POS技术在数码航摄影像制作DOM中的应用

2012-06-29韦玉华李霞周琳

城市勘测 2012年1期

韦玉华，李霞，周琳

(南宁市勘测院，广西南宁 530001)

1 引言

摄影测量是根据物—像几何关系确定各类空间物体的形状、大小和位置。其原理则是通过同名光线的交会和像点来确定被摄目标。因而，必须精确确定投影光束(像片)的位置(3个线元素X，Y，Z)和姿态(3个角元素φ，ω，K)，合称6个外方位元素。传统的摄影测量方法是利用大量的地面控制点并通过空中三角测量反求光束的外方位元素，其DOM成图方式的主要过程包括航空摄影、外业控制点的测量、内业的空中三角测量加密、建立像对模型、DEM的编辑和影像镶嵌、匀光处理等作业步骤。由于该成图过程工序复杂、工期大、费用高，得到的基础地理信息数据滞后于国民经济建设的需求;同时，该方法严重依赖地面控制点，尤其在地物单一、无明显地物点的地区(如沙漠、戈壁或大草原)，难以采用传统的航测方法。利用机载POS(Positioning Orientation System)系统，在航空摄影的同时，可以准确地获取像片的空间位置和姿态参数，基本可以免去地面控制工作，进而简化和加速影像定向和定位工作。而且利用数码航摄相机拍摄的影像，图像清晰且分辨率高，能精确快速确定目标点的空间位置，可以实现非语意信息的提取，根据影像的特征正确识别目标的属性，加速影像相对定向和定位工作，缩短成图作业时间。与以往技术相比，基于POS技术使用数码航摄影像制作DOM，具有低成本，清晰、高精度，高效率的特点。

2 机载POS技术的原理与方法

机载POS辅助航空摄影集成系统由惯性测量装置、航摄仪、机载GPS接收机和地面基准站GPS接收机四部分组成。利用机载POS系统和一个或多个地面基准站可以直接获取航摄像片的6个外方位元素，按照摄影测量共线方程的原理，可根据立体像对的前方交会，利用像点坐标，直接解算地面点的空间位置坐标，从而精确反演成像过程。

机载POS系统测定的定位定向参数在数字摄影测量中有两种应用方法:

直接地理定位(Direct Georeferening，DG)。就是将POS系统获取的定位定向参数直接反演成像的过程，通过立体像对的前方交会，以确定像点的地面坐标达到地形图测绘或制作正摄影像的目的。

集成传感器定向(Integrated Sensor Orientation，ISO)。就是将POS获取的定位定向参数，引入航空摄影测量区域网平差中，采用统一的数字模型和算法，以获得精确的影像外方位元素和立体测图控制点的地面坐标。

本文阐述的整个南宁市1∶2 000比例尺数字DOM项目的生产采用的是机载POS系统直接地理定位方法。

3 使用POS技术辅助制作南宁DOM及分析

3.1 基于POS外方位元素生成DOM的作业流程(图1)

图1 正射影像图生产流程

(1)自动空中三角测量

在VirtuoZo AAT里进行空三加密，实际作业时，整个项目划分成若干个分区来进行区域网量测。主要作业流程如下:

新建测区名，设置有关测区参数→引入相机参数文件→引入影像，进行影像格式转换→旋转影像→创建影像列表，设置重叠度、建立影像索引号→创建内定向文件→添加航带偏移点→自动转点→自动挑点→在“GPS+IMU”中导入影像外方位文件→检查像对的相对定向→保存测区文件。

①自动转点时，往往会出现自动相对定向、模型连接失败等问题。可采用人工增加连接点的方法处理。

②引入影像外方位文件时，影像列表的索引号名要与外方位文件中的image－no列一致。

(2)模型定向

空三结束后，先自动创建模型。然后，设置测区参数。修改DEM格网间隔、成图比例。

①相对定向

进入相对定向界面，进行自动相对定向，查看相对定向点并检查相对定向点的限差是否超限。定义左右影像的最大作业区，生成核线影像的范围。

②绝对定向

由于基于POS技术航空摄影已经提供了高精度的外方位元素，导入影像外方位文件后，缺省外业地面控制点和加密点，系统会自动提示采用影像的外方位元素生成模型的绝对定向。实际操作中，应注意:查看影像的外方位元素(X，Y，Z，φ，ω，K)是否导入正确。对影像外方位数据的检查，如果影像本身旋转过180°，影像对应的Kappa值是否已经增加一个π或减去一个π值。

