歷史航片數據處理技術及方法探討

徐衛民，陳香，王琳

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引言

為了滿足現代測繪成果管理的需要，充分發揮歷史航片的科學價值，國家測繪地理信息局啟動了“國家基礎航空攝影資料數字化與建庫”項目。該項目旨在完成航片的掃描數字化，建立航片影像數據庫，對實現航空攝影資料管理的數字化、保證檔案資料的安全完整、增強測繪保障能力具有重要意義［1］。

天津市測繪院于2004年啟動歷史航片的掃描任務，2011年啟動并完成歷史航片正射影像圖的制作。由于年代久遠、數據資料的遺失、控制點的難以獲取以及影像的掃描質量問題，在歷史航片數據制作過程中碰到了不少困難。本文基于歷史航片的數據處理，對采用高分辨率遙感影像一體化測圖系統PixelGrid(以下簡稱“PixelGrid系統”)處理歷史影像的方法、流程及關鍵技術環節進行探討，并對成果精度進行分析。

2 歷史航片數據處理難點

歷史航片涉及的航攝儀有RC30，RC20，RC－8等不同類型，攝影比例尺從1/35000～1/3200不等，地面分辨率有 0.1 m，0.2 m，0.5 m和 1 m，膠片類型有黑白和彩紅外兩種。在數據制作過程中碰到不少困難及問題，主要有以下原因:

(1)數據資料的遺失

紙質文檔不可避免存在丟失損壞，數據資料的丟失主要表現為內定向參數的丟失，缺少像主點偏移或焦距，在實際作業過程中通過查找相機型號補回這些資料，或把像主點偏移設置為0進行后續作業。

(2)控制點的難以獲取

由于年代相隔較遠，部分區域地形發生較大變化，空三加密時很難布設控制點。采用逐級控制方法，即新年份影像控制老年份影像;同時為防止誤差積累過大，實際作業過程中用1990年代影像控制1980年代，1980年代控制1970年代。

(3)部分影像質量差，噪聲大

由于數據保存時間較長或掃描問題，較早年份的影像噪聲較大，如圖1所示，在空曠的農田區域出現一些白色的噪聲，給后續數據處理帶來一定困難，主要表現不能成功提取連接點或提取連接點的錯誤率較高，需人工干預較多。

圖1 噪聲較大的影像

3 歷史航片數據處理方法

歷史航片的數據處理流程如圖2所示，掃描影像數據得到數字影像，通過PixelGrid軟件進行空三加密及正射糾正，將正射糾正結果導入ERDAS軟件鑲嵌裁圖，在Photoshop軟件中檢查及修改正射影像，最后按照標準分幅裁圖。針對歷史航片的數據特點，下面就一些關鍵過程進行介紹。

圖2 歷史航片數據處理流程

3.1 影像數據掃描

檢查航片是否有撕裂、斷裂、嚴重劃痕和抽片情況，并對航片進行清潔，以保證航片上不沾有污物。以航線為單位，瀏覽所要掃描的航片，并按照地物類型，將這些航片大致分類，以使分類后的這一類航片能夠按照該類的掃描參數進行掃描并確保掃描后影像的質量。掃描后的影像保證其反差適中、色調飽和、框標清晰、影像灰度直方圖的灰度值在0～255灰度級之間連續，并整體呈正態分布，直方圖底部接近兩端。

3.2 自動內定向

內定向就是根據像片的框標坐標和相應的攝影機檢定參數，恢復像片和攝影機的相關位置，即建立像片坐標系［2］。根據航攝鑒定表，建立相機檢校文件。對于如圖3所示的航攝鑒定表，由于數據資料的遺失，沒有考慮像主點偏移，其四角框標坐標為:

內定向采用仿射變換進行框標坐標計算，框標坐標殘差絕對值一般不大于0.010 mm，由于部分航攝區像主點資料的遺失，其殘差絕對值有所增大，最大不超過0.020 mm。

