過(guò)程中容易受到噪聲的干擾，匹配結(jié)果與特征提取質(zhì)量有關(guān)；基于圖像理解和解釋的影像匹配方法，就是將數(shù)字圖像看成是連續(xù)的物理模型，在完成特征匹配的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高效轉(zhuǎn)換，該方法是近年來(lái)行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。實(shí)際上，影像匹配就是在兩張或者兩張以上的遙感影像中尋找同名點(diǎn)的過(guò)程。一般人們常用基于區(qū)域的匹配方法和基于特征的匹配方法進(jìn)行遙感影像的匹配分析，比如相關(guān)系數(shù)法或SIFT匹配法。相位相關(guān)法不僅計(jì)算效率高，且灰度變化不敏感，可以很好的用于公路地形圖測(cè)繪工作[2]。

2.1.2特征點(diǎn)檢測(cè)

響應(yīng)值R是由矩陣行列式表示的，k的取值是0.04，那么R=Det(M)-ktr2(M)，為了獲得預(yù)期數(shù)量的特征點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)特征點(diǎn)檢測(cè)窗口展開(kāi)響應(yīng)值計(jì)算分析，采用非極大值抑制方法，對(duì)定位角點(diǎn)的位置按照響應(yīng)值的實(shí)際大小排序分析，以從大到小的排列方式選擇多個(gè)特征點(diǎn)，將這些特征點(diǎn)用于接下來(lái)的相位相關(guān)匹配研究。

2.1.3技術(shù)應(yīng)用

人們?cè)诓杉返匦螆D相關(guān)信息的時(shí)候，會(huì)對(duì)遙感影像資料進(jìn)行空三加密作業(yè)處理，得到加密成果后使用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)將平差成果導(dǎo)入，建立三維立體模型。應(yīng)用遙感影像點(diǎn)云匹配方法的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的點(diǎn)云間隔，確保其與模型相互匹配，該技術(shù)的自動(dòng)匹配能夠獲得固定間隔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)點(diǎn)云內(nèi)可能會(huì)有高程異常點(diǎn)，比如匹配出來(lái)的粗差點(diǎn)和落在地物頂端的點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，可以對(duì)DSM點(diǎn)云采取濾波處理的方法，采用匹配的方式得到精確的DSM點(diǎn)云，隨后完成對(duì)公路地形中建筑物與植物的濾波，濾波之后科學(xué)調(diào)整參數(shù)，將所有高程異常點(diǎn)全部過(guò)濾，最終得到基本沒(méi)有粗差和異常情況的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。依靠現(xiàn)有的數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，生成數(shù)字高程模型后再進(jìn)行平滑處理，隨后系統(tǒng)生成等高線，對(duì)等高線加以修測(cè)就能獲得等高線的測(cè)量研究成果。過(guò)濾點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)做好適當(dāng)抽稀工作，將抽稀之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，查看其在立體環(huán)境下是否有落在房頂?shù)狞c(diǎn)或落在樹(shù)梢上的點(diǎn)，除此之外是否有其他高程異常點(diǎn)，將所有異常點(diǎn)去除后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就能作為遙感影像點(diǎn)云匹配中的特征點(diǎn)應(yīng)用。公路測(cè)繪人員在立體環(huán)境中如果想要采集其他要素，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步做好要素的采集與編輯處理工作[3]。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，無(wú)人機(jī)在各行業(yè)和領(lǐng)域中開(kāi)始廣泛應(yīng)用，特別是地理信息行業(yè)，人們采用無(wú)人機(jī)航攝方式解決以往的公路測(cè)繪難題。測(cè)量型無(wú)人機(jī)集免像控技術(shù)和PPK技術(shù)于一體，可有效提升公路地形圖測(cè)繪結(jié)果的精確度。應(yīng)用AgiSoft PhotoScan，PIX4D Mapper，Smart 3D Capture等處理軟件，這些軟件支持影像匹配點(diǎn)云功能。遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)同名影響點(diǎn)的自動(dòng)找尋，完成對(duì)空中三角的測(cè)量與計(jì)算，并結(jié)合公路測(cè)繪的實(shí)際情況自動(dòng)生成正射影像圖。傳統(tǒng)的測(cè)繪方法雖然能夠得到高精度的DEM數(shù)據(jù)，但是需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和人力物力，工作量較大。在遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)支持下，應(yīng)用雷達(dá)點(diǎn)云方式后可自動(dòng)生成DEM數(shù)據(jù)，在Lidar設(shè)備的支持下，輕松完成公路測(cè)繪與制圖工作。AgiSoft PhotoScan軟件可以將影像轉(zhuǎn)化為三維模型，在應(yīng)用時(shí)無(wú)需設(shè)置初始值，也不需要進(jìn)行相機(jī)的校驗(yàn)工作，軟件可以按照最新的多視圖三維重建技術(shù)處理照片，通過(guò)控制點(diǎn)生成三維模型。在軟件的工作過(guò)程當(dāng)中，不管是影像的定向，還是三維模型的建立，所有工作環(huán)節(jié)都是自動(dòng)化的。

