王商富

(福州市勘測院，福建福州 350003)

1 研究背景

根據(jù)《福州市城市總體規(guī)劃(2010—2020)》方案，福州市委、市政府將全力打造福州大都市區(qū)。福州大都市區(qū)范圍內(nèi)的所有市縣要整體考慮、統(tǒng)籌規(guī)劃，尤其是與福州中心城區(qū)發(fā)展密切相關的福清、長樂、閩侯、連江等周邊縣市的總體規(guī)劃、控制性規(guī)劃，由福州市統(tǒng)一組織編制、統(tǒng)一組織審批、統(tǒng)一組織實施。福州市勘測院作為承擔福州大都市區(qū) 7 630 km2面積的 1∶2 000正射影像生產(chǎn)任務的城市勘測單位，利用帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)碼航拍技術結合Geoway CIPS平臺進行快速正射影像生產(chǎn)進行了小規(guī)模的前期生產(chǎn)試驗，通過對生產(chǎn)過程關鍵節(jié)點方案的研究設計和后期精度評估，摸索出一套快速制作大比例尺正射影像的較為完善生產(chǎn)體系。

Geoway CIPS(Clustered Image Processing System)集群式影像處理系統(tǒng)是一個構建在網(wǎng)格計算環(huán)境下的，適合大規(guī)模遙感影像快速、批量處理的一整套軟硬件產(chǎn)品技術解決方案，它以“高性能集群計算”為特征的遙感影像快速處理，其特征為自動、高效、智能，具體體現(xiàn)在近乎自動化的空三以及DEM/DOM的快速生產(chǎn)［1］。本文主要結合Geoway CIPS和INPHO OrthoVista軟件進行 1∶2 000正射影像數(shù)據(jù)像控布設設計、生產(chǎn)粗DEM高效濾波算法(內(nèi)插、形態(tài)學等)、利用拓撲規(guī)劃技術的影像接邊線自動查找生成、INPHO OrthoVista軟件的影像智能勻光技術等關鍵的生產(chǎn)工序。

2 工程任務簡介

本次航攝區(qū)域覆蓋整個福州大都市區(qū)域，面積7 630 km2，采用的微軟公司生產(chǎn)的帶POS/AV系統(tǒng)的高精度數(shù)碼航攝儀UCX，前期數(shù)據(jù)采集時間為2011年11月。該區(qū)域的航攝基準面相差較大，為保證航攝設計的地面分辨率優(yōu)于 0.15 m，共分為5個測區(qū)，如圖1所示，約 15 000幅像片，擬作 0.15 m分辨率的1∶2 000正射影像。

圖1 目標區(qū)域數(shù)碼航攝示意圖

2.1 Geoway CIPS正射影像制作流程

本次工程區(qū)域數(shù)據(jù)進行大范圍生產(chǎn) 1∶2 000正射影像數(shù)據(jù)尚屬于首次，對于制定一個有效、快速、并且能夠滿足測繪相關規(guī)范要求的生產(chǎn)方案至關重要。實驗區(qū)位置在3區(qū)中的城郊區(qū)部分，涉及12條航線、720幅、約 400 G的UCX數(shù)據(jù);本次工程試驗實施硬件方面受條件限制采用單機環(huán)境下進行(64位操作系統(tǒng)的圖形工作站，Intel?CoreTM2 Quad CPU Q8200@2.33 GHz 2.34 GHz，內(nèi)存 4 GB)。軟件環(huán)境部署有Geoway CIPS系統(tǒng)和 INPHO OrthoVista軟件，Geoway CIPS系統(tǒng)部署的包含功能有空三加密模塊、自動DSM匹配模塊、自動DSM濾波模塊、自動粗格網(wǎng)DEM生產(chǎn)模塊、勻光勻色模板制作模塊、自動DOM制作模塊、鑲嵌線編輯以及影像修復模塊。試驗是基于原始航飛UCX數(shù)據(jù)、初始POS數(shù)據(jù)以及外業(yè)布控完成從空三加密、粗格網(wǎng)DEM生產(chǎn)以及后期正射影像圖制作的完整生產(chǎn)流程，如圖2所示。