圖3 航攝鑒定表部分截圖

3.3 自由網的構建

歷史航片不帶有POS輔助信息，其連接點的提取采用單模型相對定向、模型連接構建自由航帶網，定義航帶初始偏移量進行航帶間轉點。若某些區域連接薄弱，需要人工加連接點。每個像對連接點分布均勻，每個標準點位區有連接點［3］，每個像對連接點數目一般不少于30個。

平差解算是通過PATB軟件進行的。整個過程是平差解算——剔除或修測粗差——平差解算，循環進行，直至像點的最大殘差不超過2個像素(即40 u)，PATB平差解算的中誤差不應超過2/3個像素(即13.3 u)。平差解算可能會不收斂，是由于像點網不穩定，部分區域缺乏連接點造成的，在這種情況下需人工加連接點，加點原則是航向連接點宜大于3°重疊，旁向連接點宜大于6°重疊。在粗差剔除或修測過程中，同時要關注像點網的構成，對缺乏連接點的區域人工加點。

3.4 控制點的選取及量測

由于歷史航片相隔久遠，傳統的野外控制點布設方法無法進行。PixelGrid軟件支持在已有DEM和DOM基礎上，人工選取或自動匹配控制點，減少了對外業控制的依賴。其步驟如下:

(1)選擇與此加密區合適的年份相近的已有正射影像，同時為防止誤差積累，采用逐級控制，即新年份影像控制老年份影像，譬如用1990年代影像控制1980年代，1980年代控制1970年代。

(2)在整個加密區的四周人工選取4個控制點，并進行帶控制的平差解算。此時相當于每張影像有了初始的外方位元素，因此輸入一個同名像點，就可以預測到已有正射影像的位置(如圖4所示)。自動選擇控制點的過程可以通過人工干預或自動匹配的方法進行。若人工選擇控制點，按照航向5條～10條基線、旁向2條～4條航線的跨度布設平高控制點，并應盡量避免將控制點選擇在房屋等高于地面的地物上，因為控制點的高程是從已有DEM上讀取的，不包括房屋等的高度。

圖4 自動預測控制點

3.5 絕對定向

由于資料遺失造成內定向參數不準確，控制點信息的不精確，平差解算過程中其限差參照相應規范有所放大。一般要求，通過PATB平差，其中誤差不應超過2/3個像素。

3.6 DEM匹配

天津市測繪院具備了一版高精度DEM，但是由于歷史航片相隔較遠，部分區域地貌發生較大變化，需要重新匹配DEM。采用PixelGrid系統基于多基線/多重匹配特征的高精度DSM匹配算法，自動提取整個測區的DSM數據，采用濾波算法對建筑區和樹林進行濾波，通過少量的人工編輯獲取滿足正射糾正的DEM數據。

3.7 DOM生成

采用PixelGrid系統多機多核分布式并行處理功能，短時間內完成測區內的所有影像數字微分糾正。得到整幅影像還需對單張影像進行勻光、勻色和鑲嵌處理，以達到較好的視覺效果。

4 成果質量控制

數字正射影像圖的質量評價主要包括影像質量和位置精度兩個主要的質量指標。影像質量一般包括影像分辨率和影像特性，通過人工檢查影像的分辨率、色彩、色調、反差、紋理等以達到項目的要求。位置精度主要指影像的平面精度，通過與1∶2000地形圖套合，其同名點位置中誤差在1.5m左右，滿足市情監測需求。圖5顯示了同一區域不同時期的正射影像。

圖5 同一區域不同時期的歷史影像

5 結語

本文對歷史航片的數據處理方法、流程及關鍵技術環節進行探討，并對成果精度進行分析，其精度滿足市情監測需求，對歷史航空影像數據庫的建立具有重要意義。如何充分挖掘歷史航片的潛在價值信息，使之服務于國情監測等，是下一步的研究重點。

［1］嚴榮華，李京偉，朱武等.歷史航空影像數字化與建庫技術初探［J］.遙感技術與應用，2004，19(2):102～107.

［2］國家基礎地理信息中心.國家基礎航空攝影資料數字化與建庫項目黑白航片掃描作業技術規定［R］.2001.

［3］張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2004.

［4］金為銑，楊先宏，邵鴻潮等.攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2001.

［5］張祖勛，張劍清.數字攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2007.