利用數字建筑模型制作真正射影像的方法與實現

趙淑玲，屈偉軍（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

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利用數字建筑模型制作真正射影像的方法與實現

趙淑玲*，屈偉軍
（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

摘 要分析了傳統正射影像與真正射影像的區別，介紹了數字建筑模型及其生成數字表面模型的方法，簡要闡述了真正射影像制作原理，介紹了目前主流的制作真正射影像的系統及其生產流程，進行了真正射影像生產試驗。

關鍵詞數字建筑模型；真正射影像；數字微分糾正；遮蔽檢測與補償

1 引言

隨著地理信息數字化進程的加快，數字正射影像圖（DOM）已經成為空間數據庫的重要組成部分。傳統的數字正射影像圖在生產過程中僅考慮了地面高程，忽略了人工建筑等空間目標，導致建筑物偏離其真實位置并對地表信息造成遮擋，已經不能滿足現代城市測繪的應用需求。利用數字表面模型（DSM）制作真正射影像（TDOM），可以對地形及地表建筑同時進行糾正，從而保持了直視角度的地表景觀，解決了大比例尺城區正射影像高大建筑物對其他地表信息的遮擋等弊端（圖1），并能快速生成地表三維、城市三維景觀，在城市空間信息領域的前景非常廣闊，目前在國外已經得到了廣泛的應用和推廣。

2　數字建筑模型

數字建筑模型（DBM）簡單的理解就是一系列帶有高程信息的表示建筑物輪廓并根據所表示的建筑物層次結構區分不同圖層的三維矢量，其通常以AutoCAD的繪圖交換文件格式DXF格式存儲。數字建筑模型一般都是通過全數字攝影測量工作站在立體環境下采集各建筑物的外部輪廓及頂部附屬結構生成，如圖2所示。

將數字建筑模型與數字地面模型（DTM）進行疊加，即可得到制作真正射影像所需要的數字表面模型（圖3）。

圖1　傳統正射影像與真正射影像Fig.1 Traditional orthophoto map and true orthophoto map

圖2　數字建筑模型Fig.2 Digital building model

圖3　DTM與DBM疊加生成DSMFig.3 DTM and DBM together to generate DSM

3　真正射影像制作原理

3.1 數字微分糾正

為了消除由于影像傾斜和地形起伏等引起的變形，需要根據有關的參數與數字地面模型，利用相應的構象方程式，或按一定的數學模型用控制點解算，從原始非正射投影的數字影像獲取正射影像，這種過程是將影像化為很多微小的區域逐一進行糾正，并且使用的是數字方式處理，故叫做數字微分糾正或數字糾正。

數字微分糾正的基本任務就是實現兩個二維圖像之間的幾何變換，在微分糾正過程中必須先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的幾何關系。設任一像元在原始圖像和糾正后的圖像中的坐標分別為（x,y）和（X,Y），則他們之間存在這映射關系：

公式1是由糾正后的像點坐標（X,Y）出發反求其在原始圖像上的像點坐標（x,y），這種方法稱為反解法（或稱間接法）；而公式2是通過原始影像上的像點坐標（x,y）解求糾正后圖像上相應點坐標（X,Y），這種方法稱為正解法（或稱直接法）。數字微分糾正就是通過解求相應像元的位置進行灰度值的內插和賦值的運算。

3.2 遮蔽區域檢測與補償

傳統的航空影像屬于中心投影，對于地面上有一定高度的地物都會產生遮蔽現象，中心投影所產生的遮蔽其實質就是投影差（圖4）。由正射影像的遮蔽分析可知，使用數字建筑模型可以獲取建筑物的平面坐標和真實高程值，進而可以計算出建筑物在正射影像上對應的正確位置，再結合數字地面模型就可以確定建筑物在正射影像上實際的投影位置，進而確定被建筑物遮擋的區域。

對于被遮蔽的像元信息，在具有一定重疊度的情況下，可以利用相鄰影像上未被遮擋的相關信息進行填充補償。首先根據真正射影像上地面遮蔽像元的地面平面坐標在DEM中內插獲取高程值，得到地面遮蔽點的三維坐標，根據共線條件方程計算出其在相鄰影像上的像點坐標，并判斷在該相鄰影像上是否被遮擋，如未被遮擋，則用該點的影像信息對真正射影像進行填充補償，否則繼續搜索下一張相鄰影像。如果所有影像都被遮擋，則表明該區域屬于攝影死角，則可使用背景顏色填充。