圖2 UCX數(shù)據(jù)進行1∶2 000正射影像生產(chǎn)方案

3 Geoway CIPS在大比例尺快速成圖中的若干問題思考

Geoway CIPS軟件系統(tǒng)具有方案定制、流程化、高效自動化以及優(yōu)異的作業(yè)監(jiān)控能力，極適合大范圍大批量大比例尺正射影像生產(chǎn)。而在生產(chǎn)大比例尺正射影像數(shù)據(jù)過程中，航攝過程中POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)質量情況、外業(yè)像控點布設方案、空三過程中的“自動化”程度、生產(chǎn)粗DEM成果數(shù)據(jù)的濾波的有效性、影像鑲嵌中接邊線的快速合理生成方法、影像勻光勻色效果、后期正射影像修補編輯的便捷化等問題直接影響著正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)質量和效率。通過為期一個月的摸索及實踐，總結了在試驗區(qū)生產(chǎn)過程中存在的一些問題及如下思考。

3.1 像控點布設改進方案

由于測區(qū)面積大，外業(yè)像控點布設太多直接降低生產(chǎn)效率、若布設太少又影響成圖精度。本次工程盡管采用POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由于多種誤差源(IMU軸線偏差、GPS/IMU偏心分量、GPS和IMU系統(tǒng)偏移)的影響，GPS/IMU系統(tǒng)提供的位置、姿態(tài)參數(shù)存在著系統(tǒng)性誤差，難以直接達到像素級的定位精度［4］。針對大比例尺地形圖測繪的應用需求，利用少量地面控制點進行GPS/IMU數(shù)據(jù)與像點坐標觀測值的聯(lián)合平差，消除GPS/IMU數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。下面進行外業(yè)像控點評估:

其中，b為平均像片基線長，mq為按像片比例尺計算的加密點上下視差量測中誤差，n為像控點間的基線數(shù)。

圖3 控制點精度評估圖(左圖:平面精度;右圖:高程精度)

外業(yè)像控布設原則:測區(qū)四周控制點分布多一些，測區(qū)中間均勻分布，包括平面控制點和高程控制點?？刂泣c個數(shù)受很多的因素影響，沒有標準，本次航攝有帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過上述分析，本次試驗區(qū)再適當?shù)販p少控制點個數(shù)，采用基線數(shù)為30布設1個控制點，航線方向為隔6條分別布設，測區(qū)內(nèi)部布設3個檢查點，檢查點與控制點隔10條基線以上，試驗結果符合精度要求。針對試驗區(qū)外的工程范圍像控點布設密度還可以根據(jù)情況再進行放寬，表1為試驗區(qū)空三加密報告。

試驗區(qū)空三加密精度報告 表1

由于本次福州大都市作業(yè)范圍面積較大、航攝區(qū)域不規(guī)則，測區(qū)分區(qū)需要進行統(tǒng)籌規(guī)劃，盡量做到矩形分區(qū)，對于不規(guī)則加密測區(qū)，邊角上需要另外布設像控點。

試驗表明帶POS/AV系統(tǒng)的數(shù)碼航攝影像數(shù)據(jù)在空三加密中還需要加入少量像控點才能保證大比例尺(成圖 1∶2 000比例尺以下)正射影像成圖精度。對于比較規(guī)則區(qū)域的加密測區(qū)，在比較常規(guī)的航向/旁向重疊度情況下，航片數(shù) ∶像控點數(shù)≈80∶1，在不規(guī)則航線布設地區(qū)，這個比值要小些，對于評估福州大都市區(qū) 1∶2 000正射影像生產(chǎn)布設像控點工作量有一定的參考意義。

3.2 生產(chǎn)粗DEM成果數(shù)據(jù)的濾波還有待改進

對于生產(chǎn)1∶2 000正射影像成果來說，基于DSM成果通過濾波生成粗DEM數(shù)據(jù)的效果好壞直接影響正射影像成圖精度和后期影像修補編輯的工作量。對于福州大都市區(qū)域來說，地形比較復雜(植被茂密、植被遮擋建筑物現(xiàn)象比較普遍)，目前很多濾波算法很難對這些區(qū)域的高程點云進行有效過濾。本次試驗高效濾波算法結合內(nèi)插方法從上而下的邏輯、形態(tài)學方法自下而上處理方式的優(yōu)勢，提高濾波精度，從匹配精度上來講，DSM匹配整體效果較好。局部地區(qū)如陰影處匹配有些“飛點”，軟件提供的濾波功能可以有效濾除粗差點，但還是有部分區(qū)域生成的正射影像數(shù)據(jù)精度偏低、地物扭曲變形，因此建議基于粗DEM糾正的同時加入特征線的約束以及針對不同地形特征提供多種匹配策略，使得糾正后影像質量進一步提升，減少扭曲現(xiàn)象。另外本次試驗中通過對生成的粗DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中進行坡度變化量檢測，提取坡度變化量超過20°的圖斑疊套到糾正好的正射影像數(shù)據(jù)中進行有目的檢查精度和變形情況，通過便捷的DOM修復編輯工具進行實時快速修復更新。修復更新區(qū)域包括不同模型重疊部分影像可能出現(xiàn)模糊、重影、房子倒影相互矛盾以及房屋、橋梁、公路變形等問題，達到“所見即所得”，修補工具如圖4。

