一种利用历史DLG数据辅助优化数字正射影像镶嵌线生成的方法

汤竞煌，张　望

(湖南省第三测绘院，湖南 长沙 410007)



一种利用历史DLG数据辅助优化数字正射影像镶嵌线生成的方法

汤竞煌，张望

(湖南省第三测绘院，湖南 长沙 410007)

为了提升大面积数字正射影像图生产的效率，介绍了一种利用历史DLG数据辅助优化数字正射影像镶嵌线生成的方法，通过对DLG数据处理，提取出区域具有地物的面层，生成避让区域，在此基础上再考虑镶嵌线尽可能穿过原始DLG中较少的面及色差较小的区域，使用贪婪蛇模型算法实现了优化镶嵌线的生成。通过生产试验，证明了该方法可部分减少镶嵌线编辑的工作量。

数字正射影像(DOM)；镶嵌线；避让面；贪婪蛇型算法

镶嵌线生成与编辑是数字正射影像(DOM)生产过程中的重要步骤之一，为保证DOM成果的质量，工程项目中对于镶嵌线一般有以下两个要求：①镶嵌线两侧待拼接的影像区域没有明显的色差，颜色过渡应自然；②镶嵌线不允许穿过地物。在实际项目的生产过程中，初始的镶嵌线往往是由软件自动生成的，当前国内外生产DOM的软件在特征点匹配、粗差点剔除等工序上自动化程度已经相当高，但是对于镶嵌线的优化一直难以满足项目质量的要求，生产过程中人工对镶嵌线的编辑占据着很大的工作量。对于镶嵌线生成进行优化，减少人工干预的工作量对于工程项目生产效率的提升有重要意义。

当前镶嵌线优化有很多种思路和方法，国内外学者对此已进行过不少研究。文献[1]从色差角度上对镶嵌线进行优化，使得镶嵌线避开色差较大的区域，但是不能保证镶嵌线穿过地物。文献[2]采用接缝线网格自动生成和优化，在多重叠的区域使得镶嵌线生成数量最少，且能避开显著的色差区域，但是同样没有考虑地物的避让，同时对于大面积数据效率较低。文献[3]利用微分纠正影像视差图强化影像差异区域，有效地优化了镶嵌线的质量，但是对于模型本身的质量要求较高，同时对于地面高度较低的地物判断不明显。文献[4]通过投影差对重叠区域进行差异表达之后进行Dijkstra最短路径搜索形成镶嵌线，但效率较低且在大面积密集建筑区效果较差。文献[5—6]分别利用了DSM和LiDAR数据生成了包含地物(主要为建筑物)的避让区域，使得镶嵌线不穿过大部分地物，但是需要外部数据的支持。

在开展大面积数字正射影像生产的项目中,考虑到生产区域内有不同项目来源的历史DLG数据,且现势性良好(一般为3年以内)，本文提出一种利用历史DLG数据优化镶嵌线生成的方法，通过对历史DLG数据处理形成包含地物的避让区域，同时提取历史DLG所有的面层数据。在此基础上使用贪婪蛇模型算法，以镶嵌线不穿过避让区域、尽可能少地穿过不同的DLG面层、两侧影像色差最小3个约束条件生成镶嵌线。对比软件自动生成的镶嵌线，此方法的成果得到优化，减少了人工编辑的工作量。

一、避让面生成

1. 基本思路

文献[5—6]本质上是利用匹配生成的DSM数据或外部获取的LiDAR点云数据进行一系列分析、计算、处理得到包含建筑物的地面区域，从而使得镶嵌线生成时避让这些区域。考虑到生产单位如果已经具有涵盖生产区域内的建筑物信息，利用这些信息直接生成避让面是可行的思路。

该方法通过对历史DLG数据进行分析，提取出点、线层的地物数据进行缓冲区构面，同时提取面状地物层，重点检查房屋层矢量采集方法。将构成面与提取面合并，并考虑不同地物在镶嵌线生成时对其的影响，最终形成避让面。基本思路如图1所示。

