基于ADS-100航空影像的北京市正射影像數(shù)據(jù)制作

鄭岳澤 李楚鈺 周 慶 王梓琪 王建楠

(1.北京市測繪設(shè)計研究院,北京 100038;2.城市空間信息工程北京市重點實驗室,北京 100038)

0 引言

數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)長期以來被認為是標準地圖的補充或替代,不僅可以直觀地反映城市地貌的現(xiàn)狀信息,高分辨率的正射影像數(shù)據(jù)還可以彌補地形圖數(shù)據(jù)在困難地區(qū)更新不及時、大比例尺地形圖不全等問題[1-4]。北京市作為全國的政治、經(jīng)濟、文化中心,開展全市域正射影像生產(chǎn)工作對于自然資源調(diào)查、城市規(guī)劃、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、重大工程項目施工選址等具有一定的實際意義。本次全市域航空影像獲取采用的ADS-100(airborne digital sensor 100)航攝儀是徠卡公司在2013年推出的一款推掃式航空相機,與傳統(tǒng)的框幅式相機相比,每條掃描線均有相應(yīng)的外方位元素,在影像制作時所用的地面控制點較少,且高程精度高[5-7],對像控點依賴小且同名點匹配無須像傳統(tǒng)航片一樣對點位位置和數(shù)量有嚴格限制,因此不受航片落水影響,詳細參數(shù)見表1。

表1 ADS-100航攝儀主要技術(shù)指標

1 研究區(qū)概況

北京攝區(qū)總面積為16 410.54 km2,其中山區(qū)面積10 200 km2,約占總面積的62%,平原區(qū)面積為6 200 km2,約占總面積的38%。航飛路線總長度14 020.73 km,航攝時間總計約74 h,根據(jù)每架次航攝位置以及航線長度,將全市域分為18個空三加密分區(qū),逐個進行平差計算。為保證數(shù)據(jù)處理精度,采用對應(yīng)航攝時間、對應(yīng)覆蓋范圍內(nèi)16個北京市連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)數(shù)據(jù)對原始航飛的定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)數(shù)據(jù)進行校正。

2 正射影像制作流程

ADS-100正射影像生產(chǎn)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 ADS-100正射影像生產(chǎn)流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理階段首先是對ADS-100下載的原始航飛數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查,一是檢查原始數(shù)據(jù)覆蓋范圍,確保航線完全覆蓋測區(qū),將補飛、作廢航線數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理;二是檢查航飛數(shù)據(jù)是否滿足質(zhì)量要求,確保影像紋理清晰,無明顯的拉花、扭曲、變形、云霧遮蓋等。其次,將全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)數(shù)據(jù)與地面CORS基站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理[8],獲取高精度外方位元素的初始值,利用該數(shù)據(jù)將原始的影像進行解壓、預(yù)處理、生成金字塔(Lov)等處理步驟得到L0級影像數(shù)據(jù),用于空中三角測量作業(yè)。

2.2 空三加密

空中三角測量前首先根據(jù)空三分區(qū)合理進行像控點布設(shè)[9],ADS-100航攝儀攜帶的高精度GPS/IMU數(shù)據(jù)可以確保影像在曝光時獲取照片準確的姿態(tài)數(shù)據(jù),因此可以實現(xiàn)少量地面控制點的條件下完成目標的三維定位。其次,利用XPro軟件為各個分區(qū)新建空三加密工程進行連接點自動匹配,連接點的數(shù)量根據(jù)影像紋理特征由程序自動匹配生成,匹配連接點一般情況下應(yīng)均勻分布在影像上,對于地物特征不明顯的山區(qū),應(yīng)適當調(diào)整連接點選取方案[10-11],保證有足夠的連接點參與平差。自由網(wǎng)平差并優(yōu)化中連接點取舍應(yīng)滿足一定的規(guī)則:

(1)高于亮度重疊。

(2)連接點平面、高程中誤差應(yīng)在一個像素以內(nèi)(≤0.20 m)。

(3)連接點不足的區(qū)域應(yīng)人工添加少量連接點。

完成自由網(wǎng)平差后進行人工控制點轉(zhuǎn)刺并進行約束網(wǎng)平差和控制點殘差檢核工作,進行測區(qū)之間空三加密接邊工作后輸出空三加密成果,空三精度應(yīng)滿足表2中的數(shù)據(jù)。

表2 像控點和檢查點精度評價 單位:m

2.3 影像制作

影像制作部分主要是對空三加密后的L1數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)進行正射糾正并對糾正后的數(shù)據(jù)進行編輯[12],該過程實現(xiàn)平臺為法國像素工廠攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件[13-14]。

