基于Lidar數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)DOM的改進方法

福建省測繪院，福建 福州 350003

福建省測繪地理信息局于2014年購置了徠卡ALS70-HP激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時搭載了徠卡RCD30八千萬像素中幅面量測相機，航攝時可同機獲取高密度高精度的點云數(shù)據(jù)和高分辨率的航攝像片，用于制作全省高精度DEM和DOM。在實際生產(chǎn)DOM的過程中，出現(xiàn)了以下三個較為突出的問題：傳統(tǒng)的TerraPhoto軟件制作DOM效率低下且成圖質(zhì)量差、空三加密成果在航攝分區(qū)及加密分區(qū)處存在接邊誤差、原始數(shù)據(jù)資料無法導(dǎo)入國產(chǎn)攝影測量平臺。文章著重分析了上述問題出現(xiàn)的原因，并提出優(yōu)化改進方案。

1 傳統(tǒng)作業(yè)方式改進

1.1 傳統(tǒng)作業(yè)方式存在的問題

傳統(tǒng)的Lidar數(shù)據(jù)生產(chǎn)正射影像是在TerraPhoto軟件中，通過大量的航片連接點（Tie點）來計算并修正航攝相機安裝角度與IMU系統(tǒng)間的偏差，并統(tǒng)一改正到航片的EO中，再用點云濾波后生成的DEM糾正出正射單片，該過程無須外業(yè)控制點。由于TerraPhoto軟件并不是專門的攝影測量軟件，它自動匹配出的Tie點在數(shù)量和質(zhì)量上與專業(yè)攝影測量軟件（SSK、INPHO、LPS等）相差較大，特別是在大片植被覆蓋的地方，其自動匹配弱的問題更加突出，匹配出的點很少，且精度差，幾乎不能用，需要手工量測大量的Tie點。福建地區(qū)大部分為植被覆蓋區(qū)域，用TerraPhoto軟件生產(chǎn)DOM效率低下，而直接用初始EO及點云濾波后生成的DEM對原始航片進行糾正，發(fā)現(xiàn)局部相鄰正射單片接邊存在少許偏差，說明初始EO不是絕對準確。

1.2 專業(yè)攝影測量軟件與點云濾波相結(jié)合的優(yōu)化改進方案

替代方案是將航片及初始EO導(dǎo)入SSK中，SSK軟件強大的特征匹配能力使其能在植被茂密區(qū)域匹配到大量分布均勻、可靠的連接點，如圖1所示。

圖1 植被茂密區(qū)域匹配出大量可靠連接點

用初始EO直接進行絕對定向，該過程同樣無須外業(yè)控制點，且?guī)缀醪挥檬止ち繙y連接點，全部由計算機自動計算完成。在同等硬件條件下，單個測區(qū)的劃分也比TerraPhoto大很多，可以達到4000片，而TerraPhoto單個測區(qū)達到500片時，匹配及平差計算就非常困難。

絕對定向后輸出新的EO，將其與初始EO進行對比，發(fā)現(xiàn)其存在細微的變化。用空三后輸出的EO和點云濾波后生成的DEM糾正原始影像，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)相鄰正射單片接邊不存在偏差，且與舊圖件資料DLG或DOM套合情況良好，說明空三后輸出的EO是可靠的。前后EO間的細微變化，正是通過大量匹配點整區(qū)平差計算出的初始EO偏差值。

在正射影像的糾正過程中，發(fā)現(xiàn)用點云濾波后生成的DEM來糾正航片，在植被覆蓋茂密區(qū)域糾正出來的效果并不好。分析其原因，主要是因為點云濾波后是用地面點構(gòu)建的DEM，而DOM在植被區(qū)域顯示出的只是樹冠部分，并不是地面，當(dāng)樹很高時，樹冠部分的高程與地面的高程相差較大；航攝像片邊緣處的高大地物由于光線入射角的原因，自身存在較大的投影差，再用地面處高程值去糾正樹冠處的像素會產(chǎn)生“堆積擠壓”現(xiàn)象，在DOM圖面上就表現(xiàn)為樹木拉升變形，該現(xiàn)象在遠離投影中心的航片四周表現(xiàn)得尤為明顯。

