基于Geoway CIPS進(jìn)行帶POS數(shù)據(jù)的大比例尺正射影像快速生產(chǎn)初探

王商富

(福州市勘測(cè)院，福建福州 350003)

1 研究背景

根據(jù)《福州市城市總體規(guī)劃(2010—2020)》方案，福州市委、市政府將全力打造福州大都市區(qū)。福州大都市區(qū)范圍內(nèi)的所有市縣要整體考慮、統(tǒng)籌規(guī)劃，尤其是與福州中心城區(qū)發(fā)展密切相關(guān)的福清、長(zhǎng)樂、閩侯、連江等周邊縣市的總體規(guī)劃、控制性規(guī)劃，由福州市統(tǒng)一組織編制、統(tǒng)一組織審批、統(tǒng)一組織實(shí)施。福州市勘測(cè)院作為承擔(dān)福州大都市區(qū) 7 630 km2面積的 1∶2 000正射影像生產(chǎn)任務(wù)的城市勘測(cè)單位，利用帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)碼航拍技術(shù)結(jié)合Geoway CIPS平臺(tái)進(jìn)行快速正射影像生產(chǎn)進(jìn)行了小規(guī)模的前期生產(chǎn)試驗(yàn)，通過對(duì)生產(chǎn)過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)方案的研究設(shè)計(jì)和后期精度評(píng)估，摸索出一套快速制作大比例尺正射影像的較為完善生產(chǎn)體系。

Geoway CIPS(Clustered Image Processing System)集群式影像處理系統(tǒng)是一個(gè)構(gòu)建在網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下的，適合大規(guī)模遙感影像快速、批量處理的一整套軟硬件產(chǎn)品技術(shù)解決方案，它以“高性能集群計(jì)算”為特征的遙感影像快速處理，其特征為自動(dòng)、高效、智能，具體體現(xiàn)在近乎自動(dòng)化的空三以及DEM/DOM的快速生產(chǎn)［1］。本文主要結(jié)合Geoway CIPS和INPHO OrthoVista軟件進(jìn)行 1∶2 000正射影像數(shù)據(jù)像控布設(shè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)粗DEM高效濾波算法(內(nèi)插、形態(tài)學(xué)等)、利用拓?fù)湟?guī)劃技術(shù)的影像接邊線自動(dòng)查找生成、INPHO OrthoVista軟件的影像智能勻光技術(shù)等關(guān)鍵的生產(chǎn)工序。

2 工程任務(wù)簡(jiǎn)介

本次航攝區(qū)域覆蓋整個(gè)福州大都市區(qū)域，面積7 630 km2，采用的微軟公司生產(chǎn)的帶POS/AV系統(tǒng)的高精度數(shù)碼航攝儀UCX，前期數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2011年11月。該區(qū)域的航攝基準(zhǔn)面相差較大，為保證航攝設(shè)計(jì)的地面分辨率優(yōu)于 0.15 m，共分為5個(gè)測(cè)區(qū)，如圖1所示，約 15 000幅像片，擬作 0.15 m分辨率的1∶2 000正射影像。

圖1 目標(biāo)區(qū)域數(shù)碼航攝示意圖

2.1 Geoway CIPS正射影像制作流程

本次工程區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍生產(chǎn) 1∶2 000正射影像數(shù)據(jù)尚屬于首次，對(duì)于制定一個(gè)有效、快速、并且能夠滿足測(cè)繪相關(guān)規(guī)范要求的生產(chǎn)方案至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)區(qū)位置在3區(qū)中的城郊區(qū)部分，涉及12條航線、720幅、約 400 G的UCX數(shù)據(jù);本次工程試驗(yàn)實(shí)施硬件方面受條件限制采用單機(jī)環(huán)境下進(jìn)行(64位操作系統(tǒng)的圖形工作站，Intel?CoreTM2 Quad CPU Q8200@2.33 GHz 2.34 GHz，內(nèi)存 4 GB)。軟件環(huán)境部署有Geoway CIPS系統(tǒng)和 INPHO OrthoVista軟件，Geoway CIPS系統(tǒng)部署的包含功能有空三加密模塊、自動(dòng)DSM匹配模塊、自動(dòng)DSM濾波模塊、自動(dòng)粗格網(wǎng)DEM生產(chǎn)模塊、勻光勻色模板制作模塊、自動(dòng)DOM制作模塊、鑲嵌線編輯以及影像修復(fù)模塊。試驗(yàn)是基于原始航飛UCX數(shù)據(jù)、初始POS數(shù)據(jù)以及外業(yè)布控完成從空三加密、粗格網(wǎng)DEM生產(chǎn)以及后期正射影像圖制作的完整生產(chǎn)流程，如圖2所示。

