INPHO软件进行带状测区数码影像的POS辅助空三加密方法探讨

2015-03-16杨希

铁道勘察 2015年2期

关键词：数码影像空三连接点

杨　希

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

Discussion on the POS-Assisted Aerial Triangulation Method of Digital Images in Banded Area Based INPHO

YANG Xi

INPHO软件进行带状测区数码影像的POS辅助空三加密方法探讨

杨希

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

Discussion on the POS-Assisted Aerial Triangulation Method of Digital Images in Banded Area Based INPHO

YANG Xi

摘要以含POS信息的带状测区数码影像为数据源，对应用INPHO软件进行空三加密的流程和方法进行探讨。通过多测段数据的POS辅助空三加密处理，从数码影像预处理、外控点量测顺序、加密点预量测、模型连接点精度检查及调整和POS数据的有效引入等方面进行实验研究，总结出相应的处理流程和方法技巧，快速高效地完成空三加密处理，并有效保证空三加密的精度。

关键词空三加密POS数据数码影像INPHO软件

空三加密是摄影测量内业测图和数字产品生成的第一道工序，其核心内容是以相片上的像点坐标为依据，用摄影测量的方法解求测区中所有影像的外方位元素，并基于摄影过程的几何反转，重建可量测的几何立体模型，然后解求出地面点的空间坐标[1，2]。POS机载定位定向系统是基于全球导航卫星定位系统GNSS和惯性导航测量装置IMU直接测定影像外方位元素的现代航空摄影导航系统[1]，由GNSS定位技术获取航摄仪的位置参数，由IMU测定其姿态参数，通过差分技术联合平差解算后，获得摄影时各影像的外方位元素，实现无地面控制或仅有少量地面控制点的地面定位[4-8]。当前的摄影测量系统已逐步实现全数字摄影测量的处理模式，即将POS信息辅助到摄影测量处理中，利用模式识别技术和影像匹配等技术，辅以少量的人工交互控制，实现半自动/全自动的空三加密。

INPHO是由德国测绘学家Ackermann教授创立和研发的数字摄影测量系统，用于空三加密处理的模块为MATCH-AT，该模块采用光束法区域网平差模型进行平差解算，其自动匹配技术精度高[3，10]，在POS信息的辅助下可有效实现模型连接点的自动匹配和初步定位。

以武汉至襄阳、十堰铁路带状测区的部分数码影像数据为例，使用INPHO软件进行带状测区数码影像POS辅助空三加密处理，探讨和研究空三加密的方法和技巧。

1INPHO软件数码影像的POS辅助空三加密流程

资料准备：包括数码影像及其相机文件，POS数据(各影像的初始外方位元素：X，Y，Z，Omega，Phi，Kappa)，外业控制点数据及其点之记。

创建工程：主要包括输入相机文件参数、数码影像、POS数据、外业控制点数据、测区航带strip建立等。

相机参数的像平面坐标系统设置将直接影响航线连接，当航线影像连接不正确时，应在此处修改航线方向(4个方向)，调整像平面坐标系统。

影像预处理：主要包括金字塔影像生成、影像增强处理等。

对于数码影像来说，内定向是在影像相机文件参数设置后自动完成的，不需进行内定向处理；但对框幅式影像，需要至少设定一张影像的框标模板，然后再以该模板进行其他影像的自动内定向，并进行检查。

自动匹配模型连接点：在POS信息的辅助下，根据模式识别技术和多像影像匹配等技术，在左右影像中匹配同名像点。

外业控制点量测：主要有左右片量测同名像点和立体量测的两种方式。

测区立体模型计算及平差处理：根据设置的平差参数进行光束法区域网平差计算；

精度检查：主要包括模型连接点质量检查和控制点残差检查，经过调整处理满足精度要求后，导出平差计算和精度统计报告。

INPHO软件空三加密流程如图1所示。

图1　INPHO软件空三加密流程

2数据实验及方法探讨

数码影像为RCD30相机拍摄，相机焦距为53 mm，像幅为9 000×6 732，像元大小为6 μ，影像清晰，整体曝光均匀，但个别影像存在色差和亮度不均；POS数据主要采用差分技术经过联合平差计算获得，并通过坐标转换和高程拟合后生成国家2000坐标系中的数据成果，其整体精度好；外控成果主要由GPS测量和差分解算获得，其坐标系统与POS数据一致，点之记清楚易读，存有电子档和纸质版。

2.1　影像预处理操作

影像金字塔主要在像片放大和空三加密中的迭代过程中应用(无影像金字塔会提示错误)[10]。在INPHO软件中支持外部金字塔和内部金字塔两种模式，外部金字塔单独存储为*.pyr文件格式，内部金字塔存储于原始影像中，将会改变原始影像，因此需要提前对原始影像进行备份，但其兼容性和处理速度高于外部金字塔模式。为便于将测区立体模型导入到航天远景MapMatrix立体测图软件中进行后续的立体量测，对所有影像都进行内部金字塔处理。

