基于DPGrid進行城市大比例尺正射影像生產的若干問題思考

答星，李瓊，孟泉毅

(武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022)

基于DPGrid進行城市大比例尺正射影像生產的若干問題思考

答星?，李瓊，孟泉毅

(武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022)

首先介紹DPGrid軟件在正射影像快速成圖方面的優勢，通過結合武漢市主城區大比例尺影像快速生產更新的任務要求，以DPGrid軟件在城市1∶2 000正射影像生產過程中遇到的若干問題進行思考與闡述。

DPGrid；大比例尺；正射影像

1 研究背景

2007年12月，國務院正式批準武漢城市圈成為“全國資源節約型和環境友好型社會”綜合配套改革實驗區，武漢作為“1＋8”城市圈的核心主體，在城市建設、綜合交通、生態環境等多個領域發展日新月異。我院作為承擔武漢市“十一五”基礎測繪任務的城市勘測單位，利用數碼航空影像進行正射影像數據生產已成為服務當前城市建設發展的重要手段之一。為了提高城市大比例尺正射影像成圖的生產效率，我院與武漢大學DPGrid軟件團隊合作，結合主城區約1 000 km21∶2 000正射影像的生產任務，進行了一次大規模生產實驗，通過對生產過程中的若干問題探索，有利于完善DPGrid軟件在大比例尺城區正射影像快速生產方面的應用。

DPGrid(Digital Photogrammetry Grid)是武漢大學基于多年來在數字攝影測量方面的研究成果，將計算機網絡技術、并行處理技術、高性能計算技術與數字攝影測量處理技術結合，研究開發的一套高性能的新一代航空航天數字攝影測量處理平臺[1]。DPGrid系統將自動化與“人機交互”完全分開，利用分布式計算實現了對海量航空攝影數據的全自動處理。該系統主要包括:高性能遙感影像自動處理系統DPGrid.core和基于網絡的無縫測圖系統DPGrid.SLM(Seamless Mapping)。本文主要結合DPGrid的高性能遙感影像自動處理系統進行大比例尺城區正射影像圖單片糾正、勻色處理、智能鑲嵌及自動成圖等生產工序。

2 工程任務簡介

本次航攝區域以武漢市中環線為主體，外擴部分重點建設區域約1 000 km2，所采用的航拍傳感器是由美國Intergraph公司與德國Carl Zeiss公司合作生產的數字航空攝影儀(Digital Mapping Camera)，數據采集時間為2009年6月～9月。該區域地形受江湖的自然分割，因此目標區域被分割成6個區域，如圖1所示，約1 800像對，擬作0.2 m分辨率正射影像。

圖1 目標區域示意圖

2.1 DPGrid正射影像制作流程

為了更為直接地檢驗DPGrid在勻色和智能拼接方面的優勢，我們直接引入Intergraph ssk系統生成的原始影像空三加密成果以及該區域的歷史DEM數據。本次生產硬件方面采用1臺存儲服務器加4臺刀片計算機組成，通過千兆網互聯。存儲服務器儲存原始影像數據及中間運算結果，利用DPGrid軟件的Orthomaker模塊做相應的生產流程參數設置后，將自動分配計算任務到刀片計算機節點，實現分布式并行計算處理。整個流程依次包括原始影像單片勻色、單片正射糾正、智能拼接、后期修正、圖符裁切等工序。具體制作流程如圖2所示。

圖2 DPGrid正射影像制作流程圖

3 DPGrid在大比例尺正攝影像快速成圖中的若干問題思考

DPGrid軟件目前在制作1∶10 000正射影像圖方面已經達到相應的精度要求，同時也有小范圍1∶2 000成圖經驗。因而，本次生產旨在少量人工干預情況下，利用其海量數據集中存儲、分布式計算、智能拼接等技術特點，大幅縮短正射影像生產周期。眾所周知，城市大比例尺正射影像生產過程中，海量的數據組織、影像勻光勻色、鑲嵌方法的選擇、后期編輯檢查等問題均直接影響數據生產質量和效率。通過為期2個月的摸索及實踐，筆者總結了利用DPGrid軟件進行正射影像生產時存在的一些問題及如下思考。