圖2 UCX數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶2 000正射影像生產(chǎn)方案

3 Geoway CIPS在大比例尺快速成圖中的若干問題思考

Geoway CIPS軟件系統(tǒng)具有方案定制、流程化、高效自動(dòng)化以及優(yōu)異的作業(yè)監(jiān)控能力，極適合大范圍大批量大比例尺正射影像生產(chǎn)。而在生產(chǎn)大比例尺正射影像數(shù)據(jù)過程中，航攝過程中POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案、空三過程中的“自動(dòng)化”程度、生產(chǎn)粗DEM成果數(shù)據(jù)的濾波的有效性、影像鑲嵌中接邊線的快速合理生成方法、影像勻光勻色效果、后期正射影像修補(bǔ)編輯的便捷化等問題直接影響著正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量和效率。通過為期一個(gè)月的摸索及實(shí)踐，總結(jié)了在試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)過程中存在的一些問題及如下思考。

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)改進(jìn)方案

由于測(cè)區(qū)面積大，外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)太多直接降低生產(chǎn)效率、若布設(shè)太少又影響成圖精度。本次工程盡管采用POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由于多種誤差源(IMU軸線偏差、GPS/IMU偏心分量、GPS和IMU系統(tǒng)偏移)的影響，GPS/IMU系統(tǒng)提供的位置、姿態(tài)參數(shù)存在著系統(tǒng)性誤差，難以直接達(dá)到像素級(jí)的定位精度［4］。針對(duì)大比例尺地形圖測(cè)繪的應(yīng)用需求，利用少量地面控制點(diǎn)進(jìn)行GPS/IMU數(shù)據(jù)與像點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值的聯(lián)合平差，消除GPS/IMU數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。下面進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)評(píng)估:

其中，b為平均像片基線長(zhǎng)，mq為按像片比例尺計(jì)算的加密點(diǎn)上下視差量測(cè)中誤差，n為像控點(diǎn)間的基線數(shù)。

圖3 控制點(diǎn)精度評(píng)估圖(左圖:平面精度;右圖:高程精度)

外業(yè)像控布設(shè)原則:測(cè)區(qū)四周控制點(diǎn)分布多一些，測(cè)區(qū)中間均勻分布，包括平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)。控制點(diǎn)個(gè)數(shù)受很多的因素影響，沒有標(biāo)準(zhǔn)，本次航攝有帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過上述分析，本次試驗(yàn)區(qū)再適當(dāng)?shù)販p少控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，采用基線數(shù)為30布設(shè)1個(gè)控制點(diǎn)，航線方向?yàn)楦?條分別布設(shè)，測(cè)區(qū)內(nèi)部布設(shè)3個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)與控制點(diǎn)隔10條基線以上，試驗(yàn)結(jié)果符合精度要求。針對(duì)試驗(yàn)區(qū)外的工程范圍像控點(diǎn)布設(shè)密度還可以根據(jù)情況再進(jìn)行放寬，表1為試驗(yàn)區(qū)空三加密報(bào)告。

試驗(yàn)區(qū)空三加密精度報(bào)告 表1

由于本次福州大都市作業(yè)范圍面積較大、航攝區(qū)域不規(guī)則，測(cè)區(qū)分區(qū)需要進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，盡量做到矩形分區(qū)，對(duì)于不規(guī)則加密測(cè)區(qū)，邊角上需要另外布設(shè)像控點(diǎn)。

試驗(yàn)表明帶POS/AV系統(tǒng)的數(shù)碼航攝影像數(shù)據(jù)在空三加密中還需要加入少量像控點(diǎn)才能保證大比例尺(成圖 1∶2 000比例尺以下)正射影像成圖精度。對(duì)于比較規(guī)則區(qū)域的加密測(cè)區(qū)，在比較常規(guī)的航向/旁向重疊度情況下，航片數(shù) ∶像控點(diǎn)數(shù)≈80∶1，在不規(guī)則航線布設(shè)地區(qū)，這個(gè)比值要小些，對(duì)于評(píng)估福州大都市區(qū) 1∶2 000正射影像生產(chǎn)布設(shè)像控點(diǎn)工作量有一定的參考意義。

3.2 生產(chǎn)粗DEM成果數(shù)據(jù)的濾波還有待改進(jìn)

