基于航空影像的真正射制作技術(shù)

樊 濤 胡盛江

(32017部隊(duì), 西藏 拉薩 850013)

0 引言

影像通過正射糾正,消除相機(jī)傾斜與地形起伏等引起的投影變形而制作成數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)。數(shù)字正射產(chǎn)品未消除建筑物自身投影差,導(dǎo)致產(chǎn)品中地物遮擋與陰影問題比較突出。隨著城市建設(shè)的不斷加快,高樓及密集區(qū)占比越來越重,建筑物自身投影差而造成遮擋及陰影問題也越來越多。逐漸滿足不了現(xiàn)有測(cè)繪基礎(chǔ)建設(shè)需求,尤其在國土規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查、農(nóng)村宅基地確權(quán)等方面。因此對(duì)于真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM)的需求日益迫切。本文在分析正射與真正射區(qū)別基礎(chǔ)上,探討真正射影像數(shù)據(jù)獲取、核心算法、制作流程的關(guān)鍵技術(shù),總結(jié)提出基于高程約束的一種優(yōu)化的稠密立體匹配技術(shù)(Semi-Global Matching,SGM)遮蔽檢測(cè)算法,并很好地解決了其他算法的不足。

1 真正射影像制作技術(shù)分析

1.1 正射與真正射的區(qū)別

DOM是基于地表影像利用數(shù)字地表高程模型(Digital Elevation Model，DEM)糾正而來。在不考慮人工建筑物空間高度的情況下,消除地形起伏和相機(jī)傾斜等引起的投影變形的一種地理信息產(chǎn)品。TDOM是將地表影像經(jīng)垂直投影,消除投影差,使得地形與地物均被糾正到正確的位置上。二者最顯著的差異在于是否分析了地物的可見性。

數(shù)據(jù)獲取方面,DOM對(duì)于常規(guī)的航空攝影來說,按照標(biāo)準(zhǔn)的航向重疊(60%～65%)與旁向重疊(30%～35%)設(shè)計(jì)航飛獲取航線。TDOM為了后期解決遮擋問題,故需要加大航向及旁向重疊。對(duì)于城市高樓建筑物,要求達(dá)到航向與旁向重疊至少優(yōu)于75%。生產(chǎn)制作過程的流程主要區(qū)別在于:DOM是在空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建立體相對(duì),生成DEM,利用外方位元素并結(jié)合DEM進(jìn)行影像糾正[1]。TDOM制作主要是在空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上,利用影像密集匹配出高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字表面模型(Digital Surface Model，DSM)或其他途徑獲取的數(shù)字建筑物模型(Digital Building Models，DBM)的基礎(chǔ)上,解決建筑物遮擋等問題,糾正生成TDOM成果。

1.2 真正射影像制作的關(guān)鍵技術(shù)

真正射影像制作的關(guān)鍵在于消除地物自身高度的投影差問題,即消除地物自身的遮蔽。

如何準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行遮蔽區(qū)域檢測(cè)是制作真正射產(chǎn)品的核心。目前,常用的檢測(cè)算法主要有DSM和DBM。

1.2.1基于DSM的遮蔽區(qū)域檢測(cè)

DSM包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度信息的地面高程模型[2],如何在數(shù)字表面模型的基礎(chǔ)上利用算法獲取遮蔽區(qū)域信息是核心。目前現(xiàn)有的方法有Z-Buffer 方法[3-4]、基于DSM排序的遮蔽檢測(cè)、基于角度的遮蔽檢測(cè)方法[5]、基于矢量的直接法遮蔽檢測(cè)、高程射線追蹤法[6],各遮擋檢測(cè)方法比較如表1所示。

表1 幾種遮擋檢測(cè)方法比較表

1.2.2基于高程約束的SGM遮蔽檢測(cè)算法。

針對(duì)上述算法的各自優(yōu)缺點(diǎn)。提出了基于高程約束的SGM遮蔽檢測(cè)算法。該算法首先利用大重疊高分辨率影像使用密集匹配算法匹配出高精度的DSM模型。利用高精度的DSM作為檢測(cè)遮蔽區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。加入高程射線追蹤法,通過比較搜索路徑上地面點(diǎn)的高度與攝影光線的高度,將其作為遮蔽準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)遮蔽區(qū)域檢測(cè)。

(1)立體像對(duì),匹配出高精度的密集點(diǎn)云信息。

(2)SGM密集匹配算法[7],計(jì)算影像之間的互信息獲取影像匹配的相似測(cè)度值。通過一系列的匹配代價(jià)計(jì)算、視差計(jì)算、視差優(yōu)化[8],此外為提高準(zhǔn)確性,加入平滑約束條件,最終獲得初始遮擋信息。

