傾斜攝影技術(shù)的國土資源數(shù)量遙感修正方法

毛玉龍

(福建省國土資源勘測規(guī)劃院, 福建 福州 350003)

0 引言

目前,遙感監(jiān)測技術(shù)在國土資源管理中得到了充分的應(yīng)用,但在研發(fā)投入方面仍然存在不足之處。主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)在使用方面更加注重遙感影像的信息提取[1-2],但如何將遙感監(jiān)測技術(shù)使用在實(shí)際的生產(chǎn)生活中,還缺少遙感監(jiān)測新技術(shù)的研究,尤其在數(shù)據(jù)獲取、自動(dòng)成圖以及數(shù)據(jù)庫的更新?lián)Q代中,硬件設(shè)備不能及時(shí)更換[3],使得遙感影像在信息提取中出現(xiàn)較大的偏差,在信息提取后監(jiān)測的土地?cái)?shù)據(jù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化,影響了遙感監(jiān)測的準(zhǔn)確性,以及遙感技術(shù)對土地資源的調(diào)查與分析。

劉永吉等[4]采用全站儀法后,立面的三維激光掃描技術(shù)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)量變大,不再需要選擇建筑立面來制作,而采用了天際航圖像快速建模系統(tǒng)(DPModeler)技術(shù),在獲取吉林建校建筑單體的影像數(shù)據(jù)時(shí),主要是通過多旋翼的五透鏡無人飛行器進(jìn)行傾斜攝影,在建立三維模型時(shí),使用 DPModeler技術(shù),使建筑單體與地圖測量值進(jìn)行比較,從而獲得可靠的結(jié)果;何雪等[5]用測量點(diǎn)云分類法獲得彩色點(diǎn)云,由于缺少分類信息,首先需要計(jì)算單個(gè)點(diǎn)的特征向量,然后用超像素分割(Simple Linear Iterative Cluster,SLIC)算法計(jì)算點(diǎn)對圖,從而得到超級像素。根據(jù)云和圖像之間的關(guān)系,將點(diǎn)云聚合得到超體素物體,通過計(jì)算得到每個(gè)物體對應(yīng)的特征向量。因此,采用了隨機(jī)計(jì)算的方法對超體素進(jìn)行分類。并對語義信息進(jìn)行比較分析,總分類準(zhǔn)確率為91.2%和88.1%,總分類準(zhǔn)確率與單點(diǎn)分類結(jié)果比較分別提高2.3%和8.2%。上述幾種方法仍存在精度低、成本高的問題。

基于以上研究背景,本文將傾斜攝影應(yīng)用到了國土資源數(shù)量遙感修正中,傾斜攝影技術(shù)是國際遙感測繪領(lǐng)域中快速發(fā)展出來的一門新技術(shù),在應(yīng)用過程中完全突破了正射影像的不足,通過正攝影與傾斜影像相結(jié)合,形成陸地三維模型和全自動(dòng)粘貼紋理,使三維真實(shí)場景呈現(xiàn)在人們面前。以此提高國土資源數(shù)量遙感修正的精度并降低修正成本。

1 國土資源數(shù)量遙感修正方法設(shè)計(jì)

1.1 采集國土資源遙感影像數(shù)據(jù)

在采集國土資源遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)需要應(yīng)用到無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。首先需要對航線進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)計(jì),檢查設(shè)備的正常功能,且航線和平臺要嚴(yán)格按照參數(shù)調(diào)試,具體為調(diào)整正確的飛行姿態(tài)、影像重疊度、地面分辨率、測區(qū)范圍、曝光控制參數(shù)等信息,這是在飛行之前必須完成的重要步驟[6],以此保障飛行的安全和順利完成數(shù)據(jù)采集,對于設(shè)備的檢查主要包括以下內(nèi)容:檢查設(shè)備和工具的齊全情況,儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況;檢查電源與燃料所帶是否夠用;檢查地面站設(shè)置是否準(zhǔn)確;檢查飛行平臺和相關(guān)傳感器的設(shè)置與工作狀態(tài)等[7]。根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)了國土資源遙感影像數(shù)據(jù)的采集流程,如圖1所示。

圖1 國土資源遙感影像數(shù)據(jù)的采集流程

當(dāng)設(shè)備調(diào)試完成之后,無人機(jī)完成操作起飛,按照預(yù)設(shè)的航線拍攝,采集國土資源影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)的相機(jī)在調(diào)試完成之后可以按照時(shí)間的間隔自動(dòng)拍攝照片,從而獲取國土資源的地面影像資料[8]。根據(jù)無人機(jī)拍攝完成的影像資料,利用定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)記錄此圖片,轉(zhuǎn)換圖片的參數(shù)信息,存儲在相機(jī)的存儲卡中,POS系統(tǒng)還會自動(dòng)記錄圖像拍攝時(shí)的地理位置信息和航線時(shí)間信息,一并儲存在儲存器中,最終錄入到國土資源遙感影像數(shù)據(jù)庫中。