3.1 分布式并行處理系統可有效利用計算機資源

本次工程所配置的并行處理系統由4臺刀片服務器與1臺磁盤陣列服務器構成，它們之間利用消息傳遞編程模型實現并行程序設計。通過在磁盤陣列服務器端設置工程任務及配置節點刀片機的通信互通后，磁盤服務器將根據節點數量實現任務分解及分配工作，并可動態監視各節點的運行情況[2]。該模式不僅能減少以往生產過程中因上傳下載而產生的大量冗余數據，保護影像數據的安全，而且能夠有效調用我院現有服務器、磁盤陣列、局域網架構、個人計算機等資源，將閑散的計算機資源作為格網節點快速構建一個分布式并行運行架構，進行大規模的影像數據快速生產。

3.2 勻光勻色需考慮大范圍水域的影響

DPGrid軟件采用基于頻率域的比值法進行單片勻光，該算法可有效的調整原始影像上亮度分布不均的問題，并能保留地物反差細節。影像間的勻色采用最小二乘平差方法，該方法根據勻光后正射影像的重疊區域應具有相同(或相近)的色調的基本要求，統計參數，然后整體平差從而解算每幅影像的調整參數，使影像之間的色調差異取得整體意義上的最小二乘值。該方法能可以有效保持地物的特征信息，避免勻色后出現的色差問題[3]。但本次實驗過程中，由于測區內水域面積大、強反光偏色現象嚴重，因此重疊區統計值易受大面積水域干擾，使得城建區域勻色后效果明顯優于水域附近影像。因此筆者建議DPGrid軟件可以進一步考慮利用已有的水域邊界矢量數據線進行統計區域的排除，或利用空三成果中加密點作為最小二乘平差方法的取樣點進行勻色參數的初始值，從而減小大面積水域對勻色的影響。

3.3 “蟻群算法”智能鑲嵌算法在大比例成圖方面仍需改進

DPGrid軟件采用“蟻群算法”進行影像智能鑲嵌，相較我院以往采用全人工選節點鑲嵌模式，大幅縮短了影像鑲嵌時間。該算法基于正射影像的重疊區域的差值，繞開因投影差或顏色差異較大的區域，利用“蟻群算法”的正反饋，通過多次循環直到路徑收斂[4]。通過本次工程檢驗，該算法基本能解決城郊結合區域的鑲嵌問題，在城區中若初始點位落入相對筆直道路區域內，經過迭代計算也能求解出較好的結果。但在房屋投影差過大、街道彎曲狹窄、大面積密集房屋等區域內，“蟻群算法”因其初始點位的選擇及路徑收斂權值設置等因素影響，會出現在預定的迭代次數后仍無法選擇出較好的鑲嵌線。因而筆者建議，可以考慮利用已有的路網矢量數據，首先進行最優路徑的預判斷，然后再利用“蟻群算法”的色差檢驗特性進一步逐點修正該路徑，以便有效繞開投影差較大的區域，獲得更好的鑲嵌效果。

3.4 影像數據可實時多人修改

DPGrid軟件為支持大測區數據的整體正射鑲嵌處理，定義了64位邏輯尋址的文件格式(?.bbi)，并支持正射影像的實時漫游瀏覽與縮放功能[3]。本次工程中最大面積的測區經鑲嵌后數據量高達50 GB，依靠BBI數據格式所建立的多級影像金字塔，實現多個客戶機端能夠高效的訪問同一區域的拼接結果，以便對鑲嵌線進行必要的修改。修改的區域包括DEM更新區域、低矮房屋密集區域、鑲嵌線穿越高層建筑區域、水域山體等投影差較大的區域。根據實際影像的不同情況，可以選擇快速貼圖、DEM編輯、DLG編輯等不同影像采樣方式。例如，影像中高層建筑由于投影差較大，被鑲嵌線穿越時，可選擇快速貼圖采樣方式修改鑲嵌線，確保高層建筑的完整性；影像中因DEM更新不及時或局部微小區域DEM錯誤造成的影像扭曲，可以通過編輯DEM然后重采樣方式修正扭曲的正射影像。

