數(shù)字化航測(cè)成圖技術(shù)探討

河南省 開(kāi)封水利建筑勘察設(shè)計(jì)院 王學(xué)會(huì)

數(shù)字化航測(cè)成圖技術(shù)探討

河南省 開(kāi)封水利建筑勘察設(shè)計(jì)院 王學(xué)會(huì)

一、大比例尺數(shù)字化地形圖測(cè)繪現(xiàn)狀分析

目前，大比例尺數(shù)字化地形圖的測(cè)定方法主要有以下幾種。

1.全野外數(shù)字化測(cè)圖。即在野外利用全站儀實(shí)地測(cè)量，用數(shù)字化方式記錄采集到的地形數(shù)據(jù)并繪制地形草圖，之后在室內(nèi)將數(shù)字化的地形數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸給計(jì)算機(jī)，利用相關(guān)的軟件進(jìn)行圖幅管理、等高線生成、圖形編輯、圖廊整飾與接邊處理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等地形數(shù)據(jù)處理工作，輸出或存儲(chǔ)最終的數(shù)字地形成果。全野外數(shù)字化測(cè)圖方式在大比例尺測(cè)圖中正逐漸被廣泛使用。

2.航空攝影測(cè)量。利用飛機(jī)從空中獲取測(cè)區(qū)的航攝像片，在野外進(jìn)行實(shí)地像片聯(lián)測(cè)和調(diào)繪，以獲得測(cè)像控制點(diǎn)的坐標(biāo)、高程和相關(guān)地物的情況，然后利用專業(yè)航測(cè)儀器或航測(cè)數(shù)字化軟件從航拍影像中得到地形信息并形成相關(guān)的數(shù)字地形圖。通過(guò)航空攝影測(cè)量制作的大比例尺地形圖直觀、真實(shí)、相對(duì)精度較高，而且可以大大減少野外測(cè)量工作量，提高成圖效率。但是現(xiàn)有的航測(cè)數(shù)字化軟件制作成圖精度要求較高的1∶1000測(cè)圖、1∶500 測(cè)圖時(shí)，其精度低于常規(guī)的白紙測(cè)圖精度。

3.白紙測(cè)圖內(nèi)業(yè)數(shù)字化。主要通過(guò)常規(guī)方式生產(chǎn)白紙地形圖或利用原有的地形圖資料，然后通過(guò)數(shù)字化儀或掃描儀配上數(shù)字化軟件將地形圖矢量化，生成電子地圖。它是常規(guī)白紙測(cè)圖向數(shù)字化測(cè)圖轉(zhuǎn)換時(shí)自然形成的一種過(guò)渡性的生產(chǎn)方式。白紙測(cè)圖內(nèi)業(yè)數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)作業(yè)員專業(yè)素質(zhì)要求不高，生產(chǎn)成本及設(shè)備投入成本較低，能最大限度地利用原有的地形圖資料；缺陷在于精度較低。

二、數(shù)字化航測(cè)成圖技術(shù)

1.全數(shù)字型攝影測(cè)量系統(tǒng)概述。隨著計(jì)算機(jī)特別是筆記本電腦的普及和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的加大及運(yùn)行速度的加快，全數(shù)字化成圖已成主要的測(cè)圖方法。航空像片具有信息量大、細(xì)致客觀、測(cè)圖速度快、精度均勻、效率高等特點(diǎn)。全數(shù)字型攝影測(cè)量系統(tǒng)是指從影像數(shù)據(jù)的完全數(shù)字化到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、管理、成果輸出，全部集成在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可將大量的野外測(cè)繪工作移到室內(nèi)，大大減輕了測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2. 影像糾正。因攝影材料的變形、攝影物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、飛行搖擺引起的像片傾斜、飛行時(shí)間差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、比例尺畸變等因素，航攝影像中像點(diǎn)存在畸變，只有選擇合適的方法糾正這些畸變，才能從影像中獲得準(zhǔn)確的地形信息。畸變糾正的方法有根據(jù)不同的誤差因素分別糾正、多項(xiàng)式糾正、基于時(shí)間序列分析的糾正等方法。原始影像經(jīng)過(guò)畸變糾正后，即可作為中心投影的水平影像來(lái)使用。

（1）根據(jù)不同的誤差因素分別糾正。分析各種畸變?cè)颍鶕?jù)基本幾何關(guān)系使用相應(yīng)的變形公式逐項(xiàng)糾正。這種糾正方法中有很多隨機(jī)的不確定的因素，如材料的不均勻變形、物鏡非對(duì)稱性畸變、大氣的狀態(tài)信息等，無(wú)法保證糾正的效果和精確度。