2.3.1正射校正

通過將坐標從像方空間轉(zhuǎn)換到物方空間,并消除傾斜和起伏位移,將透視圖像幾何調(diào)整為正射圖像的過程,在該過程中數(shù)字高程模型是正射校正處理的主要輸入,數(shù)字高程模型中的垂直和水平誤差都會傳播到生成的數(shù)字正射影像中,在正射影像中表現(xiàn)為平面(水平)誤差,隨著局部地形的增加,數(shù)字高程模型的質(zhì)量對正射校正過程變得更加重要[15-16]。因此,在本項目中,采用我院2015年激光雷達點云生成的2 m分辨率數(shù)字高程模型作為正射校正的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3.2鑲嵌線編輯

影像鑲嵌是正射影像制作中較為關(guān)鍵的一步。正確的鑲嵌線應(yīng)該避免建筑物、構(gòu)筑物等區(qū)域形成幾何錯位,并且保證鑲嵌線兩側(cè)顏色過渡自然。本項目中,編輯鑲嵌線時繞開了人工建筑物、水體、橋梁等,盡量沿著邊界清晰處進行編輯,如圖2所示。

圖2 鑲嵌線編輯示意圖

2.3.3影像編輯

影像編輯部分使用我院自主研發(fā)的影像編輯軟件對影像進行局部的編輯處理工作。北京市三面環(huán)山,地勢起伏大,受限于中心投影的影像獲取方式,在經(jīng)過正射糾正后,地形劇烈變化的區(qū)域會產(chǎn)生影像拉花現(xiàn)象。由于項目中使用我院2015年DEM成果進行正射糾正,雖然節(jié)約項目成本,但DEM實效性較差,土地利用有變化的區(qū)域會在糾正后產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)房屋、道路等地物扭曲的情況。為解決以上問題,滿足正射影像生產(chǎn)標準,通常需要人工尋找問題區(qū)域,并到相應(yīng)的糾正影像或原始影像中尋找對應(yīng)區(qū)域的原始紋理,使用Photoshop軟件進行影像替補貼圖,以此進行影像問題修正,完成影像編輯工作,如圖3所示。

圖3 影像編輯示意圖

3 精度分析

3.1 空三精度分析

為了檢查ADS-100空三加密精度,本項目將外業(yè)測量的225個控制點坐標作為理論值,利用MapMatrix軟件測量其在立體模型下的坐標,從而對空三加密結(jié)果的精度進行驗證,對原始外業(yè)坐標與立體量測坐標進行統(tǒng)計,可以計算本項目中各分區(qū)控制點平面與高程中誤差精度統(tǒng)計結(jié)果,如表3所示。

各區(qū)控制點誤差分布情況如圖4所示。

圖4 各分區(qū)控制點誤差分布圖

本項目中選取153個檢查點對外業(yè)坐標實測值與立體模型量測值進行統(tǒng)計,可得檢查點平面X中誤差為0.197 m,平面Y中誤差為0.223 m,高程中誤差為0.198 m,滿足表2中相關(guān)精度要求。檢查點坐標誤差分布情況如圖5所示。

圖5 檢查點誤差分布圖

航區(qū)公共點接邊平面和高程較差中誤差不得大于表2中規(guī)定的數(shù)據(jù),各分區(qū)接邊精度如表4所示,滿足相關(guān)精度要求。

表4 正射影像成果精度評價表 單位:m

接邊公共點坐標誤差分布情況如圖6所示。

圖6 接邊誤差分布圖

3.2 DOM成果精度分析

為達到國家相關(guān)技術(shù)標準成果成圖要求,還需要在北京市市域范圍內(nèi)選取平均分布的若干檢查點,將選取的檢查點的真實坐標與正射影像中的觀測坐標相比較,驗證正射影像成果平面精度。

本項目共選取215個檢查點進行正射影像精度驗證可得,檢查點的真實坐標與正射影像觀測坐標的差值一般在0～2個像素范圍內(nèi),平面誤差最大值為0.66 m,最小值為0 m,中誤差為0.28 m,滿足成果數(shù)據(jù)平原區(qū)平面位置中誤差不大于1 m的精度要求。正射影像數(shù)據(jù)精度要求見表4。

圖7為檢查點的真實坐標與正射影像觀測坐標差值分布情況。

圖7 正射影像成果誤差分布

相比于以往采用362個控制點、成圖面積為582 km2的傳統(tǒng)框幅式DMC項目,本項目在成圖面積增加27倍的情況下,控制點個數(shù)減少了37.85%。

4 結(jié)束語

開展高分辨率航空攝影是確保城市規(guī)劃管理、應(yīng)急指揮、資源調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測等業(yè)務(wù)工作有序進行不可或缺的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有很強的時效性。使用ADS-100推掃式航攝儀在特大型城市中開展大面積航飛作業(yè)能有效地減少外業(yè)控制點的布設(shè)工作,提升工作效率。同時推掃式航攝儀較傳統(tǒng)框幅式航攝儀,具有成圖面積大、作業(yè)效率快、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的特點,能夠減少內(nèi)業(yè)影像拼接工作,解決像主點落水問題,在北京市等空域限制性較強的地區(qū)具有很好的應(yīng)用前景。該項目的實施對今后開展大面積快速成圖工作積累了成熟的作業(yè)經(jīng)驗。