探究將矢量圖斑投影到原始航片上的一種方法

周美玲 鄭少蘭

摘 要 經(jīng)處理后的正射影像通常只有RGB波段，且影像信息失真，而原始航片具有多光譜信息，為了同時(shí)利用正射影像的地理坐標(biāo)信息和原始航片的多光譜信息，本文提出了利用空三成果和DEM成果將矢量圖斑投影到原始航片的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明投影到原始航片上的圖斑與原始圖版一致。

關(guān)鍵詞 原始航片;正射影像;空三成果;共線方程

引言

近年來(lái)，基礎(chǔ)測(cè)繪獲取了大量的影像數(shù)據(jù)，通常處理后的影像只保留了RGB三個(gè)波段的數(shù)據(jù)，且處理后的影像信息失真，使得利用處理后的影像進(jìn)行地物的識(shí)別，尤其是利用機(jī)器自動(dòng)識(shí)別，往往達(dá)不到預(yù)期的效果。利用原始影像的多光譜信息進(jìn)行地物識(shí)別可解決上述問(wèn)題，但是原始影像通常沒(méi)有地理坐標(biāo)，與實(shí)際的地物圖斑關(guān)聯(lián)不上。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種利用像片的內(nèi)外方位元素將要識(shí)別的圖斑定位到原始航片的方法。

1攝影測(cè)量常用的坐標(biāo)系

1.1 像平面坐標(biāo)系o-xy

以像主點(diǎn)為原點(diǎn)，像片對(duì)邊中點(diǎn)連線與航線一致的那條線為x軸，另一條對(duì)邊中點(diǎn)連線為y軸，像平面坐標(biāo)系用來(lái)表示像點(diǎn)在像片上的位置。

1.2 像空間坐標(biāo)系S-xyz

以攝站點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，攝站點(diǎn)與像主點(diǎn)的連線為z軸，x、y軸分別于像平面坐標(biāo)系的x、y軸相同，用來(lái)表示像點(diǎn)在像方空間的位置。

1.3 像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ

以攝站點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以鉛錘方向?yàn)閆軸，航線方向?yàn)閄軸，垂于航線方向?yàn)閅軸。

1.4 攝影測(cè)量坐標(biāo)系P-XPYPZP

以地面上某一點(diǎn)P為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)軸方向與像空間輔助坐標(biāo)系相同，也稱物方空間坐標(biāo)系[1]。

2影像的內(nèi)外方位元素

2.1 影像的內(nèi)方位元素

影像的內(nèi)方位元素包括鏡頭中心到像平面的垂距f（即我們常說(shuō)的相機(jī)焦距），攝站點(diǎn)在像平面上的垂足點(diǎn)相對(duì)于影像中心的位置x0，y0。

2.2 影像的外方位元素

用來(lái)確實(shí)影像成像瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)，包括攝影中心相對(duì)于物方空間坐標(biāo)系的位置XS，YS，ZS，以及影像平面在攝影瞬間的空中姿態(tài)，即像空間坐標(biāo)系與物方空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系。本文以X軸為主軸的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例，三個(gè)旋轉(zhuǎn)角分別為ω，ψ，κ。

根據(jù)以上定義，可得出：

像片上所有像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)系的z值為攝站點(diǎn)到像平面的垂距，值為負(fù)值。即像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)為（x，y，-f）[2]。

像空間坐標(biāo)系與像空間輔助坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

3共線方程

攝影時(shí)攝影中心S（XS，YS，ZS）、地物點(diǎn)A（XA，YA，ZA）、地物在像片上的構(gòu)象a的像空間坐標(biāo)（x，y，-f）和像空間輔助坐標(biāo)（X，Y，Z）三點(diǎn)位于一條直線上，如圖1，則像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)與物方點(diǎn)物方空間坐標(biāo)有以下關(guān)系：

由式（1）和式（2）可推出

考慮像主點(diǎn)的坐標(biāo)（x0 ，y0），（3）式展開(kāi)得

本文使用的轉(zhuǎn)角系統(tǒng)為以X為主軸的ω-ψ-κ系統(tǒng)，像空間坐標(biāo)系與像空間輔助坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為

把上式乘出來(lái)可以得出

根據(jù)公式（4）可知，利用空三結(jié)果解算出的影像內(nèi)外方位元素和地物點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)可將地面點(diǎn)投影到像片上，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)地圖斑與原始影像的對(duì)應(yīng)。

4實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中使用的空三成果、正射影像和原始影像來(lái)源于廣東省高分辨率航空影像數(shù)據(jù)更新（0.2米）項(xiàng)目，空三成果為Inpho空三格式，正射影像為3波段，8bit數(shù)據(jù)原始影像為4波段，16bit數(shù)據(jù)，像元大小5.2um，數(shù)字高程模型為廣東省機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與數(shù)字高程模型更新項(xiàng)目成果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一：利用已知地面點(diǎn)物方空間坐標(biāo)和影像內(nèi)外方位元素計(jì)算地面點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)二：將地物圖斑投影到原始航片上

本次實(shí)驗(yàn)用的地物圖斑以正射影像為地圖繪制，為了結(jié)果可視化，計(jì)算結(jié)果與原始影像在ArcGIS中查看，只顯示RGB三個(gè)波段，且做了拉伸處理。

由正射影像勾繪出矢量圖斑只有平面坐標(biāo)，沒(méi)有高程值，為了獲取高程值，本次實(shí)驗(yàn)利用已有的DEM數(shù)據(jù)內(nèi)插出圖斑各節(jié)點(diǎn)的高程值，最后根據(jù)公式（4）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)在原始影像上的像素坐標(biāo)。本文實(shí)驗(yàn)中DEM內(nèi)插采用雙線性內(nèi)插方式。

其中：為圖斑節(jié)點(diǎn)的高程值，grd為DEM的格網(wǎng)間隔，i，j為節(jié)點(diǎn)在DEM上的格網(wǎng)坐標(biāo)，，為節(jié)點(diǎn)到格網(wǎng)中心的距離。

圖2 正射影像

由表1可知由地理空間坐標(biāo)反算到像素坐標(biāo)的精度可達(dá)0.34個(gè)像素，換算成0.2米分辨率的影像，精度可達(dá)0.068米，完全滿足常規(guī)項(xiàng)目如地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等對(duì)于圖斑提取精度的要求。由實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果可看出地物圖斑在正射影像和原始影像上的邊界一致。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了將地物圖斑投影到原始航片上的方法，首先利用DEM數(shù)據(jù)內(nèi)插出圖斑各節(jié)點(diǎn)的高程值，然后利用共線方程計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)在原始航片上的像素坐標(biāo)，最后將各節(jié)點(diǎn)像素坐標(biāo)構(gòu)成矢量面，利用矢量面裁剪出原始影像，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)利用正射影像的地理坐標(biāo)信息和原始航片的多光譜信息。

參考文獻(xiàn)

[1] 李驍，葉進(jìn)勇，魏霖，等.ContextCapture與INPHO結(jié)合的無(wú)人機(jī)空三加密方法研究[J].城市勘測(cè)，2019（1）：75-78.

[2] 張劍清，潘勵(lì)，王樹(shù)根.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社， 2009：215.