圖4 左圖為待修復的DOM成果;右圖為修復后的DOM成果

3.3 接邊線的選取及影像勻光勻色

Geoway CIPS軟件系統(tǒng)采用灰度相關、紋理特征等多因子，進行接邊線高精度匹配，有效避開建筑物、橋梁、大面積水域等地物。利用拓撲規(guī)劃技術，既減少對冗余數(shù)據(jù)的處理，又充分利用中心區(qū)域影像，基于原始影像中心點地理坐標以及影像有效范圍進行的鑲嵌網(wǎng)規(guī)劃(如泰森多邊形規(guī)劃算法等)，輔以半自動化人機交互編輯，形成任務規(guī)劃模型文件，采用邏輯接邊、一次成圖技術，極大地減少了中間數(shù)據(jù)冗余，提高鑲嵌效率。但部分拓撲規(guī)劃技術并不能解決高層建筑物投影差較大，造成遮擋周邊低層建筑物或者建筑物被接邊線穿越情況，可以通過利用單幅靠近中心區(qū)域的正射影像數(shù)據(jù)進行鑲嵌，并且即使航向重疊度較大情況下也不允許有抽片現(xiàn)象，保證正射影像成圖數(shù)據(jù)地物投影差達到最小，尤其在城區(qū)部分。

作業(yè)工序中勻光勻色有經(jīng)過兩道工序需要處理，第一道是數(shù)碼航空攝影后先通過Ultramap服務器的數(shù)據(jù)流(“辦公室處理中心OPC”)先對測區(qū)內(nèi)所有單幅影像進行前期的自動勻光勻色;第二道工序是基于接邊線已經(jīng)采集的情況下進行整體勻色成圖。盡管DOM制作環(huán)節(jié)中的勻光勻色、智能鑲嵌功能一直是Geoway的傳統(tǒng)優(yōu)勢，并且提供了強大的整幅勻色、逐塊勻色、Mask勻光以及智能勻色算法，能夠解決測區(qū)影像色差不一致的問題，但是基于實踐經(jīng)驗考慮，大部分的勻色軟件在對影像勻光和色彩均衡的同時，對影像本身的原色會有極大破壞和信息丟失情況。因此，基于INPHO OrthoVista軟件目前優(yōu)異的勻光勻色能力以及較少改變原有影像信息特色而保持了影像整體色調均勻清晰。在生產(chǎn)作業(yè)工序中，鑲嵌線自動生成和編輯采用Geoway CIPS軟件系統(tǒng)中的ImageStation模塊，而影像整體勻光勻色在INPHO OrthoVista軟件中進行，通過程序實現(xiàn)ImageStation接邊信息生成一份DXF文件導入到INPHO OrthoVista軟件信息庫中，這樣可以兼具各個軟件的優(yōu)點進行數(shù)據(jù)高效生產(chǎn)。

4 結語

通過實驗區(qū)的生產(chǎn)實踐，福州大都市 7 630 km2的1∶2000正射影像生產(chǎn)方案逐漸完善，針對帶POS/AV系統(tǒng)數(shù)據(jù)與少量控制點在空三加密中聯(lián)合平差的有效性以及適合哪幾個級別大比例尺正射影像成圖要求還需進一步實驗研究。本文結合目前比較流行的INPHO VISTA軟件到Geoway CIPS軟件系統(tǒng)中進行正射影像的快速生產(chǎn)提出了一條有效途徑，通過上述若干問題的思考，旨在探尋一條更加高效而有質量的大比例尺正射影像生產(chǎn)路線。

［1］北京吉威時代軟件技術有限公司．集群式影像處理系統(tǒng)(GEOWAY CIPS)產(chǎn)品白皮書［R］．2011．

［2］張祖勛，柯濤，郭大海等．數(shù)字攝影測量網(wǎng)格在汶川大地震中的快速響應［J］．中國工程科學，2009，11(6):54～62．

［3］北京超圖軟件股份有限公司．INPHO系列軟件整體介紹［R］．2009．

［4］張永軍，熊金鑫，熊小東等．POS數(shù)據(jù)的上下視差誤差源檢測及誤差補償回歸模型［J］．測繪學報，2011，10:604～609．

［5］ 王之卓．攝影測量原理［M］．北京:測繪出版社，1979．

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