答星，李瓊，孟泉毅

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

基于DPGrid進(jìn)行城市大比例尺正射影像生產(chǎn)的若干問題思考

答星?，李瓊，孟泉毅

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

首先介紹DPGrid軟件在正射影像快速成圖方面的優(yōu)勢(shì)，通過結(jié)合武漢市主城區(qū)大比例尺影像快速生產(chǎn)更新的任務(wù)要求，以DPGrid軟件在城市1∶2 000正射影像生產(chǎn)過程中遇到的若干問題進(jìn)行思考與闡述。

DPGrid；大比例尺；正射影像

1 研究背景

2007年12月，國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)武漢城市圈成為“全國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)”綜合配套改革實(shí)驗(yàn)區(qū)，武漢作為“1＋8”城市圈的核心主體，在城市建設(shè)、綜合交通、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展日新月異。我院作為承擔(dān)武漢市“十一五”基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)的城市勘測(cè)單位，利用數(shù)碼航空影像進(jìn)行正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)已成為服務(wù)當(dāng)前城市建設(shè)發(fā)展的重要手段之一。為了提高城市大比例尺正射影像成圖的生產(chǎn)效率，我院與武漢大學(xué)DPGrid軟件團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合主城區(qū)約1 000 km21∶2 000正射影像的生產(chǎn)任務(wù)，進(jìn)行了一次大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)生產(chǎn)過程中的若干問題探索，有利于完善DPGrid軟件在大比例尺城區(qū)正射影像快速生產(chǎn)方面的應(yīng)用。

DPGrid(Digital Photogrammetry Grid)是武漢大學(xué)基于多年來(lái)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方面的研究成果，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理技術(shù)結(jié)合，研究開發(fā)的一套高性能的新一代航空航天數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理平臺(tái)[1]。DPGrid系統(tǒng)將自動(dòng)化與“人機(jī)交互”完全分開，利用分布式計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量航空攝影數(shù)據(jù)的全自動(dòng)處理。該系統(tǒng)主要包括:高性能遙感影像自動(dòng)處理系統(tǒng)DPGrid.core和基于網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫測(cè)圖系統(tǒng)DPGrid.SLM(Seamless Mapping)。本文主要結(jié)合DPGrid的高性能遙感影像自動(dòng)處理系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺城區(qū)正射影像圖單片糾正、勻色處理、智能鑲嵌及自動(dòng)成圖等生產(chǎn)工序。

2 工程任務(wù)簡(jiǎn)介

本次航攝區(qū)域以武漢市中環(huán)線為主體，外擴(kuò)部分重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域約1 000 km2，所采用的航拍傳感器是由美國(guó)Intergraph公司與德國(guó)Carl Zeiss公司合作生產(chǎn)的數(shù)字航空攝影儀(Digital Mapping Camera)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2009年6月～9月。該區(qū)域地形受江湖的自然分割，因此目標(biāo)區(qū)域被分割成6個(gè)區(qū)域，如圖1所示，約1 800像對(duì)，擬作0.2 m分辨率正射影像。

圖1 目標(biāo)區(qū)域示意圖

2.1 DPGrid正射影像制作流程

為了更為直接地檢驗(yàn)DPGrid在勻色和智能拼接方面的優(yōu)勢(shì)，我們直接引入Intergraph ssk系統(tǒng)生成的原始影像空三加密成果以及該區(qū)域的歷史DEM數(shù)據(jù)。本次生產(chǎn)硬件方面采用1臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器加4臺(tái)刀片計(jì)算機(jī)組成，通過千兆網(wǎng)互聯(lián)。存儲(chǔ)服務(wù)器儲(chǔ)存原始影像數(shù)據(jù)及中間運(yùn)算結(jié)果，利用DPGrid軟件的Orthomaker模塊做相應(yīng)的生產(chǎn)流程參數(shù)設(shè)置后，將自動(dòng)分配計(jì)算任務(wù)到刀片計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分布式并行計(jì)算處理。整個(gè)流程依次包括原始影像單片勻色、單片正射糾正、智能拼接、后期修正、圖符裁切等工序。具體制作流程如圖2所示。

圖2 DPGrid正射影像制作流程圖

3 DPGrid在大比例尺正攝影像快速成圖中的若干問題思考

DPGrid軟件目前在制作1∶10 000正射影像圖方面已經(jīng)達(dá)到相應(yīng)的精度要求，同時(shí)也有小范圍1∶2 000成圖經(jīng)驗(yàn)。因而，本次生產(chǎn)旨在少量人工干預(yù)情況下，利用其海量數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、智能拼接等技術(shù)特點(diǎn)，大幅縮短正射影像生產(chǎn)周期。眾所周知，城市大比例尺正射影像生產(chǎn)過程中，海量的數(shù)據(jù)組織、影像勻光勻色、鑲嵌方法的選擇、后期編輯檢查等問題均直接影響數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量和效率。通過為期2個(gè)月的摸索及實(shí)踐，筆者總結(jié)了利用DPGrid軟件進(jìn)行正射影像生產(chǎn)時(shí)存在的一些問題及如下思考。