2.2 在實(shí)際公路項(xiàng)目中的應(yīng)用分析

遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中，需要將采集到的遙感影像資料進(jìn)行空三加密和模型恢復(fù)，再通過(guò)特征點(diǎn)采集和地物采集后，聯(lián)系采集到的影像資料一同進(jìn)行點(diǎn)云匹配和點(diǎn)云濾波。經(jīng)過(guò)濾波處理后，分別對(duì)數(shù)據(jù)和影像信息進(jìn)行點(diǎn)云平滑和點(diǎn)云抽稀，科學(xué)構(gòu)建TIN，生成DEM，最終得出標(biāo)準(zhǔn)的公路地形等高線。點(diǎn)云抽稀后需要剔除粗差點(diǎn)，得到公路地形的高程點(diǎn)和特征點(diǎn)。將遙感影像點(diǎn)云匹配后的等高線、高程點(diǎn)、特征點(diǎn)可以直接用于實(shí)際公路地形圖的繪制工作。遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的高程點(diǎn)和特征點(diǎn)采集方式，提高了地形等高線的生產(chǎn)效率，為有關(guān)工程項(xiàng)目的建設(shè)提供寶貴的技術(shù)參考。

為了對(duì)遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)加以驗(yàn)證，以G312線蘭州過(guò)境公路作為研究對(duì)象，在該公路地形圖測(cè)繪工作當(dāng)中，線路在蘭州內(nèi)長(zhǎng)度達(dá)到了81 km。目前地形圖測(cè)繪項(xiàng)目已經(jīng)完成了中線兩側(cè)款1.4 km范圍內(nèi)1∶2 000帶狀地形圖的測(cè)繪工作，同時(shí)項(xiàng)目也完成了關(guān)于DTM的制作工作。測(cè)繪人員采集地形圖有關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)用了遙感影像點(diǎn)云匹配技術(shù)，在該技術(shù)的支撐下生成了DSM點(diǎn)云。隨后，工作人員轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的作業(yè)方式，應(yīng)用點(diǎn)云采集了該地形圖區(qū)域內(nèi)的高程點(diǎn)和特征點(diǎn)，并完成了等高線的自動(dòng)生成工作。與以往的地形測(cè)繪工作相比，工作日人員的作業(yè)量大大減少，且測(cè)圖效率有所提升，采集和測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度得到保證。外業(yè)人員使用網(wǎng)絡(luò)RTK在準(zhǔn)備建設(shè)的路線中心線兩側(cè)100 m的位置測(cè)量出了大約780個(gè)平面和高程檢測(cè)點(diǎn)，這些檢測(cè)點(diǎn)的分布比較均勻，可以對(duì)比例為1∶2 000的地形圖進(jìn)行核驗(yàn)，也能夠適用于DTM的精度確認(rèn)。經(jīng)過(guò)作業(yè)人員的高程點(diǎn)測(cè)量計(jì)算后，得知高程點(diǎn)的誤差只有0.25 m，比誤差標(biāo)準(zhǔn)值0.3 m小，所以遙感影像點(diǎn)云匹配方式的應(yīng)用可以達(dá)到地形圖測(cè)繪需求。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸條件的改進(jìn)，各個(gè)省市和區(qū)域內(nèi)的公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，項(xiàng)目與日俱增。在公路建設(shè)的前期規(guī)劃階段，有必要加強(qiáng)對(duì)公路地形圖的有效測(cè)繪，根據(jù)地形圖完成接下來(lái)的公路建設(shè)與施工工程。為了提升地形圖測(cè)繪能力，盡可能的減少建設(shè)周期，人們將遙感影像點(diǎn)云匹配用于其中，從而有效的提升了測(cè)圖效率，保證了數(shù)據(jù)高程精度，為公路建設(shè)與施工項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)和中期施工提供了科學(xué)的技術(shù)參考。