1.2 預(yù)處理國土資源遙感影像

利用傾斜攝影測量技術(shù)對福建國土資源遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,可以很好地替代傳統(tǒng)的影像處理方法,提高國土資源遙感修正的精度和效率,解決國土資源開發(fā)過程中的諸多土地利用問題[9]。由于傾斜相機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu),采集到的遙感影像會有不同程度的噪聲和失真,給遙感圖像的處理和匹配帶來困難。因此,采用雙邊濾波算法去除遙感影像的噪聲,采用Wallis濾波器對圖像進(jìn)行增強(qiáng),采用10參數(shù)模型對相機(jī)畸變進(jìn)行校正,以提高遙感影像的修正精度,并采用尺度不變特征變換(Scale-invariant Feature Transform,SIFT)匹配算法對遙感影像進(jìn)行匹配,生成變化所需的遙感影像數(shù)據(jù)。

利用傾斜攝影生成遙感影像的流程如圖2所示。

圖2 利用傾斜攝影生成的遙感影像流程

受國土資源傾斜攝影環(huán)境的干擾和拍攝設(shè)備本身的影響,傾斜相機(jī)獲取的國土資源遙感圖像往往都會存在不同程度的噪聲。噪聲的存在降低了國土資源遙感影像的質(zhì)量,嚴(yán)重影響了最后的匹配效果[10]。

為了消除輻射畸變的影響,提高遙感影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量,有必要對國土資源遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)處理。采用Wallis濾波器對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理[11]。Wallis濾波不僅可以增強(qiáng)圖像,而且可以降低噪聲。它是一種理想的圖像增強(qiáng)濾波器。Wallis濾波實(shí)際上是一種局部圖像變換處理。它可以通過降低圖像中的大對比度和增強(qiáng)圖像中的小對比度來增強(qiáng)圖像。

Wallis濾波器的一般形式為

bmf+(1-b)mg

(1)

式中,f(x,y)表示國土資源遙感影像在(x,y)處的像元經(jīng)過Wallis濾波器增強(qiáng)處理之后的灰度值；G(x,y)表示原始國土資源遙感影像在(x,y)處的像元灰度值；mg表示原始像元的灰度均值；sf表示國土資源遙感影像方差的目標(biāo)值；b表示遙感影像的亮度系數(shù)；c表示遙感影像反差擴(kuò)展常數(shù)。

國土資源遙感圖像失真不僅會影響遙感圖像最終的匹配效果,而且還會干擾國土資源遙感數(shù)據(jù)的提取過程,降低了提取效率的動(dòng)態(tài)監(jiān)督。采用10參數(shù)模型作為國土資源遙感影像的修正模型,它直接反映了相機(jī)成像過程中的系統(tǒng)誤差[12]。10參數(shù)數(shù)學(xué)模型公式表達(dá)如下:

(2)

式中,Δx、Δy表示畸變；k1,k2和k3表示經(jīng)向畸變系數(shù)；p1,p2表示偏心畸變系數(shù)；b1,b2表示遙感影像的平面畸變系數(shù),r表示福建國土資源的相對距離。

基于傾斜相機(jī)的構(gòu)造,利用雙邊濾波算法對福建國土資源遙感影像的噪聲進(jìn)行去除處理,通過減弱遙感影像中較大的反差,增強(qiáng)遙感影像中較小的反差,增強(qiáng)處理國土資源遙感影像,采用10參數(shù)模型作為相機(jī)畸變糾正模型,實(shí)現(xiàn)福建國土資源遙感影像的預(yù)處理。

1.3 量化國土資源數(shù)量指標(biāo)分值

量化國土資源數(shù)量指標(biāo)分值分為點(diǎn)、線狀分布形式和面狀分布形式[13]。引申到數(shù)學(xué)模型來表達(dá)點(diǎn)、線狀要素對國土資源數(shù)量的影響程度:一個(gè)是線性數(shù)學(xué)模型,如式(1)所示;一個(gè)是非線性數(shù)學(xué)模型,如式(2)所示。經(jīng)計(jì)算可以得出某點(diǎn)、線設(shè)施距離某地塊的實(shí)際距離,對于面狀要素的計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型如式(3)所示。本文按照點(diǎn)、線狀分布分值計(jì)算模型、面狀分布分值計(jì)算模型結(jié)合各因素因子的權(quán)重值,求出各評價(jià)單元的總分值,如式(4)所示,根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出國土資源的等級,方便了以后的遙感修正。

e=f(1-r)

(3)

e=f(1-r)

(4)

式中,e表示其中一個(gè)指標(biāo)對福建國土資源的作用分值；f表示福建國土資源數(shù)量指標(biāo)的功能分值。

(5)

式中,ei表示福建國土資源數(shù)量指標(biāo)因素i的作用分值；Tmax表示國土資源數(shù)量指標(biāo)作用的最大值；Tmin表示國土資源數(shù)量指標(biāo)作用的最小值；Ti表示國土資源數(shù)量指標(biāo)因素i的指標(biāo)值。