（2）多項(xiàng)式糾正。將影像變形規(guī)律近似地看做平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲等基本變形的合成，利用多項(xiàng)式逼近這些變形的綜合。多項(xiàng)式糾正要求采用規(guī)則的控制點(diǎn)，同時(shí)為了減少由于控制點(diǎn)選擇不準(zhǔn)確而產(chǎn)生不良后果，要求有較多的多余控制點(diǎn)。多項(xiàng)式糾正需要的測(cè)量工作量非常大，且規(guī)則控制點(diǎn)的選擇難以保證準(zhǔn)確性，因此在大比例尺成圖系統(tǒng)中應(yīng)用并不廣泛。

（3）基于時(shí)間序列分析的糾正。借鑒數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程技術(shù)等方面用以描述無(wú)序現(xiàn)象的方法，運(yùn)用整體論和系統(tǒng)論的方法對(duì)像點(diǎn)的二維變量采用時(shí)間序列分析：時(shí)間序列=趨勢(shì)項(xiàng)+季節(jié)項(xiàng)（信號(hào)項(xiàng)）+ 噪聲。

3. 影像匹配。攝影測(cè)量中雙像(立體像對(duì)) 的量測(cè)是提取物體三維信息的基礎(chǔ)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中用影像的自動(dòng)匹配代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀測(cè)來(lái)確定同名像點(diǎn)。影像的匹配按其利用圖像信息的不同可劃分為兩類，一類是直接基于圖像灰度信息的匹配定位方法，另一類是基于圖像特征信息的匹配定位方法 。

（1）基于影像灰度信息的匹配定位方法。以左、右像片對(duì)應(yīng)影像的目標(biāo)區(qū)和搜索區(qū)中的像點(diǎn)灰度作為影像匹配的基礎(chǔ)，利用某種相關(guān)度量，來(lái)判定左右影像的相應(yīng)像點(diǎn)是否匹配。影像匹配可以用二維窗口，也可用一維窗口的像點(diǎn)灰度參與計(jì)算。

（2）基于影像特征信息的匹配定位方法。在影像中利用特征邊緣提取技術(shù)提取出反映圖像中目標(biāo)特性的符號(hào)或基元，然后確定兩幅圖像之中或圖像與模型之中的符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。特征的提取技術(shù)包括點(diǎn)特征提取、線特征提取和區(qū)域分割。基于特征的影像匹配有較高的可靠性，但匹配的精度低于基于灰度的最小二乘影像匹配算法。

航測(cè)影像中地面景物的情況比較復(fù)雜，不能使用單一的匹配定位方法，可以結(jié)合兩種方法共同完成匹配。對(duì)于邊界明顯的地物可先采用基于特征的影像進(jìn)行粗匹配，然后采用基于灰度的最小二乘影像匹配獲得像點(diǎn)最終位置。對(duì)于灰度變化不劇烈的區(qū)域，則直接使用基于灰度信息匹配的方法。對(duì)于中心投影水平影像的灰度信息匹配，水平影像以飛行方向?yàn)?X 坐標(biāo)時(shí)，縱坐標(biāo)上沒(méi)有上下視差，可選擇采用一維窗口進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，這樣可以提高匹配速度。

4. 地形信息獲取。地形信息獲取是指根據(jù)兩張中心投影水平影像中的同名像點(diǎn)坐標(biāo)及水平像片比例尺獲得地物的三維坐標(biāo)。解算地物三維坐標(biāo)的流程：先解算出單張像片的外方位元素，根據(jù)兩張像片的攝影基線解算出地物點(diǎn)的高程，根據(jù)地物點(diǎn)的高程解算出投影差，用投影差修正地物坐標(biāo)得到地物點(diǎn)的物方三維坐標(biāo)。

（1）單像后方交會(huì)法。以單幅影像為基礎(chǔ)，利用已知地面坐標(biāo)和相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)共線條件方程，求解該影像在航空攝影時(shí)刻的外方元素。單像后方交會(huì)法是一個(gè)迭代的解算過(guò)程，使用已知控制點(diǎn)作為迭代的初值，以誤差方程作為約束條件，反復(fù)使用共線條件方程迭代求解攝影外方元素的近似解。共線條件方程式為

