一种便捷的历史影像制作方法

2015-05-08戴江鸥

测绘通报 2015年7期

关键词：射影中山市控制点

戴江鸥

(广东省国土资源技术中心，广东广州 510075)

一种便捷的历史影像制作方法

戴江鸥

(广东省国土资源技术中心，广东广州 510075)

目前基础测绘数据都要数字化处理后，在现代化存储设备入库存档，而历史资料依然是以纸质资料保存。本文介绍了利用历史资料、以IPS为平台制作历史影像的方法，方法简单，精度高，非常实用。成果既可以入库存储，也可以用于科研，有一定的推广应用价值。

参数录入；兴趣点；匹配；自由网整体平差；工作流

一、引言

在经济飞速发展的今天，数字正射影像的使用越来越广泛。与矢量线划图相比，正射影像图能更加直观明了地反映地形、地貌、地物特征，是建设数字城市、智慧城市的重要基础数据。

为了研究城市的变迁和发展，以及建设更加完善的数据库，业内人士已开始重视历史正射影像数据的制作和入库。但是几十年前的数据只有纸质资料，没有电子文档，而把它们制作成为现在通用的数据格式，对投入成本和成果精度都是相当大的考验。

本文以中山市1976年正射影像的制作为例，利用IPS软件，介绍一种切实可行的快捷方法，供业内人士参考。

二、技术路线

1.数据资料的分析与准备

目前可获得的中山市1976年影像的相关资料有设计书、航飞略图、加密略图、涤纶片、像片及控制点资料，均为纸质。

首先应从设计书上获取航摄比例尺、航高、相机焦距、像幅、飞行方向、航向重叠度、平面坐标系统、高程基准等重要信息，这些信息将作为影像处理的重要参数；按照IPS软件认可的形式将上述参数录入照相机文件*.cam。

其次分析加密略图及加密成果打印纸带，读取中山市范围内的航片号、地面控制点点号及坐标信息，在电脑上录入地面控制点点号及坐标信息，制作并存储成为IPS软件认可的地面控制点文件*.csv。

最后，将航片扫描成为电子数据，从设计书得知航向重叠高于90%，故扫描时无须挨片号，可间隔3～4张片，以减少工作量。本次中山市航片像幅为23 cm×23 cm，扫描仪扫描分辨率为25 μm，扫描影像分辨率约为1 m，每幅影像都是8481行×8481列。

扫描航片使用时需要像主点坐标文件，现有的资料无法提供。根据航摄比例尺、航高、像幅可以分析出，一张航片面积基本可以涵盖一幅1∶1万标准分幅面积；根据航飞略图可以分析出航片与图幅的相对位置，因此可以在航片与图幅之间建立一种假设的关系，以图幅的几何中心点坐标代替此处航片的像主点坐标。又根据航片的扫描间隔，东西图廓边的中心点也作为该处航片的像主点坐标，当然，这样只是模拟航片的相对位置，是一个粗略的近似值，在下一步处理期间，这些值的精度将随着算法得到改善和优化。像主点坐标也应录入并存储为IPS可识别的格式*.gps，注意录入的像主点号应与扫描航片片号完全一致。扫描航片像主点与图幅相对关系如图1所示。

图1 扫描航片像主点与图幅相对关系

2.空三加密

首先要进行航片的内定向，一般的数字摄影测量软件都可以完成；然后在IPS导入内定向后的航片及照相机文件*.cam、*.gps文件，建立工程文件，进入空三加密过程，这是制作历史正射影像最关键的一步。工作流程如图2所示。

图2 空三加密流程

IPS用户界面由3个完全同步的视窗组成，分别为Data Window(数据窗口，如图3所示)、Geo Viewer(地理观察器，如图4所示)、Image Viewer(影像观察器，如图5所示)。3个窗口各有特点，操作方便。

图3 Data Window(数据窗口)

IPS软件匹配创新性地使用影像点矢量表示法，在影像内部寻找“兴趣点”，即影像内与其周围显著不同的点，如图4窗口显示的小圆圈，图3窗口上方表格中同步显示了兴趣点坐标信息。

图4 Geo Viewer(地理观察器)

图5 Image Viewer(影像观察器)