图1　避让面生成思路

2. 数据分析

历史DLG数据处理的目的是将DLG上所有地物提取出来，以面层的形式形成避让区域，为后续镶嵌线的生成提供约束条件。由于项目来源不同，对于历史DLG数据，参照其生产技术设计书，以《基础地理信息要素分类与编码》(GB/T 13923—2006)为依据，以水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质8个大类进行分析，其中管线、境界与政区、地貌、植被与土质5个层一般不包含人工地物，可以不进行提取。

历史DLG数据来源于不同的项目并且在生产过程中具有不同的采集要求，逐层分析方法如下：

1) 水系层：水系层主要为河流、沟渠、水库、湖泊。其特点是不同的影像之间极易出现色差，属于镶嵌线应该避让区域，其中以点、线表示的水系要素建立缓冲区进行构面，缓冲区大小根据历史数据采集要求而定，构面以实际水崖线为准。

2) 居民地与设施层：房屋层为明显建筑物，可以直接生成避让面，考虑到投影差的影像，必须检查立体采集方式生产的房屋是否进行了房檐改正。对所有点、线状地物建立缓冲区构面。

3) 交通层：交通层主要为公路和铁路，为DOM数据中的重要区域。由于其高程的连续性，对于纠正后正射影像精度极其敏感，纠正的误差极易造成镶嵌时的错位和扭曲现象，且道路一般贯穿整个区域，镶嵌线生成应尽量避免穿过交通层且应尽量垂直穿过。

3. 构面及检查处理

交通层和水系层中地物具有贯穿整个区域的特点，镶嵌线应尽量避免穿过；居民地与设施层为明显地物，并且不会连续贯穿整个区域，镶嵌线应避免穿过。将构面后的居民地与设施层设为A类避让面，构面后的交通层与水系层设为B类避让面。

考虑到DLG的现势性，避让面生成后必须进行检查。将两类避让面分别与未拼接的DOM叠置检查，通过目视判断在避让面上删除地物变化区域，得到最终的避让面,所有面数据统一转换为SHP格式，方便后续处理。

二、基于贪婪蛇算法的镶嵌线生成

1. 算法起源及思路

贪婪蛇算法源于一种名为贪婪蛇的益智游戏，游戏中玩家操作一条蛇(线型对象)在上下左右四周寻找食物进行吞噬，每吞噬一颗食物，蛇会就变长，直至无食物吞噬或蛇的长度占据所有空间，游戏结束。

本文使用的镶嵌线生成思路与上述游戏类似，首先在镶嵌区域(即DOM重叠区域)固定镶嵌线的起点和终点，起点和终点选择重叠区域中心线的两个端点。叠加历史DLG数据所有的面层。连接起点和终点确定矢量，从起点开始，通过固定步距画圆，在圆内固定搜索角度θ，然后以向量方向为初始位置每隔θ生成一条搜索线，在所有的线上找到最优的位置点，再以此位置作为起点重复上述步骤，直到画的圆包含终点，结束算法，所有点连接而成即为生成的镶嵌线。

为综合考虑镶嵌线的质量，最优的位置点应该满足以下5个条件：①不在A类避让面内；②尽可能不在B类避让面内；③尽可能较少通过原始DLG中不同的面层；④镶嵌对象的DOM色差较小；⑤距离终点尽可能近。

2. 算法过程

设定起点为S(x,y),终点为T(x,y)。确定搜索步距，在步距形成的圆内找到最优的位置点，重复搜索过程逐个确定最佳中间点，直到终点落入步距形成的圆中，结束算法。具体步骤如下：

1) 确定镶嵌线生成的区域范围，在两端确定起点S(x,y)和终点T(x，y)。

3) 在记录的所有点中确定最优点。最优点必须满足条件①，根据具体区域对另外4个条件进行定权，初始权值设置为相等，依据数据具体情况，权值可以分别设定。为保证镶嵌线能找到终点，条件⑤的权限设为动态且与距离正相关。计算每个点的得分值，确定最优点Di，转存为镶嵌线生成点Si，并计算Si点与终点T的距离。如果所有点皆不满足条件①，此次搜索扩大半径L,直到满足条件①。

