基于航空影像的真正射制作技術

樊 濤 胡盛江

(32017部隊, 西藏 拉薩 850013)

0 引言

影像通過正射糾正,消除相機傾斜與地形起伏等引起的投影變形而制作成數字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)。數字正射產品未消除建筑物自身投影差,導致產品中地物遮擋與陰影問題比較突出。隨著城市建設的不斷加快,高樓及密集區占比越來越重,建筑物自身投影差而造成遮擋及陰影問題也越來越多。逐漸滿足不了現有測繪基礎建設需求,尤其在國土規劃、農業、荒漠化監測、土地利用調查、農村宅基地確權等方面。因此對于真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM)的需求日益迫切。本文在分析正射與真正射區別基礎上,探討真正射影像數據獲取、核心算法、制作流程的關鍵技術,總結提出基于高程約束的一種優化的稠密立體匹配技術(Semi-Global Matching,SGM)遮蔽檢測算法,并很好地解決了其他算法的不足。

1 真正射影像制作技術分析

1.1 正射與真正射的區別

DOM是基于地表影像利用數字地表高程模型(Digital Elevation Model，DEM)糾正而來。在不考慮人工建筑物空間高度的情況下,消除地形起伏和相機傾斜等引起的投影變形的一種地理信息產品。TDOM是將地表影像經垂直投影,消除投影差,使得地形與地物均被糾正到正確的位置上。二者最顯著的差異在于是否分析了地物的可見性。

數據獲取方面,DOM對于常規的航空攝影來說,按照標準的航向重疊(60%～65%)與旁向重疊(30%～35%)設計航飛獲取航線。TDOM為了后期解決遮擋問題,故需要加大航向及旁向重疊。對于城市高樓建筑物,要求達到航向與旁向重疊至少優于75%。生產制作過程的流程主要區別在于:DOM是在空中三角測量的基礎上,創建立體相對,生成DEM,利用外方位元素并結合DEM進行影像糾正[1]。TDOM制作主要是在空中三角測量的基礎上,利用影像密集匹配出高精度的點云數據生成數字表面模型(Digital Surface Model，DSM)或其他途徑獲取的數字建筑物模型(Digital Building Models，DBM)的基礎上,解決建筑物遮擋等問題,糾正生成TDOM成果。

1.2 真正射影像制作的關鍵技術

真正射影像制作的關鍵在于消除地物自身高度的投影差問題,即消除地物自身的遮蔽。

如何準確可靠地進行遮蔽區域檢測是制作真正射產品的核心。目前,常用的檢測算法主要有DSM和DBM。

1.2.1基于DSM的遮蔽區域檢測

DSM包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度信息的地面高程模型[2],如何在數字表面模型的基礎上利用算法獲取遮蔽區域信息是核心。目前現有的方法有Z-Buffer 方法[3-4]、基于DSM排序的遮蔽檢測、基于角度的遮蔽檢測方法[5]、基于矢量的直接法遮蔽檢測、高程射線追蹤法[6],各遮擋檢測方法比較如表1所示。

表1 幾種遮擋檢測方法比較表

1.2.2基于高程約束的SGM遮蔽檢測算法。

針對上述算法的各自優缺點。提出了基于高程約束的SGM遮蔽檢測算法。該算法首先利用大重疊高分辨率影像使用密集匹配算法匹配出高精度的DSM模型。利用高精度的DSM作為檢測遮蔽區域的基礎數據。加入高程射線追蹤法,通過比較搜索路徑上地面點的高度與攝影光線的高度,將其作為遮蔽準則,實現遮蔽區域檢測。

(1)立體像對,匹配出高精度的密集點云信息。

(2)SGM密集匹配算法[7],計算影像之間的互信息獲取影像匹配的相似測度值。通過一系列的匹配代價計算、視差計算、視差優化[8],此外為提高準確性,加入平滑約束條件,最終獲得初始遮擋信息。

(3)遮擋區域檢測。

首先,對于SGM 遮擋矩陣、DSM 可見矩陣、攝影光線(從攝影中心到DSM格網點的連線)進行定義。要求SGM 遮擋矩陣對應原始影像,且維數與原始影像相同。

其次,利用立體相對密集匹配獲得DEM。并判斷DEM格網點是否在建筑物多邊形邊界區域內。如果是,則該區域構建附加邊約束的三角網,利用三角網內插出 DEM 格網點平面位置對應的高程值,獲取高精度的DSM,定義為初始DSM遮蔽區域。

最后，加入高程約束條件,對初始遮蔽區域進行優化。對于一個DSM格網點來說,如果該格網點搜索路徑上所有點的高度都小于攝影光線的高度,則說明它在影像上可見。反之,不可見。在初始遮蔽區域內,比較搜索路徑上地面點的高度與攝影光線的高度來排除初始遮蔽區域是否正確[9-10],并將錯誤信息、遺漏區域補齊。如圖1所示。如果待檢測點的攝影光線高度小于搜索路徑上DSM格網點的高度,則該點被遮蔽;如果待檢測點的攝影光線高度大于搜索路徑上所有DSM格網點的高度,則該點可見。

圖1中Z是DSM點的地面高度,dZ是根據攝影光線的斜率和在搜索路徑上指定的搜索間隔來計算的。如圖1(c)所示,結果表明，圖1(b)中，6、5、2區域為不可見，0為可見。

圖1 計算方法示意圖

2 實驗

利用航攝相機獲取大重疊區域的影像數據。試驗區域飛行高度2 400 m,地面均高10 m,獲取影像地面分辨率 0.15 m,實驗得出:

(1)基于高程約束的SGM遮蔽檢測算法,比較好地檢測出遮擋區域,解決了其他算法遺漏的問題。算法中首先確定初始遮蔽區域,然后對初始遮蔽區域進行復查。保證了遮蔽區域的精確性和完整性,解決了存在的漏檢測問題。另外融合SGM的高精度DSM保證了真正射房屋邊界清晰狀,且鋸齒狀現象明顯減少。工廠區與高層建筑物區域TDOM如圖2～3所示。

圖2 工廠區TDOM

圖3 高層建筑區域的TDOM

(2)與傳統的DOM相比,該算法比較好地保留了原始影像的分辨率,在水域、植被茂密區域可獲得比較真實的TDOM。水域區域DOM與TDOM對比如圖4～5所示。植被TDOM細節圖如圖6所示。

圖4 水域區域DOM

圖5 水域區域TDOM

圖6 植被匹配的TDOM

3 結束語

本文從真正射制作關鍵技術出發,對比幾種常用遮蔽區域算法,提出了基于高程約束的SGM遮蔽檢測算法。實驗結果表明本算法可彌補傳統遮蔽區域檢測算法的不足。遮蔽檢測時利用高程值,通過比較搜索路徑上攝影光線的高度與DSM格網點的高程,自內向外依次進行遮蔽分析,內層點的遮蔽檢測結果用于約束判別外層點的可見性,具有較高的執行效率。且密集匹配獲取的高精度的DSM保證了建筑物邊緣的清晰,減少了后期人工編輯的工作量。