初始匹配后，应用几何滤波忽略异常值，仅选择那些对区域稳定性具有最高价值的点。匹配处理之后，每个像对间的绝大部分连接应该超过3个兴趣点，图4窗口中显示了不同粗细的线条，每条线表示其连接的影像间存在兴趣点，每条线的粗细表示连接点的数量。像对兴趣点匹配程度可以参考左侧内容列表中的关于像对兴趣点匹配程度的Connections图解。

本次中山市151幅航片共匹配出13 133个兴趣点，从数量上和平均分布密度上来看，这个结果是比较理想的。但是在图4窗口中可以看到依然存在个别兴趣点少于3个点或根本没有连接的像对，故需要在这些像对区域选择兴趣点或直接人工添加兴趣点。在图5窗口进行编辑，直至每个像对间的连接超过3个兴趣点。然后在图3窗口上方表格中将残差进行排序，选择残差大的兴趣点，此点会同步在图4窗口中高亮显示，在图5窗口中同时将显示与之相关的所有航片及兴趣点近似位置，用刺点工具微调，保证每张航片的兴趣点刺在同一位置；与此同时，图3窗口下方表格中也将同步显示每张相关航片的匹配的残差值。这一作业过程是要将残差值尽量降低，以保证兴趣点坐标的精度，将光束法平差中任何可能的问题最小化。

本次中山市的航片由于年代久远，扫描质量不是很理想，造成残差值略偏高，因此必须增加地面控制点以改进，这样也是为了增强光束法平差处理并获得影像中心更好的地面坐标。首先导入地面控制点文件*.csv，再用放大镜观测涤纶片上的刺点，然后使用图5影像观察器在每幅影像上通过视觉识别进行控制点刺点，控制点应分布均匀。本次中山市共增加了56个控制点，残差值得到了很好的控制。

上述步骤完成后，进入自由网整体平差计算，IPS光束法平差算法是利用已有的兴趣点及地面控制点进行外方位元素的数学计算，采用的是非线性最小二乘参数平差迭代算法，多次迭代，直至Pixel RMS(自由网整体平差精度)收敛值不再变化。算法对初始参数值精度依赖程度较大，初始参数值精度高，迭代收敛性效果就好，这也解释了为什么前面的步骤中要不断地降低残差值。若收敛值没有达到所需的Pixel RMS，需要返回上一步骤，改进兴趣点或地面控制点进行追加解算迭代；若收敛值达到所需Pixel RMS，说明模型的内在统一性很好，可以进行DTM的输出，为正射影像的制作准备数据。

图6是中山市1976年航片空三加密平差计算的最终结果，Pixel RMS为1.195个像素，与现在数码航片平差计算的结果相比，这个值不是很理想。但是历史影像从当年航飞、晒印，再到现在扫描，即使不考虑技术先进与落后，仅获取过程已经比数码航片多了产生多种误差的可能；而且中山市的数据在加密过程中受到涤纶片控制点精度和点位不清等影响，无法获得更高精度的平差结果。因此，在不影响最终使用的前提下，可以适当地微调精度。

图6 自由网整体平差精度

3.正射影像的制作

使用内定向后的影像、*.gps文件、DTM和Orthorectify模块进行正射纠正，然后对纠正后的正射影像使用Stitch模块进行镶嵌。在运行镶嵌之前应注意参数的设置及镶嵌线的规划，以保证得到高质量的正射影像成果。

IPS可以选择模块设计工作流以达到快速处理的目的。该步骤如无手动干预,可以设计成为“Orthorectify+Stitch”的工作流，让软件自行运转，省去了步骤转换的麻烦，提高了工作效率。

4.成果质量控制处理

正射影像成果的检查和修改是在CeoClipboad用户界面中进行的，这个界面可以同时加载DTM和正射影像，在检查影像的同时，及时校正镶嵌错误及DTM变形。而且，对于任何区域，可以加载多幅正射影像作为可选数据源，窗口可以显示每幅正射影像的预览，方便用户选用质量最好的一幅。相比较Photoshop因无法坐标定位、用户需花费大量时间手动查找重叠的正射影像后再对变形位置进行修补的缺点，CeoClipboad有明显的优势。