福建省大部分為山區(qū)，植被覆蓋率高，用點云濾波方式獲取的DEM糾正的正射單片將會產(chǎn)生大量的樹木拉伸現(xiàn)象，最終采取的改進方案是將加密成果導(dǎo)入INPHO，用Match-T模塊將匹配參數(shù)設(shè)置成山區(qū)，自動匹配出DSM，自動濾波，生成DEM。由于Inpho采用基于影像像素的特征匹配算法，其匹配濾波獲取的DEM在山區(qū)不會緊貼地表，且過渡均勻、自然，糾正出的正射單片樹木基本不會拉伸。

因為在Match-T模塊中設(shè)置的匹配參數(shù)是山區(qū)，其匹配濾波獲取的DEM在平坦區(qū)域效果不理想，糾正時房子會產(chǎn)生明顯的變形，而點云濾波方式獲取的DEM在平坦區(qū)域效果較好，糾正時房子基本不會變形，剛好與INPHO匹配方式獲取的DEM互補，所以還需要用點云濾波方式獲取的DEM糾正出一份正射單片。由于測區(qū)大部分為山地，在DOM修補時，用INPHO匹配方式獲取的DOM成果作為底圖，碰到房子變形的地方，用點云濾波方式糾正出的正射單片對房子進行修補。另外，在一些比較困難的區(qū)域，如山坡上的密集房屋、立交橋、陡峭山崖等兩種DEM糾正效果都不好的地方，需要將加密成果導(dǎo)入攝影測量平臺中，恢復(fù)立體像對，手工編輯困難區(qū)域的DEM，糾正出正射單片，再進行修補。

后續(xù)的生產(chǎn)項目證明，采用上述改進方案生產(chǎn)DOM，相比傳統(tǒng)的TerraPhoto生產(chǎn)方式，人工干預(yù)更少，極大地提高了生產(chǎn)效率，且成圖質(zhì)量更有保障，其在山地較多的測區(qū)效果尤為明顯。

2 航線敷設(shè)及加密分區(qū)改進

2.1 航攝分區(qū)及加密分區(qū)間的接邊誤差

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，在測區(qū)的內(nèi)部，正射單片是準確的；在測區(qū)的邊緣，每條航線的頭尾幾片及第一條航線和最后一條航線的正射單片不夠準確，且越靠近測區(qū)邊緣，精度越差。這是因為在做空三加密時，分區(qū)是按照航線來劃分的，分區(qū)間沒有重疊航線；航飛時測區(qū)間重疊只有2～3片，而航線頭尾幾片受飛機掉頭時姿態(tài)急劇變化的影響，自身存在較大的角度偏差；在測區(qū)的邊緣沒有任何外業(yè)控制點來約束像片的定向，純粹靠航片初始EO和匹配出的加密點來進行絕對定向，而自動匹配加密點時在測區(qū)邊緣缺少足夠的航線間連接點，也缺少傳統(tǒng)空三加密中布設(shè)的同名控制點來約束測區(qū)的接邊偏差，就會造成測區(qū)邊緣的航片定向不夠準確，在制作DOM時就表現(xiàn)為測區(qū)之間的正射單片接邊出現(xiàn)偏差。

2.2 航線敷設(shè)和加密分區(qū)改進

采用的解決方案是在徠卡MissionPro飛行計劃軟件中，將相鄰航攝分區(qū)間的重疊像片設(shè)置為6～8張，并在空三加密時將相鄰加密分區(qū)間重疊兩條航線，最后輸出加密成果時，去掉加密分區(qū)中每條航線頭尾的3～4張航片，并去掉加密分區(qū)的第一條和最后一條航線，如圖2所示。這樣就能保證輸出的每張像片都有足夠的定向點，最終的接邊也不會產(chǎn)生較大誤差。

圖2 加密分區(qū)策略及輸出定向成果策略

按上述要求對飛行計劃進行修改，并進行加密分區(qū)和定向成果輸出，基本可以消除無外控條件下分區(qū)間空三成果的接邊差。

3 原始數(shù)據(jù)優(yōu)化改進

3.1 原始數(shù)據(jù)無法導(dǎo)入國產(chǎn)攝影測量平臺的原因

在DOM的生產(chǎn)中，在一些復(fù)雜的地形處，如山坡上的密集房屋、立交橋、陡峭山崖等容易變形的地方，需要在立體模型上對DEM進行特殊編輯，重新糾正出正射單片進行修補。但國內(nèi)大部分的測圖和DEM編輯工作都是在國產(chǎn)攝影測量平臺上進行，如適普、航天遠景、JX4、吉威DPS等，而Lidar系統(tǒng)在航飛時的安裝角度是90°，即獲取的原始影像是“橫向”的，無法在國產(chǎn)攝影測量平臺上生成核線影像來恢復(fù)立體模型進行立體測圖及DEM編輯。因此，只能利用原始影像構(gòu)建立體像對進行立體測圖，而原始影像立體像對視差較大，且無法將空三后的加密點導(dǎo)入立體模型進行輔助匹配，使山區(qū)等紋理單一區(qū)域很難匹配出質(zhì)量高的DSM，也無法在立體模型上對易變形區(qū)域DEM進行特殊編輯。

