基于MapMatrix的數(shù)字正射影像圖制作

施衛(wèi)東+周小揚(yáng)

摘 要本論文基于武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司的新型數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)MapMatrix，結(jié)合武漢商學(xué)院三維數(shù)字校園生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行1：2000數(shù)字正射影像圖制作，探討數(shù)字正射影像圖（DOM）的制作方法。并說明了MapMatrix相對其他同類軟件在實(shí)際操作中的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】MapMatrix 數(shù)字高程模型 數(shù)字正射影像圖

MapMatrix 系統(tǒng)是基于航空攝影，衛(wèi)星遙感，外業(yè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行多源空間信息綜合處理的平臺。它為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、處理和加工提供了一系列集成的工具，例如：影像去畸變工具，DEM匹配工具，正射影像糾正工具等。攝影測量數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺MapMatrix軟件可以在立體環(huán)境下進(jìn)行采編、編輯、入庫。而且采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理接口將處理的數(shù)據(jù)有效的管理起來，為后期數(shù)據(jù)增值和共享提供基礎(chǔ)。成為數(shù)據(jù)的采集、處理、編輯、入庫、維護(hù)和更新等空間地理信息數(shù)據(jù)處理的整體解決方案。

數(shù)字正射影像圖（DOM）是以數(shù)字化航空相片為基礎(chǔ)，進(jìn)行空中三角測量結(jié)合人工地面像控測量，匹配生成測區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型（DEM）后，經(jīng)逐個(gè)像元進(jìn)行投影差改正、微分糾正和鑲嵌，按地形圖范圍生成的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。其特點(diǎn)是信息量大、精度高、可按需要對比例尺進(jìn)行任意調(diào)整、輸出。

本文結(jié)合武漢商學(xué)院三維數(shù)字校園所提出的生產(chǎn)技術(shù)方案，基于武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司的MapMatrix 新型數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，生成數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），完成對武漢商學(xué)院1：2000數(shù)字線化圖采集，總面積約0.67km2。

1 采用MapMatrix新型數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)制作數(shù)字正射影像圖

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1.1 航空攝影

首先由無人機(jī)搭載單反相機(jī)，以高重疊度拍攝校園的高分辨率影像；航空攝像的要求： 航線內(nèi)有75%的重疊度，航線間有45%的重疊度，符合設(shè)計(jì)要求； 符合航線彎曲度要求；不存在航攝漏洞。影像數(shù)據(jù)質(zhì)量：影像地面分辨率為10cm，保存為jpeg或tiff數(shù)據(jù)格式。項(xiàng)目采用尼康D810數(shù)碼航攝，見表1。

1.1.2 測區(qū)資料準(zhǔn)備

測區(qū)文件：影像文件，控制點(diǎn)文件，控制點(diǎn)點(diǎn)位圖，相機(jī)檢校文件。影像文件可進(jìn)行勻色處理：利用Photoshop針對其中一張樣片調(diào)整色階，然后采用EPT軟件進(jìn)行勻光勻色處理。將圖像樣本的灰度等級調(diào)整為256。通過實(shí)驗(yàn)，灰度等級在35～255之間進(jìn)行影像輸出時(shí)，影像質(zhì)量不僅可以基本滿足測圖觀測的需要，而且影像數(shù)據(jù)丟失信息較少。

1.2 航測內(nèi)業(yè)加密

通過空中三角測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以利用少量的地面控制點(diǎn)來計(jì)算測區(qū)中所有影像的外方位元素信息和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，為后期生產(chǎn)DEM/DOM做準(zhǔn)備。

使用DATMatrix建立空三加密工程，然后利用PATB進(jìn)行光束法平差。為保證空三加密精度符合設(shè)計(jì)要求，在連接航帶時(shí)，應(yīng)盡量保證每張航片上航向、旁向都有連接點(diǎn)；其次在選取像控點(diǎn)時(shí)要先選取測區(qū)外圍的4個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行平差解算，然后逐步向測區(qū)內(nèi)添加像控點(diǎn)進(jìn)行加密處理，分批次進(jìn)行平差解算合格后再進(jìn)行加密。在分布加密像控點(diǎn)時(shí)，要優(yōu)先選取加密航向重疊度和旁向重疊度多的像控點(diǎn)；平差后剔除粗差點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該先調(diào)整誤差大的加密點(diǎn)，依次類推。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，按照這個(gè)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在刺像控點(diǎn)方面由于有了預(yù)測控制點(diǎn)功能使得刺點(diǎn)的效率更高；而且在剔除粗差點(diǎn)方面也效果更佳。空三加密完成后就可以導(dǎo)出MapMatrix工程文件*.xml。