3.1 分布式并行處理系統(tǒng)可有效利用計(jì)算機(jī)資源

本次工程所配置的并行處理系統(tǒng)由4臺(tái)刀片服務(wù)器與1臺(tái)磁盤陣列服務(wù)器構(gòu)成，它們之間利用消息傳遞編程模型實(shí)現(xiàn)并行程序設(shè)計(jì)。通過在磁盤陣列服務(wù)器端設(shè)置工程任務(wù)及配置節(jié)點(diǎn)刀片機(jī)的通信互通后，磁盤服務(wù)器將根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)分解及分配工作，并可動(dòng)態(tài)監(jiān)視各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況[2]。該模式不僅能減少以往生產(chǎn)過程中因上傳下載而產(chǎn)生的大量冗余數(shù)據(jù)，保護(hù)影像數(shù)據(jù)的安全，而且能夠有效調(diào)用我院現(xiàn)有服務(wù)器、磁盤陣列、局域網(wǎng)架構(gòu)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等資源，將閑散的計(jì)算機(jī)資源作為格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速構(gòu)建一個(gè)分布式并行運(yùn)行架構(gòu)，進(jìn)行大規(guī)模的影像數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)。

3.2 勻光勻色需考慮大范圍水域的影響

DPGrid軟件采用基于頻率域的比值法進(jìn)行單片勻光，該算法可有效的調(diào)整原始影像上亮度分布不均的問題，并能保留地物反差細(xì)節(jié)。影像間的勻色采用最小二乘平差方法，該方法根據(jù)勻光后正射影像的重疊區(qū)域應(yīng)具有相同(或相近)的色調(diào)的基本要求，統(tǒng)計(jì)參數(shù)，然后整體平差從而解算每幅影像的調(diào)整參數(shù)，使影像之間的色調(diào)差異取得整體意義上的最小二乘值。該方法能可以有效保持地物的特征信息，避免勻色后出現(xiàn)的色差問題[3]。但本次實(shí)驗(yàn)過程中，由于測(cè)區(qū)內(nèi)水域面積大、強(qiáng)反光偏色現(xiàn)象嚴(yán)重，因此重疊區(qū)統(tǒng)計(jì)值易受大面積水域干擾，使得城建區(qū)域勻色后效果明顯優(yōu)于水域附近影像。因此筆者建議DPGrid軟件可以進(jìn)一步考慮利用已有的水域邊界矢量數(shù)據(jù)線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)區(qū)域的排除，或利用空三成果中加密點(diǎn)作為最小二乘平差方法的取樣點(diǎn)進(jìn)行勻色參數(shù)的初始值，從而減小大面積水域?qū)蛏挠绊憽?/p>

3.3 “蟻群算法”智能鑲嵌算法在大比例成圖方面仍需改進(jìn)

DPGrid軟件采用“蟻群算法”進(jìn)行影像智能鑲嵌，相較我院以往采用全人工選節(jié)點(diǎn)鑲嵌模式，大幅縮短了影像鑲嵌時(shí)間。該算法基于正射影像的重疊區(qū)域的差值，繞開因投影差或顏色差異較大的區(qū)域，利用“蟻群算法”的正反饋，通過多次循環(huán)直到路徑收斂[4]。通過本次工程檢驗(yàn)，該算法基本能解決城郊結(jié)合區(qū)域的鑲嵌問題，在城區(qū)中若初始點(diǎn)位落入相對(duì)筆直道路區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過迭代計(jì)算也能求解出較好的結(jié)果。但在房屋投影差過大、街道彎曲狹窄、大面積密集房屋等區(qū)域內(nèi)，“蟻群算法”因其初始點(diǎn)位的選擇及路徑收斂權(quán)值設(shè)置等因素影響，會(huì)出現(xiàn)在預(yù)定的迭代次數(shù)后仍無(wú)法選擇出較好的鑲嵌線。因而筆者建議，可以考慮利用已有的路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行最優(yōu)路徑的預(yù)判斷，然后再利用“蟻群算法”的色差檢驗(yàn)特性進(jìn)一步逐點(diǎn)修正該路徑，以便有效繞開投影差較大的區(qū)域，獲得更好的鑲嵌效果。