目前，大部分的航攝相機都是采用90°安裝，自帶GPS但沒有帶慣導(dǎo)，獲取的初始外方位元素只含線元素，沒有角元素，拍攝出的原始航片為橫向的，在后期處理時都是將航攝像片向正北方向旋轉(zhuǎn)，即定義一個方向飛行的像片順時針轉(zhuǎn)90°，相向飛行的逆時針轉(zhuǎn)90°。因為在旋轉(zhuǎn)過程中并沒有改變投影中心，所以線元素并沒有改變，不影響后期的空三使用，只需要重新定義旋轉(zhuǎn)后的相機參數(shù)即可（將原始相機參數(shù)中的相幅長寬交換，按照相機檢校說明文件修改PPA，其他不變），它是通過初始GPS數(shù)據(jù)輔助外業(yè)控制點來解算像片的精確外方位元素。

3.2 導(dǎo)入國產(chǎn)攝影測量平臺對原始影像和初始EO進行處理

徠卡ALS70激光掃描系統(tǒng)自帶高精度GPS和慣性導(dǎo)航設(shè)備，其獲取的初始EO已包含線元素和角元素，且相對比較精準，不需要外業(yè)控制點來做后期的空三，只需要利用設(shè)備獲取的初始EO自動匹配出加密點進行絕對定向，以消除航攝相機安裝角度與IMU系統(tǒng)間的微小系統(tǒng)差。旋轉(zhuǎn)過程中雖然沒有改變線元素，但明顯改變了角元素，因此需要知道在航片旋轉(zhuǎn)過程中角元素發(fā)生了怎樣的變化，并總結(jié)出規(guī)則，以進行相應(yīng)的修改。

選擇相向飛行的兩條航線作為試驗區(qū)域，并按要求布設(shè)外業(yè)控制點。先不旋轉(zhuǎn)，在SSK中，導(dǎo)入初始EO進行影像匹配，再直接用初始EO進行絕對定向，并輸出最終EO1；再將像片向正北方向旋轉(zhuǎn)，并記錄旋轉(zhuǎn)方向，在SSK中重新定義旋轉(zhuǎn)后的相機參數(shù)，量測外業(yè)控制點，直接用控制點進行絕對定向，輸出最終EO2。將EO1和EO2進行比對，可以發(fā)現(xiàn)航片旋轉(zhuǎn)后，除了相機參數(shù)需要重新定義，外方位元素中只有KAPPA角發(fā)生了加減90°的變化，其他項并未發(fā)生明顯變化。

采用同樣的方法對不同方向飛行的航線做實驗，并分析總結(jié)出航片旋轉(zhuǎn)時EO的變化規(guī)律，最終結(jié)果如表1所示。

表1 不同飛行方向下的像片旋轉(zhuǎn)及初始EO修改規(guī)則

批量將航片及初始EO按上述規(guī)則進行處理，并重新定義相機參數(shù)，做空三處理，就可以將空三成果導(dǎo)入國產(chǎn)攝影測量軟件中，生成核線影像來恢復(fù)立體像對，進行立體測圖及DEM編輯等工作。

4 結(jié)束語

文章系統(tǒng)地分析了基于Lidar數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)DOM中出現(xiàn)的典型問題，并提出了改進方案。通過改進的工藝流程，短時間內(nèi)完成了福建省12.4萬km2無外業(yè)控制點空三加密及1∶5000 DOM生產(chǎn)任務(wù)，并順利通過了質(zhì)檢部門的驗收，且該DOM成果已經(jīng)被當(dāng)作福建省多批次衛(wèi)星影像生產(chǎn)項目（包括第三次全國土地調(diào)查和福建省年度地理國情監(jiān)測）的參考資料來使用，說明該改進工藝是可靠的，尤其是在山地較多的測區(qū)值得推廣。