圖4　中心投影遮蔽示意圖Fig.4 Sketch map of occlusion in central projection

4　真正射影像生產流程

就現階段而言，可以完成一整套傳統DOM生產過程的系統數不勝數，但目前能直接用來生產真正射影像的系統并不多，大部分需要在生成DOM后進行二次加工，以得到真正射影像。在數字攝影測量工作站系統中，以Inpho和PixelFactory（“像素工廠”）最為知名，可以無需對數據進行二次加工直接生成真正射影像，其生產的一般流程為：

（1）對航攝影像進行空三加密，恢復各像片在攝影時的空間關系；

（2）利用影像匹配技術生成規則格網的數字地面模型；

（3）使用數字攝影測量工作站在立體環境下采集數字建筑模型，與數字地面模型疊加生成數字表面模型；

（4）使用數字表面模型對原始影像進行正射糾正，并進行遮蔽區域的檢測；

（5）在影像鑲嵌過程中實現遮蔽區域的補償，對鑲嵌結果進行分幅裁切，并進行適當的人工編輯，形成標準分幅真正射影像圖。

5　生產試驗與分析

本文采用Inpho攝影測量工作站對長沙市內某高層建筑區進行了生產試驗，試驗數據由RCD30航攝儀拍攝，攝影平均地面分辨率為0.1 m，航向重疊度和旁向重疊度均為70%。試驗中對該區域數據分別生成了傳統正射影像和真正射影像（圖5），對結果進行了對比分析。

圖5　傳統正射單片與真正射單片Fig.5 Traditional orthophoto single map and true orthophoto single map

從圖5中可以看出，傳統正射影像單片中屋頂已經偏離其正確位置，并且對地面物體形成了遮擋；而真正射影像單片中屋頂被糾正到正確位置，并且由投影差所造成的遮蔽區域也被檢測出來，并用背景顏色（白色）作了標記。由于不同影像的攝影方向不同，導致各影像上房屋的倒向也不一致，從而使得每張影像上的遮蔽區域各不相同，這為遮蔽區域的補償提供了有效的方法與途徑。在影像鑲嵌過程中，系統會自動利用相鄰影像的有效像素進行遮蔽區域的補償，最終形成完整的真正射影像（圖6）。

在圖6中房屋的部分細小內角處仍然可以看到白色背景，其所在區域就是前面3.2中所提到的攝影死角。由于本次試驗使用的是高分辨率航空影像，其相對攝影高度非常低，而航向重疊度只有70%，導致部分房屋內角處無法處于可視范圍，從而形成攝影死角，解決該問題的有效方法是加大航攝航向重疊度。

圖6　遮蔽區域補償后的真正射影像Fig.6 True orthophoto map with occlusion compensated

6　結束語

真正射影像作為攝影測量的一個新的應用領域，它同時具有完美的幾何精度和視覺特征，可以真實地再現攝影時地形表面的三維信息，比單純的正射影像數據具有更大的應用價值和更廣闊的應用前景。利用數字建筑模型疊加數字地面模型進行真正射影像的生產，在Inpho、PixelFactory等數字攝影測量系統中可以做到高度自動化，值得推廣應用。

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The Method and Implementation of Making True Orthophoto Map Using Digital Building Model

Zhao Shuling,Qu Weijun
(The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan,Changsha Hunan 410119)

Abstract:The differences between traditional orthophoto map and true orthophoto map are analyzed,the digital building model and how to use it to generate digital surface model are introduced,the principles of making true orthophoto map are briefly described,the mainstream systems of making true orthophoto map and its production processes are introduced,and a true orthophoto production test is implemented.

Key Words:digital building model;true orthophoto;digital differential rectification;occlusion detection and compensation

收稿日期：2015-12-25；改回日期：2016-2-23。

*第一作者簡介趙淑玲，女，1969年生，地理信息工程專業，從事地理信息數據處理、三維建模、系統開發、國土調查等工作。Email：598902787@qq.com

文章編號：1672-5603（2016）01-086-5

中圖分類號：P283.49

文獻標識碼：A