(3)生成核线影像、影像匹配

完成了模型定向后，即可批处理生成核线影像和影像匹配。非水平核线重采样基于模型相对定向结果，生成的核线影像保持了原始影像同样的信息量和属性。当原始影像发生倾斜时，核线影像也会发生同样的倾斜。而水平核线重采样使用了绝对定向的结果，将核线置平。根据南宁的地貌特征及航飞情况，采用的是非水平核线。

对一些匹配困难的区域(如山脊、阴影遮盖处、居民区、水域等)可以先做匹配预处理，在模型中加测一些特征点、特征线或特征面辅助系统进行自动匹配，以获得更好的匹配结果。

(4)生成DEM

DEM是一定范围内规格网格点的平面坐标及其高程的数据集，主要描述区域内地貌形态的空间分布。且DEM是制作DOM的基础数据。

影像匹配后，根据匹配后产生的视差数据、定向处理后得到的结果参数以及设置的DEM参数等，自动建立模型的DEM。

(5)DEM拼接

DEM拼接区域大小可根据具体要求而定。在实际作业中，以项目成果要求的1∶2 000标准图幅的坐标为拼接区域。

拼接后将生成拼接精度对话框，其中显示了拼接的中误差、总点数和误差分布统计数据。拼接中误差值越小，拼接后的DEM越能真实反映地表起伏变化。如果出现红色的区域或者带状的较多，说明重叠区域内同一地方不同模型航摄角度不同，造成多个模型的DEM拼接时产生误差，进而导致生成的正射影像上地物拉伸及扭曲现象。针对这种情况，可编辑拼接后的DEM。

(6)DEM编辑

在DEMEditor编辑界面，导入拼接好的标准图幅的多模型DEM，并选择相关的立体模型，对DEM格网点编辑。对于不同地貌及地物，编辑方法如下:

①城区高层建筑物或大片相连房屋(如北湖片区万秀城中村)，在区域周边、区域内部能看到并切准地面的位置加量测点，并使用量测点内插功能。

②池塘、江河等大面积水域(如邕江)，先用测标切准水面，读取水面高程，然后选择该水域，使用定值平面功能直接指定高程值。

③高架桥梁或立交桥(如竹溪立交、邕江大桥等)，在桥面及桥底能看到并切准地面的位置加量测点，并使用DEM内插功能。

(7)影像纠正镶嵌

DEM编辑好后，可进行正摄影像的生成。在“正射影像制作”中导入编辑好的DEM及相关影像，设置生成正射影像区域、地面分辨率。自动进行影像纠正镶嵌处理。

(8)拼接处理

纠正镶嵌后生成的正射影像已能真实反映地貌形态，但由于同一地物不同影像航摄角度不同，且各个像对相对定向、绝对定向点的精度不同，拼接的地方产生拼接错位，采用正射影像修补模块来处理。为保证正射影像产品精度，修补时应注意:

①建筑物、居民地内的房屋的修补选用正射投影的影像修补，尽量避免倾斜或者拉伸的现象。

②农林地(如旱地、水田)地物的修补沿着田埂、地类分界线修补。

③道路的修补。尽量选择同一影像，或者延伸至转角、交叉、尽头处再修补。

(9)影像格式转换，色彩调整

修补后的正射影像.orl转化为后期便于色彩编辑及存储的Tif格式。

镶嵌后的正射影像并不能统一色彩问题。而云层，太阳照射角，像片扫描等因素对彩色影像的影响较大，往往造成同一张、相邻像片出现部分曝光过度或色彩失衡现象，因此，对Tif处理的方法为:

①采用影像匀光软件批处理能实现大范围影像色彩均匀一致，但容易造成色彩失真。

②匀光后再用Photoshop调色。调节影像的色彩平衡、饱和度及对比度，使影像符合自然色彩，满足视觉要求。

3.2 正射影像图的数学精度检查

对于正射影像图的数学精度检查，选用“利用矢量图检验法”，即利用2009年新修测的1∶1 000城北片区数字线划图DLG(为DWG格式)，叠加到相同图幅坐标的DOM上。将点坐标与DOM相应地物点坐标进行比较，计算检测点坐标差，并统计平面位置中误差。或DOM图上量测特征边线(如房屋边线、球场边线、田埂等)的边长，与相应DLG上的相同地物相比较，并统计中误差，从而生成正摄影像的数学精度报告。

在“利用矢量图检验法”具体实施中，采用抽样检验的方法，对检验样区随机选取18个明显地物点(如房角、电杆、墩柱、田埂、球场等)，并与DLG上的相应点位进行比较，进行平面位置点位坐标检查或边长检查，结果如表1所示。