1.3 生成數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型（DEM）是創(chuàng)建數(shù)字正射影像圖（DOM）的前提。生產(chǎn)DEM的方式有三種：

1.3.1 全區(qū)匹配生成DEM

加載空三加密軟件中導(dǎo)出的*.xml工程文件，在MapMatrix中選擇“工程”節(jié)點(diǎn)，右鍵菜單選擇“創(chuàng)建立體像對”菜單，即可生成立體像對；然后在工程節(jié)點(diǎn)上鼠標(biāo)右鍵選擇“全區(qū)匹配”，MapMatrix軟件中的DEM匹配模塊即可通過像方匹配的方式生成整個(gè)測區(qū)的DEM。

1.3.2 單模型匹配生成DEM

在空三加密之前如果沒有進(jìn)行影像去畸變處理及影像旋轉(zhuǎn)工作，通過單模型匹配的方式就不適用。因?yàn)橛跋裎唇?jīng)旋轉(zhuǎn)前，左右相鄰影像是上下重疊的，無法組建左右立體像對，單模型定向中的相對定向及核線重采樣不能正常運(yùn)算。

單模型匹配DEM的流程如下：

加載空三加密軟件中導(dǎo)出的*.xml工程文件，在MapMatrix中選擇“工程”節(jié)點(diǎn)，右鍵菜單選擇“創(chuàng)建立體像對”菜單，即可生成立體像對；然后進(jìn)行相對定向、核線重采樣、影像匹配、單模型DEM生產(chǎn)、DEM拼接。由于導(dǎo)入的空三工程中已經(jīng)有了內(nèi)定向參數(shù)與絕對定向參數(shù)，因此在單模型匹配過程中不需要做內(nèi)定向與絕對定向這兩部。

1.3.3 采集DLG（數(shù)字線劃圖）生成DEM

在MapMatrix的立體采集模塊中進(jìn)行DLG采集，采集地形的地貌特征點(diǎn)特征線（如等高線、陡坎、高程點(diǎn)等），然后通過采集的特征點(diǎn)特征線反生DEM。

在三種DEM匹配的方式中，第一種與第二種是通過影像匹配的實(shí)質(zhì)是數(shù)字地表模型（DSM），需要通過DEM編輯把房屋等地物表面的特征點(diǎn)編輯到地表。可以根據(jù)匹配點(diǎn)或預(yù)生成的等高線來評判DEM生成的效果，針對DEM生成的效果和地形特征來選取合適的DEM編輯方法。編輯方法有：內(nèi)插、平滑、推平、點(diǎn)編輯、定值高程、平均高程等。例如： 針對道路可以選擇推平編輯方法；針對水域可以選擇定值高程編輯方法；針對山體可以選擇平滑編輯方法等。第三種方式生成的DEM不需要編輯。

1.4 生成數(shù)字正射影像圖

生成了數(shù)字高程模型（DEM）之后就可以生成數(shù)字正射影像圖（DOM）。數(shù)字正射影像圖的生成是利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字微分糾正， 消除所拍攝的航片上的投影誤差，生成垂直投影方式的影像數(shù)據(jù)的過程。

數(shù)字正射影像生成的方法主要有兩種：一種是根據(jù)全測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)糾正整出整個(gè)區(qū)域的DOM，再根據(jù)分幅要求選取DOM進(jìn)行拼接鑲嵌，然后對拼接的DOM數(shù)據(jù)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行局部修補(bǔ)并裁剪；另一種是先用DEM糾正出每張?jiān)加跋駥?yīng)的單片DOM，再對整個(gè)測區(qū)的單片DOM進(jìn)行鑲嵌成圖操作，拼接為整個(gè)測區(qū)的DOM，然后再對有問題的DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌線編輯、局部修補(bǔ)、裁剪。

1.5 影像圖的后處理

由于航片航攝角度的不同會造成重疊影像區(qū)域的影像灰度值有差別，使得接邊后的數(shù)字正射影像圖在接邊處會有明顯的拼接線。合格的數(shù)字正射影像圖既要保證接邊地物平面坐標(biāo)的接邊精度，又要保證接邊區(qū)域相同地物的影像灰度值一致。通過MapMatrix軟件制作完成后輸出的數(shù)字正射影像圖仍需要相應(yīng)的影像的勻光、鑲嵌以及裁切成圖，而易拼圖軟件（EPT）在這方面有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢。通過易拼圖軟件進(jìn)行勻光、鑲嵌、接邊等一系列處理之后，就可以得到精度更高的正射影像圖。最后利用MapMatrix軟件輸出所需要的DLG數(shù)字線劃圖。