拍摄时，由于曝光和环境因素的影响，可能会造成影像色调不均、明暗度不均等，需要对个别影像进行增强处理，以保证整个测区的影像质量均衡。在INPHO软件中主要由ImageCommander模块的RadioMetix工具来实现影像的亮度、灰度和对比度增强等处理。对影像进行增强处理，有利于模型连接点的自动匹配，并且能有效地促进后续的DOM生产(如图2、图3所示)。

图2　影像增强处理操作

图3　影像增强处理示例

2.2　外控点量测顺序及加密点预量测

进行空三加密处理时，可在模型连接点自动匹配之前，手动量测测区范围四角位置的控制点，用于辅助模型连接点的自动匹配；若无控制点数据，亦可在测区范围的四角位置手动量测四组加密点(如图4所示)。

在未进行模型连接点匹配前，仅基于POS信息的辅助可构建出测区整体的基本模型，但立体像对可能存在视差，因此具体的量测操作宜采用左右片量测同名像点的方式进行。通过提前量测四角控制点或加密点后再自动匹配模型连接点，可以有效地减少模型连接点的误匹配。

图4　手动量测加密点/控制点示意

在完成测区模型连接点的自动匹配后，需要对这类手动量测的控制点或连接点采用立体量测的方式进行检查和核实，同时完成整个测区所有控制点的立体量测。

2.3　模型连接点精度检查

通过自动匹配处理后，可获得大量的模型连接点，需要对它们进行质量和精度检查。首先可通过空三结果精度统计文件来查看模型连接点的残差分布，剔除残差过大的模型连接点，然后回到INPHO软件的photo measure tool模块中进行模型连接点的分布和强度检查(如图5、图6所示)。

图5　模型连接点分布示意

图6　模型连接点强度示意

通过模型连接点的分布和强度检查后，会发现连接点空洞，因此需要在连接点空洞处以立体量测的方式手动增加连接点，补足空洞，以增强测区模型的稳定性和系统性(如图7所示)。

图7　手动补足模型连接点空洞示意

2.4　POS数据的有效引入

在进行模型连接点的自动匹配和空三平差计算时，有效地利用POS信息的GNSS和IMU数据可以保证控制点的量测精度和模型连接点的精确匹配。

在进行模型连接点的自动匹配和空三平差后处理计算时，一般情况下都应采用GNSS和IMU数据，同时针对IMU数据还应计算视准轴偏差值(“Compute boresight misalignment angles”)。

在INPHO软件中，GNSS和IMU的精度是采用经验定权法[9]以标准差(Standard Deviation)指标来衡量的。针对不同精度的GNSS和IMU数据，可以通过设定其标准差值来控制它们对空三加密平差计算的权重。软件中设定了默认的标准差值(GNSS均为0.1 m，IMU均为0.008度)，在空三平差后处理计算时，可根据具体的情况和外控点的精度，适当地调整GNSS和IMU的标准差值，以保证空三加密的精度，如GNSS设为0.2 m，IMU设为0.001度。

3结论

以武汉至襄阳、十堰铁路带状测区多个测段的数码影像为依托，在POS信息的辅助下，采用INPHO软件进行空三加密处理。通过多个航带数据的处理操作，探讨和总结出采用INPHO软件对带状测区数码影像进行POS辅助空三加密的四点方法和技巧：

①为保证与后续的立体测图系统无缝连接，影像金字塔宜采用内部金字塔模式，并提前对原始影像进行备份。针对个别色调和亮度不均的影像，还应进行亮度、灰度和对比度增强处理，以保证整个测区影像质量均衡。

②在进行模型连接点自动匹配前，应在测区四角范围，以左右片量测同名像点的方式手动量测四个控制点或四组加密点，可有效减少模型连接点的误匹配。

③对模型连接点的分布图和强度图进行检查，在模型连接点空洞处，以立体量测的方式手动增加模型连接点，增强测区模型的稳定性和系统性。

④POS信息的GNSS和IMU数据在进行模型连接点的自动匹配和空三平差后处理计算时都应采用，其精度一般可采用INPHO系统默认的标准差值，同时还应计算IMU视准轴偏差值；其次，在进行空三平差后处理计算时，为保证外控点的平差精度，可适当地调整GNSS和IMU的标准差值，以增强或减弱POS信息对平差计算的权重，获得满足精度要求的空三加密成果。

参考文献

[1]张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2003

[2]张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，1997

[3]胡海友.基于Inpho的空三加密及正射影像制作方法研究[J].铁道勘察，2013(6)

[4]刘江瑜.基于新型传感器的空三加密研究及精度分析[J].铁道勘察，2013(2)

[5]杨少文.IMU/DGPS辅助航空摄影新技术在铁路勘测中的应用[J].铁道勘察，2011(5)

[6]张丽，周琦.结合LIDAR和RCD相机的1∶2 000地形图生产探讨[J].铁道勘察，2012(6)

[7]杨莉.POS辅助下Inpho软件空三加密研究及精度分析[J].创新科技导报，2013(11)

[8]龙海奎，曾庆友，吴珊.POS系统在空三加密中的应用与分析[J].城市勘测，2011(5)

[9]鲁艺玲.POS辅助空中三角测量中的定权研究[D].成都:西南交通大学，2013

中图分类号：P231.4； P228.4； P227.9

文献标识码：A