3.4 影像數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)多人修改

DPGrid軟件為支持大測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)的整體正射鑲嵌處理，定義了64位邏輯尋址的文件格式(?.bbi)，并支持正射影像的實(shí)時(shí)漫游瀏覽與縮放功能[3]。本次工程中最大面積的測(cè)區(qū)經(jīng)鑲嵌后數(shù)據(jù)量高達(dá)50 GB，依靠BBI數(shù)據(jù)格式所建立的多級(jí)影像金字塔，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶機(jī)端能夠高效的訪問同一區(qū)域的拼接結(jié)果，以便對(duì)鑲嵌線進(jìn)行必要的修改。修改的區(qū)域包括DEM更新區(qū)域、低矮房屋密集區(qū)域、鑲嵌線穿越高層建筑區(qū)域、水域山體等投影差較大的區(qū)域。根據(jù)實(shí)際影像的不同情況，可以選擇快速貼圖、DEM編輯、DLG編輯等不同影像采樣方式。例如，影像中高層建筑由于投影差較大，被鑲嵌線穿越時(shí)，可選擇快速貼圖采樣方式修改鑲嵌線，確保高層建筑的完整性；影像中因DEM更新不及時(shí)或局部微小區(qū)域DEM錯(cuò)誤造成的影像扭曲，可以通過編輯DEM然后重采樣方式修正扭曲的正射影像。

3.5 鑲嵌過程中實(shí)時(shí)修改并更新DEM數(shù)據(jù)

實(shí)際正射影像生產(chǎn)中，正射影像糾正質(zhì)量往往取決于已有DEM數(shù)據(jù)的精度，而大面積的DEM數(shù)據(jù)往往需要借助立體采集合并特征點(diǎn)線進(jìn)行更新維護(hù)。我院目前正射影像鑲嵌工作主要采用Geoway ImageStation“邏輯接邊，一次成圖”的生產(chǎn)方針，執(zhí)行鑲嵌工序時(shí)如遇到扭曲變形的圖幅，需要借助其他軟件平臺(tái)重新編輯該區(qū)域DEM，并生成新的正射影像替換到鑲嵌數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此較為影響生產(chǎn)效率[5]。DPGrid軟件平臺(tái)提供了小面積DEM數(shù)據(jù)的更新方式，通過作業(yè)員對(duì)目標(biāo)區(qū)域的等值線走向判斷，利用陡增、平滑、置平等操作修改DEM數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)重采樣，消除由于DEM數(shù)據(jù)錯(cuò)誤造成的地物扭曲。更新后的DEM數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)保存，以便下一次正射影像生產(chǎn)需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，DPGrid利用其分布式海量數(shù)據(jù)管理及正射影像處理等先進(jìn)技術(shù)為正射影像加工生產(chǎn)提供了一體化解決方案。特別在我國(guó)汶川地震災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)時(shí)期，DPGrid能夠充分發(fā)揮其快速、高效地處理“非常規(guī)”海量航空攝影數(shù)據(jù)，為災(zāi)區(qū)提供堅(jiān)實(shí)可靠的測(cè)繪保障[6]。雖然其自動(dòng)化的產(chǎn)品結(jié)果還需經(jīng)由人工干預(yù)、檢查及修改才能滿足我國(guó)大比例尺成圖規(guī)范要求，但DPGrid作為國(guó)產(chǎn)化新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理平臺(tái)在城市大比例尺正射影像生產(chǎn)過程中仍有提升的空間。本人結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，提出了如上若干思考，旨在探尋一條更加快速而高效的正射影像生產(chǎn)路線。

[1] 張祖勛.從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站(DPW)到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(DPGrid)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2007，32(7):565～571

[2] 張劍清，柯濤，孫明偉等.并行計(jì)算在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2008(12):11～14

[3] 孫明偉.正射影像全自動(dòng)快速制作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2009.6～59

[4] 張劍清，孫明偉，張祖勛.基于蟻群算法的正射影像鑲嵌線自動(dòng)選擇[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2009(6): 675～678

[5] 李瓊，張琍，答星.利用Geoway ImageSatation和SQL Server進(jìn)行正射影像生產(chǎn)的若干問題思考[J].測(cè)繪通報(bào)，2009(01):42～44

[6] 張祖勛，柯濤，郭大海等.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格在汶川大地震中的快速響應(yīng)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(6):54－62

Thoughts on Some Issues of Large－scale Orthophoto Production in Urban Area Based on Dpgrid

Da Xing，Li Qiong，Meng QuanYi
(Wuhan Geotechnicial Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

Firstly，the paper introduces the advantage of Dpgrid in the fast processing of Orthophoto Production. Based on the requirements in Large－scale Orthophoto producing and updating in the center urban area of Wuhan，it provides some thoughts on issues of the 1∶2000 scale Orthophoto Production in urban area by Dpgrid.

Dpgrid；large－scale；orthophoto

1672－8262(2011)01－91－03

P231

B

2010—04—26

答星(1983—)，男，工程師，主要從事數(shù)字影像生產(chǎn)與開發(fā)應(yīng)用工作。

國(guó)家測(cè)繪局精密工程與工業(yè)測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(PF2009－4)