2 MapMatrix軟件在實(shí)際操作中的優(yōu)勢

2.1 該系統(tǒng)兼容性好

該系統(tǒng)支持來自其他多種系統(tǒng)的空三成果，如PATB、JX4、inpho等空三成果的引入，也支持僅有相機(jī)文件及外方位元素信息的情況下恢復(fù)立體模型，避免了在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中給用戶帶來的麻煩。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持ADS推掃式影像，A3影像空三成果的引入并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DEM/DOM/DLG產(chǎn)品的制作，支持衛(wèi)星影像RPC空三。

2.2 DEM及DOM編輯操作方便快捷

該軟件能夠讀取和繼承空三的定向成果與DEM成果，能在不損失精度情況下完成影像修補(bǔ)，既支持直接選擇正射影像修補(bǔ)，也支持實(shí)時(shí)的通過DEM糾正原始影像進(jìn)行正射影像修補(bǔ)，通過兩種修補(bǔ)方式可以使正射影像編輯到較理想的效果；能夠進(jìn)行多幅圖的各種操作，自動(dòng)生成拼接線，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)；該軟件可提供不同的勻光方案，有效保留影像細(xì)節(jié)；DEM多樣化的編輯功能以及DOM自動(dòng)修復(fù)及關(guān)聯(lián)編輯功能，使作業(yè)員的操作更簡單，縮短了作業(yè)編輯時(shí)間。該軟件還具備質(zhì)量檢測功能。當(dāng)采集完成后，MapMatrix 具有智能自動(dòng)檢查的功能，解決了人工檢查不僅慢而且容易疏漏的問題。

2.3 DOM的制圖效率高

具有原始影像修補(bǔ)功能，不必重新編輯DEM即可糾正扭曲的地物地貌，使制圖效率大大提高。

作業(yè)自動(dòng)化程度高。采用了最近頂點(diǎn)鑲嵌方式，保證圖幅中所生成的影像最接近真實(shí)、變形最小、精度最高，可以準(zhǔn)確而快速的鑲嵌出圖幅產(chǎn)品，可以根據(jù)影像關(guān)系自動(dòng)搜索鑲嵌線，減少了鑲嵌線手工編輯工作。

2.4 支持實(shí)時(shí)核線采編

MapMatrix 是目前國內(nèi)唯一支持實(shí)時(shí)核線測圖的數(shù)字?jǐn)z影測量軟件，中心投影立體像對無需采集核線影像即可快速測圖，省去了常規(guī)攝影測量中的相對定向、核線采集等步驟，使得作業(yè)效率大大提升，同時(shí)也節(jié)約了磁盤空間。

2.5 在立體采集DLG方面實(shí)現(xiàn)了采集、編輯、入庫一體化

與傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相比，MapMatrix具備作業(yè)過程自動(dòng)化、采編入庫一體化、數(shù)據(jù)處理海量化等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，大多只有采集功能及簡單的編輯功能，在數(shù)據(jù)編輯方面還需要借助其他軟件，在與其他軟件導(dǎo)入導(dǎo)出的時(shí)候，存在屬性丟失、精度損失等問題。而在MapMatrix中，有很全面、人性化的采集、編輯工具，操作簡便，并且能夠提高作業(yè)效率。在采集、編輯完成后，還有完善的入庫檢查功能及入庫屬性的編輯功能。

2.6 節(jié)省硬盤空間，對機(jī)器配置要求不高。

該軟件制作正射影像圖時(shí)改變了以往先拼接再裁切的成圖模式，而是直接針對單個(gè)圖幅生成，在影像的生產(chǎn)過程中不再需要占用大量的空間，使正射影像在生產(chǎn)過程中更高效、更節(jié)省硬盤空間。

能實(shí)現(xiàn)對海量影像數(shù)據(jù)的快速讀寫、瀏覽，作業(yè)時(shí)不受電腦性能和內(nèi)存大小的限制，常規(guī)配置的計(jì)算機(jī)就可流暢地進(jìn)行作業(yè)。數(shù)據(jù)處理不受測區(qū)范圍和大小限制，能一次性制作大區(qū)域、大范圍影像數(shù)據(jù)。

2.7 采用精細(xì)放大技術(shù)，能夠避免同類軟件中放大發(fā)虛的問題

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作者簡介

施衛(wèi)東（1969-），男，武漢商學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位

1.武漢商學(xué)院工商管理學(xué)院 湖北省武漢市 430056

2.武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司 湖北省武漢市 430205