(6)

式中,pi表示福建國土資源數(shù)量指標(biāo)因素i的評分值；Fij表示福建國土資源數(shù)量指標(biāo)因素i中第j個(gè)因子的評分值；Wij表示福建國土資源數(shù)量指標(biāo)因素i中第j個(gè)因子的作用指數(shù)。

在量化福建國土資源數(shù)量指標(biāo)分值的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計(jì)國土資源數(shù)量遙感修正程序,來實(shí)現(xiàn)國土資源數(shù)量的遙感修正。

1.4 設(shè)計(jì)國土資源數(shù)量遙感修正程序

設(shè)計(jì)國土資源數(shù)量遙感修正程序是實(shí)現(xiàn)國土資源數(shù)量遙感修正的主要步驟,具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 國土資源數(shù)量遙感修正流程

根據(jù)國土資源的遙感修正流程,分析了遙感修正的具體步驟:

第一步:配置傳感器參數(shù)和參與國土資源數(shù)量遙感修正的參數(shù);

第二步:對國土資源遙感影像測量坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)格式的預(yù)處理[14];

第三步:讀取相關(guān)配置文件,計(jì)算未知遙感修正次數(shù),根據(jù)傳感器參數(shù)、主參數(shù)和次參數(shù),以及每個(gè)參數(shù)都有姿態(tài)段常數(shù)來排列未知數(shù)。不考慮未經(jīng)調(diào)整的參數(shù),按未知數(shù)排列,分配修正方程的矩陣空間;

第四步:根據(jù)遙控器所有坐標(biāo)誤差的系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)填寫方程的修正系數(shù)矩陣觀測值或虛擬觀測值;

第五步:對修正方程的矩陣進(jìn)行分解,求解未知數(shù),得到方向參數(shù)的修正值;

第六步:解算加密點(diǎn)坐標(biāo),比較方向參數(shù)的解是否小于指定的閾值,當(dāng)大于閾值時(shí),將初始未知值與解的值相加,繼續(xù)第四步和第五步循環(huán),直到小于設(shè)定的閾值[15];

第七步:輸出方向參數(shù)、加密點(diǎn)坐標(biāo)和國土資源遙感校正精度的調(diào)整結(jié)果。

綜上所述,在傾斜攝影的基礎(chǔ)上,采集了國土資源遙感影像數(shù)據(jù),通過預(yù)處理福建國土資源遙感影像,量化了國土資源數(shù)量指標(biāo)分值,結(jié)合國土資源數(shù)量遙感修正程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了國土資源數(shù)量的遙感修正。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于傾斜攝影的國土資源數(shù)量遙感修正方法的可行性,利用文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的國土資源數(shù)量遙感修正方法作為對比,分別在修正誤差和成本兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 國土資源數(shù)量遙感修正誤差測試

先采集了國土資源遙感數(shù)據(jù),結(jié)果如圖4所示,采用3種國土資源數(shù)量遙感修正方法,重復(fù)多次測試了國土資源數(shù)量的遙感修正誤差情況,結(jié)果如圖5所示。

圖4 國土資源數(shù)量的遙感數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖5 國土資源數(shù)量遙感數(shù)據(jù)修正結(jié)果

從圖5的結(jié)果可以看出,采用文獻(xiàn)[4]國土資源數(shù)量遙感修正方法在修正過程中沒有對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和降噪處理,導(dǎo)致修正的誤差低于采集值,文獻(xiàn)[5]國土資源數(shù)量遙感修正方法在修正過程中,修正結(jié)果與采集結(jié)果也存在一定偏差,但是高于采集結(jié)果,而基于傾斜攝影的國土資源數(shù)量遙感修正方法在修正過程中,與采集到的結(jié)果比較接近,使得國土資源數(shù)量遙感數(shù)據(jù)的修正誤差比較小。

2.2 國土資源數(shù)量遙感修正成本測試

在國土資源數(shù)量遙感修正誤差的基礎(chǔ)上,又測試了3種方法的修正成本情況,結(jié)果如表1所示。

表1 國土資源數(shù)量遙感修正成本測試結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出,基于傾斜攝影的國土資源數(shù)量遙感修正方法可以明顯降低國土資源數(shù)量遙感修正成本,而文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的國土資源數(shù)量遙感修正方法的修正成本都高于本文方法,因此，可以得出,基于傾斜攝影的國土資源數(shù)量遙感修正方法在減小修正誤差的同時(shí),還可以降低修正成本。

3 結(jié)束語

本文提出了基于傾斜攝影技術(shù)的國土資源數(shù)量遙感修正方法研究,結(jié)果顯示,該方法可以減小國土資源數(shù)量遙感的修正誤差,還可以降低修正成本。在今后的研究中,還要結(jié)合三維模型的構(gòu)建,來提高國土資源數(shù)量遙感的修正精度。