3.5 鑲嵌過程中實時修改并更新DEM數據

實際正射影像生產中，正射影像糾正質量往往取決于已有DEM數據的精度，而大面積的DEM數據往往需要借助立體采集合并特征點線進行更新維護。我院目前正射影像鑲嵌工作主要采用Geoway ImageStation“邏輯接邊，一次成圖”的生產方針，執行鑲嵌工序時如遇到扭曲變形的圖幅，需要借助其他軟件平臺重新編輯該區域DEM，并生成新的正射影像替換到鑲嵌數據庫中，因此較為影響生產效率[5]。DPGrid軟件平臺提供了小面積DEM數據的更新方式，通過作業員對目標區域的等值線走向判斷，利用陡增、平滑、置平等操作修改DEM數據，并實時重采樣，消除由于DEM數據錯誤造成的地物扭曲。更新后的DEM數據也可以實時保存，以便下一次正射影像生產需要。

4 結 語

實踐表明，DPGrid利用其分布式海量數據管理及正射影像處理等先進技術為正射影像加工生產提供了一體化解決方案。特別在我國汶川地震災后應急響應時期，DPGrid能夠充分發揮其快速、高效地處理“非常規”海量航空攝影數據，為災區提供堅實可靠的測繪保障[6]。雖然其自動化的產品結果還需經由人工干預、檢查及修改才能滿足我國大比例尺成圖規范要求，但DPGrid作為國產化新一代數字攝影測量處理平臺在城市大比例尺正射影像生產過程中仍有提升的空間。本人結合實際生產，提出了如上若干思考，旨在探尋一條更加快速而高效的正射影像生產路線。

[1] 張祖勛.從數字攝影測量工作站(DPW)到數字攝影測量網格(DPGrid)[J].武漢大學學報(信息科學版)，2007，32(7):565～571

[2] 張劍清，柯濤，孫明偉等.并行計算在航空攝影測量中的應用與實現[J].測繪通報，2008(12):11～14

[3] 孫明偉.正射影像全自動快速制作關鍵技術研究[D].武漢:武漢大學，2009.6～59

[4] 張劍清，孫明偉，張祖勛.基于蟻群算法的正射影像鑲嵌線自動選擇[J].武漢大學學報(信息科學版)，2009(6): 675～678

[5] 李瓊，張琍，答星.利用Geoway ImageSatation和SQL Server進行正射影像生產的若干問題思考[J].測繪通報，2009(01):42～44

[6] 張祖勛，柯濤，郭大海等.數字攝影測量網格在汶川大地震中的快速響應[J].中國工程科學，2009，11(6):54－62

Thoughts on Some Issues of Large－scale Orthophoto Production in Urban Area Based on Dpgrid

Da Xing，Li Qiong，Meng QuanYi
(Wuhan Geotechnicial Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

Firstly，the paper introduces the advantage of Dpgrid in the fast processing of Orthophoto Production. Based on the requirements in Large－scale Orthophoto producing and updating in the center urban area of Wuhan，it provides some thoughts on issues of the 1∶2000 scale Orthophoto Production in urban area by Dpgrid.

Dpgrid；large－scale；orthophoto

1672－8262(2011)01－91－03

P231

B

2010—04—26

答星(1983—)，男，工程師，主要從事數字影像生產與開發應用工作。

國家測繪局精密工程與工業測量重點實驗室項目(PF2009－4)