對(duì)于生產(chǎn)1∶2 000正射影像成果來說，基于DSM成果通過濾波生成粗DEM數(shù)據(jù)的效果好壞直接影響正射影像成圖精度和后期影像修補(bǔ)編輯的工作量。對(duì)于福州大都市區(qū)域來說，地形比較復(fù)雜(植被茂密、植被遮擋建筑物現(xiàn)象比較普遍)，目前很多濾波算法很難對(duì)這些區(qū)域的高程點(diǎn)云進(jìn)行有效過濾。本次試驗(yàn)高效濾波算法結(jié)合內(nèi)插方法從上而下的邏輯、形態(tài)學(xué)方法自下而上處理方式的優(yōu)勢(shì)，提高濾波精度，從匹配精度上來講，DSM匹配整體效果較好。局部地區(qū)如陰影處匹配有些“飛點(diǎn)”，軟件提供的濾波功能可以有效濾除粗差點(diǎn)，但還是有部分區(qū)域生成的正射影像數(shù)據(jù)精度偏低、地物扭曲變形，因此建議基于粗DEM糾正的同時(shí)加入特征線的約束以及針對(duì)不同地形特征提供多種匹配策略，使得糾正后影像質(zhì)量進(jìn)一步提升，減少扭曲現(xiàn)象。另外本次試驗(yàn)中通過對(duì)生成的粗DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中進(jìn)行坡度變化量檢測(cè)，提取坡度變化量超過20°的圖斑疊套到糾正好的正射影像數(shù)據(jù)中進(jìn)行有目的檢查精度和變形情況，通過便捷的DOM修復(fù)編輯工具進(jìn)行實(shí)時(shí)快速修復(fù)更新。修復(fù)更新區(qū)域包括不同模型重疊部分影像可能出現(xiàn)模糊、重影、房子倒影相互矛盾以及房屋、橋梁、公路變形等問題，達(dá)到“所見即所得”，修補(bǔ)工具如圖4。

圖4 左圖為待修復(fù)的DOM成果;右圖為修復(fù)后的DOM成果

3.3 接邊線的選取及影像勻光勻色

Geoway CIPS軟件系統(tǒng)采用灰度相關(guān)、紋理特征等多因子，進(jìn)行接邊線高精度匹配，有效避開建筑物、橋梁、大面積水域等地物。利用拓?fù)湟?guī)劃技術(shù)，既減少對(duì)冗余數(shù)據(jù)的處理，又充分利用中心區(qū)域影像，基于原始影像中心點(diǎn)地理坐標(biāo)以及影像有效范圍進(jìn)行的鑲嵌網(wǎng)規(guī)劃(如泰森多邊形規(guī)劃算法等)，輔以半自動(dòng)化人機(jī)交互編輯，形成任務(wù)規(guī)劃模型文件，采用邏輯接邊、一次成圖技術(shù)，極大地減少了中間數(shù)據(jù)冗余，提高鑲嵌效率。但部分拓?fù)湟?guī)劃技術(shù)并不能解決高層建筑物投影差較大，造成遮擋周邊低層建筑物或者建筑物被接邊線穿越情況，可以通過利用單幅靠近中心區(qū)域的正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，并且即使航向重疊度較大情況下也不允許有抽片現(xiàn)象，保證正射影像成圖數(shù)據(jù)地物投影差達(dá)到最小，尤其在城區(qū)部分。

作業(yè)工序中勻光勻色有經(jīng)過兩道工序需要處理，第一道是數(shù)碼航空攝影后先通過Ultramap服務(wù)器的數(shù)據(jù)流(“辦公室處理中心OPC”)先對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有單幅影像進(jìn)行前期的自動(dòng)勻光勻色;第二道工序是基于接邊線已經(jīng)采集的情況下進(jìn)行整體勻色成圖。盡管DOM制作環(huán)節(jié)中的勻光勻色、智能鑲嵌功能一直是Geoway的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，并且提供了強(qiáng)大的整幅勻色、逐塊勻色、Mask勻光以及智能勻色算法，能夠解決測(cè)區(qū)影像色差不一致的問題，但是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)考慮，大部分的勻色軟件在對(duì)影像勻光和色彩均衡的同時(shí)，對(duì)影像本身的原色會(huì)有極大破壞和信息丟失情況。因此，基于INPHO OrthoVista軟件目前優(yōu)異的勻光勻色能力以及較少改變?cè)杏跋裥畔⑻厣３至擞跋裾w色調(diào)均勻清晰。在生產(chǎn)作業(yè)工序中，鑲嵌線自動(dòng)生成和編輯采用Geoway CIPS軟件系統(tǒng)中的ImageStation模塊，而影像整體勻光勻色在INPHO OrthoVista軟件中進(jìn)行，通過程序?qū)崿F(xiàn)ImageStation接邊信息生成一份DXF文件導(dǎo)入到INPHO OrthoVista軟件信息庫(kù)中，這樣可以兼具各個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)高效生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐，福州大都市 7 630 km2的1∶2000正射影像生產(chǎn)方案逐漸完善，針對(duì)帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)與少量控制點(diǎn)在空三加密中聯(lián)合平差的有效性以及適合哪幾個(gè)級(jí)別大比例尺正射影像成圖要求還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。本文結(jié)合目前比較流行的INPHO VISTA軟件到Geoway CIPS軟件系統(tǒng)中進(jìn)行正射影像的快速生產(chǎn)提出了一條有效途徑，通過上述若干問題的思考，旨在探尋一條更加高效而有質(zhì)量的大比例尺正射影像生產(chǎn)路線。

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