(3)遮擋區(qū)域檢測(cè)。

首先,對(duì)于SGM 遮擋矩陣、DSM 可見矩陣、攝影光線(從攝影中心到DSM格網(wǎng)點(diǎn)的連線)進(jìn)行定義。要求SGM 遮擋矩陣對(duì)應(yīng)原始影像,且維數(shù)與原始影像相同。

其次,利用立體相對(duì)密集匹配獲得DEM。并判斷DEM格網(wǎng)點(diǎn)是否在建筑物多邊形邊界區(qū)域內(nèi)。如果是,則該區(qū)域構(gòu)建附加邊約束的三角網(wǎng),利用三角網(wǎng)內(nèi)插出 DEM 格網(wǎng)點(diǎn)平面位置對(duì)應(yīng)的高程值,獲取高精度的DSM,定義為初始DSM遮蔽區(qū)域。

最后，加入高程約束條件,對(duì)初始遮蔽區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)DSM格網(wǎng)點(diǎn)來說,如果該格網(wǎng)點(diǎn)搜索路徑上所有點(diǎn)的高度都小于攝影光線的高度,則說明它在影像上可見。反之,不可見。在初始遮蔽區(qū)域內(nèi),比較搜索路徑上地面點(diǎn)的高度與攝影光線的高度來排除初始遮蔽區(qū)域是否正確[9-10],并將錯(cuò)誤信息、遺漏區(qū)域補(bǔ)齊。如圖1所示。如果待檢測(cè)點(diǎn)的攝影光線高度小于搜索路徑上DSM格網(wǎng)點(diǎn)的高度,則該點(diǎn)被遮蔽;如果待檢測(cè)點(diǎn)的攝影光線高度大于搜索路徑上所有DSM格網(wǎng)點(diǎn)的高度,則該點(diǎn)可見。

圖1中Z是DSM點(diǎn)的地面高度,dZ是根據(jù)攝影光線的斜率和在搜索路徑上指定的搜索間隔來計(jì)算的。如圖1(c)所示,結(jié)果表明，圖1(b)中，6、5、2區(qū)域?yàn)椴豢梢姡?為可見。

圖1 計(jì)算方法示意圖

2 實(shí)驗(yàn)

利用航攝相機(jī)獲取大重疊區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。試驗(yàn)區(qū)域飛行高度2 400 m,地面均高10 m,獲取影像地面分辨率 0.15 m,實(shí)驗(yàn)得出:

(1)基于高程約束的SGM遮蔽檢測(cè)算法,比較好地檢測(cè)出遮擋區(qū)域,解決了其他算法遺漏的問題。算法中首先確定初始遮蔽區(qū)域,然后對(duì)初始遮蔽區(qū)域進(jìn)行復(fù)查。保證了遮蔽區(qū)域的精確性和完整性,解決了存在的漏檢測(cè)問題。另外融合SGM的高精度DSM保證了真正射房屋邊界清晰狀,且鋸齒狀現(xiàn)象明顯減少。工廠區(qū)與高層建筑物區(qū)域TDOM如圖2～3所示。

圖2 工廠區(qū)TDOM

圖3 高層建筑區(qū)域的TDOM

(2)與傳統(tǒng)的DOM相比,該算法比較好地保留了原始影像的分辨率,在水域、植被茂密區(qū)域可獲得比較真實(shí)的TDOM。水域區(qū)域DOM與TDOM對(duì)比如圖4～5所示。植被TDOM細(xì)節(jié)圖如圖6所示。

圖4 水域區(qū)域DOM

圖5 水域區(qū)域TDOM

圖6 植被匹配的TDOM

3 結(jié)束語

本文從真正射制作關(guān)鍵技術(shù)出發(fā),對(duì)比幾種常用遮蔽區(qū)域算法,提出了基于高程約束的SGM遮蔽檢測(cè)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本算法可彌補(bǔ)傳統(tǒng)遮蔽區(qū)域檢測(cè)算法的不足。遮蔽檢測(cè)時(shí)利用高程值,通過比較搜索路徑上攝影光線的高度與DSM格網(wǎng)點(diǎn)的高程,自內(nèi)向外依次進(jìn)行遮蔽分析,內(nèi)層點(diǎn)的遮蔽檢測(cè)結(jié)果用于約束判別外層點(diǎn)的可見性,具有較高的執(zhí)行效率。且密集匹配獲取的高精度的DSM保證了建筑物邊緣的清晰,減少了后期人工編輯的工作量。