式（1）、（2）中，X，Y 為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；XS，YS，ZS為攝影中心物方空間坐標(biāo)；X，Y，Z 為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai，bi，ci（i = 1，2，3）為影像的3 個(gè)外方位角元素組成的 9 個(gè)方向余弦。

經(jīng)高精度變形糾正后的影像可作為中心攝影的水平影像，即外方位各角元素可視為0，則此時(shí)的誤差方程可簡(jiǎn)化為

若有 n個(gè)控制點(diǎn)，則根據(jù)式（3）和（4）可列出2n 個(gè)誤差方程，根據(jù)二乘法間接平差原理解算方程組可求得近似的糾正數(shù)。

（2）地物點(diǎn)高程。利用由單像后方交會(huì)法解算出的兩張影像外方元素值求出攝影基線 B 的值，根據(jù)中心投影水平影像對(duì)的幾何關(guān)系，可用下列關(guān)系式解算出地物點(diǎn)高程。若以飛行方向?yàn)?X 坐標(biāo)時(shí)，在中心攝影的水平像片中不存在上下視差。

利用公式（1）可解算像片上每個(gè)點(diǎn)的物方高程值，由物方的高程值就可以繪制地形圖中的等高線。

（3）投影差糾正。我們看到的地圖是地物處于真實(shí)相對(duì)水平位置的俯視圖。由于曝光瞬間像片上較高高程的地面面積比較靠近攝影機(jī)，因此它在像片上比位于較低高程處的相應(yīng)面積顯得大，而且，物體的頂端常相對(duì)于基部發(fā)生位移，這種變形稱為投影差。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文，筆者采用了 VC++.NET語(yǔ)言，編程完成了一個(gè)利用航測(cè)影像計(jì)算地形信息的原型系統(tǒng)。利用此原型系統(tǒng)，可以從航拍影像中計(jì)算出人們感興趣的地物點(diǎn)的地形信息。

1. 影像糾正。該原型系統(tǒng)中采用了基于時(shí)間序列分析的糾正方法。利用原型系統(tǒng)對(duì)一平坦地區(qū)的1∶8 000數(shù)字化航拍像片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用五個(gè)控制點(diǎn)完成對(duì)影像的變形糾正，糾正后的成圖比例為1∶1 000。糾正后選擇了10 段道路進(jìn)行計(jì)算精度檢查，糾正后圖像上的最大誤差為 0.3 mm。時(shí)間序列分析糾正法具有如下特點(diǎn)：控制點(diǎn)個(gè)數(shù)少，控制點(diǎn)可以非規(guī)則布點(diǎn)，平坦地區(qū)和起伏地區(qū)都可以使用。對(duì)于平坦地區(qū)，可將糾正后的影像直接作為正射影像使用;對(duì)于起伏地區(qū)影像，需要先消除地形的投影差，才可以作為正射影像使用。

2. 地形信息計(jì)算。利用該原型系統(tǒng)對(duì)影像糾正后所得的中心投影的水平像片，采用單像后方交會(huì)法求出像片的外方位元素，并利用人工定位確定相關(guān)雙像上的待求點(diǎn)，最后采用本文前述的高程計(jì)算方法求解待求點(diǎn)的高程值。利用本文的原型系統(tǒng)對(duì)1∶500 的成圖計(jì)算地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中控制點(diǎn)的最大剩余殘差小于0.028 m，對(duì)非控制點(diǎn)最大的平面中誤差為0.114 m。實(shí)驗(yàn)像對(duì)中的最大平面中誤差和最大高程中誤差均能滿足國(guó)標(biāo)對(duì)數(shù)字正射影像圖DOM 的成圖精度要求，本文大比例尺的地形信息計(jì)算技術(shù)能滿足實(shí)際成圖的精度要求。

四、結(jié)論

本文，筆者分析了基于高精度影像糾正的大比例尺數(shù)字化航測(cè)成圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)，研究和實(shí)現(xiàn)了從大比例尺航拍影像中計(jì)算被攝物體的地形信息的關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)完成了一個(gè)地形信息計(jì)算的原型系統(tǒng)。本文采用的時(shí)間序列分析糾正法具有控制點(diǎn)個(gè)數(shù)少、控制點(diǎn)可以非規(guī)則布點(diǎn)的特點(diǎn)，在實(shí)際的大比例尺測(cè)圖生產(chǎn)中，可改變測(cè)圖外業(yè)人員高勞動(dòng)強(qiáng)度的現(xiàn)狀，大大減少航空攝影測(cè)量外業(yè)像控聯(lián)測(cè)的工作量，縮短處理周期，降低成圖成本，能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。