4) 以Si为起点重复步骤2)，直到Si点与终点T的距离小于步距L，算法结束。

将所有镶嵌线生成点连接成线，即得到优化生成的镶嵌线。

3. 算法效果

以上数据处理使用C#语言在Visual Studio平台上实现，最终输出镶嵌线成果以SHP格式存储，方便导入数据处理软件进行项目的镶嵌步骤。以某实际生产项目为例，项目区域范围为30 km2，使用无人机搭载佳能5D Mark II相机进行航摄，航摄相片3512张，为典型的无人机数字正射影像生产项目，小相幅的特点使得镶嵌线人工编辑占据极大的工作量，航摄时间为2015年11月，本区域具备2013年5月生产的DLG数据。

图2为软件自动生成镶嵌线，可以看出软件为了提升效率对于镶嵌线基本没作优化处理。图3为使用本文方法生成的镶嵌线，可以看出相对于软件自动生成的镶嵌线已经有了较大的优化。图4为仅考虑避让面生成的效果图，可以看出对于地物尤其是房屋有一定的避让效果，但是仍有50%以上穿过建筑物，且在道路区有多次不必要的穿过。图5为使用本文算法综合考虑设置权值之后得出的镶嵌线成果，可以看出镶嵌线明显避开了房屋密集区域，对于道路也实现了尽可能少的穿过次数。图6、图7分别为自动生成局部图及本文算法生成局部图。

图2　软件自动镶嵌线　　　图3　本文方法生镶嵌线

图4　仅考虑避让面效果　　图5　综合考虑条件效果

图6　自动生成局部　　　图7　本文算法生成局部

三、结束语

本文通过历史DLG数据提取出地物避让区域优化镶嵌线的生成，对于后续的人工编辑减少了一定的工作量，提升了生产效率，但是还有需要改进的地方。首先，历史DLG中的地物信息随着时间存在一定的变化，这对于避让区域的质量造成了影响；其次，本算法仅考虑镶嵌线对于地物区域的避让，且对于算法中其他条件的权值设置没有进行深入研究，对于软件自动生成用于纠正的DTM数据和DEM数据也没有充分使用。在实际项目生产中，对于镶嵌线的优化有很多可以参考和利用的信息，目前尚无一种方法对于所有的信息充分进行利用，如何最大化地综合地利用这些信息优化方法将是下一步研究的重点。

[1]KEPSCHNER M. Twin Snakes for Determining Seam Lines in Orthoimage Mosaicking [J].International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,2000,33(4);454-461.

[2]潘俊,王密,李德仁.接缝线网格的自动生成及优化方法[J].测绘学报，2010,39(3);289-294.

[3]袁修孝,段梦梦,曹金山.正射影像镶嵌线自动搜索的视差图算法[J].测绘学报,2015,44(8);877-833.

[4]袁胜古,王密,潘俊,等.航空影像接缝线的分水岭分割优化算法[J].测绘学报,2015,44(10)；1108-1116.

[5]左志权,张祖勋,张剑清,等.DSM辅助下城区大比例尺正射影像镶嵌线智能检测[J].测绘学报,2011,40(1);84-89.

[6]孙杰,马洪超,汤璇.机载LIDAR正射影像镶嵌线智能优化研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2011,36(3);325-328.

[7]国家测绘局.基础地理信息要素分类与代码：GB/T 13923—2006[S].北京：测绘出版社，2006.

A Method of Using Historical DLG Data to Optimize Seam Line in Orthophoto Mosaicing

TANG Jinghuang，ZHANG Wang

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0260.

2016-04-17

汤竞煌(1979—)，男，高级工程师，主要从事测绘地理信息技术研究工作。E-mail：178087793@qq.com

P237

B

0494-0911(2016)08-0074-03

引文格式：汤竞煌，张望.一种利用历史DLG数据辅助优化数字正射影像镶嵌线生成的方法[J].测绘通报，2016(8)：74-76.