韋玉華，李霞，周琳

(南寧市勘測院，廣西 南寧 530001)

1 引言

攝影測量是根據(jù)物—像幾何關(guān)系確定各類空間物體的形狀、大小和位置。其原理則是通過同名光線的交會(huì)和像點(diǎn)來確定被攝目標(biāo)。因而，必須精確確定投影光束(像片)的位置(3個(gè)線元素X，Y，Z)和姿態(tài)(3個(gè)角元素φ，ω，K)，合稱6個(gè)外方位元素。傳統(tǒng)的攝影測量方法是利用大量的地面控制點(diǎn)并通過空中三角測量反求光束的外方位元素，其DOM成圖方式的主要過程包括航空攝影、外業(yè)控制點(diǎn)的測量、內(nèi)業(yè)的空中三角測量加密、建立像對(duì)模型、DEM的編輯和影像鑲嵌、勻光處理等作業(yè)步驟。由于該成圖過程工序復(fù)雜、工期大、費(fèi)用高，得到的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)滯后于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求;同時(shí)，該方法嚴(yán)重依賴地面控制點(diǎn)，尤其在地物單一、無明顯地物點(diǎn)的地區(qū)(如沙漠、戈壁或大草原)，難以采用傳統(tǒng)的航測方法。利用機(jī)載POS(Positioning Orientation System)系統(tǒng)，在航空攝影的同時(shí)，可以準(zhǔn)確地獲取像片的空間位置和姿態(tài)參數(shù)，基本可以免去地面控制工作，進(jìn)而簡化和加速影像定向和定位工作。而且利用數(shù)碼航攝相機(jī)拍攝的影像，圖像清晰且分辨率高，能精確快速確定目標(biāo)點(diǎn)的空間位置，可以實(shí)現(xiàn)非語意信息的提取，根據(jù)影像的特征正確識(shí)別目標(biāo)的屬性，加速影像相對(duì)定向和定位工作，縮短成圖作業(yè)時(shí)間。與以往技術(shù)相比，基于POS技術(shù)使用數(shù)碼航攝影像制作DOM，具有低成本，清晰、高精度，高效率的特點(diǎn)。

2 機(jī)載POS技術(shù)的原理與方法

機(jī)載POS輔助航空攝影集成系統(tǒng)由慣性測量裝置、航攝儀、機(jī)載GPS接收機(jī)和地面基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)四部分組成。利用機(jī)載POS系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)地面基準(zhǔn)站可以直接獲取航攝像片的6個(gè)外方位元素，按照攝影測量共線方程的原理，可根據(jù)立體像對(duì)的前方交會(huì)，利用像點(diǎn)坐標(biāo)，直接解算地面點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，從而精確反演成像過程。

機(jī)載POS系統(tǒng)測定的定位定向參數(shù)在數(shù)字?jǐn)z影測量中有兩種應(yīng)用方法:

直接地理定位(Direct Georeferening，DG)。就是將POS系統(tǒng)獲取的定位定向參數(shù)直接反演成像的過程，通過立體像對(duì)的前方交會(huì)，以確定像點(diǎn)的地面坐標(biāo)達(dá)到地形圖測繪或制作正攝影像的目的。

集成傳感器定向(Integrated Sensor Orientation，ISO)。就是將POS獲取的定位定向參數(shù)，引入航空攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，采用統(tǒng)一的數(shù)字模型和算法，以獲得精確的影像外方位元素和立體測圖控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

本文闡述的整個(gè)南寧市1∶2 000比例尺數(shù)字DOM項(xiàng)目的生產(chǎn)采用的是機(jī)載POS系統(tǒng)直接地理定位方法。

3 使用POS技術(shù)輔助制作南寧DOM及分析

3.1 基于POS外方位元素生成DOM的作業(yè)流程(圖1)

圖1 正射影像圖生產(chǎn)流程

(1)自動(dòng)空中三角測量

在VirtuoZo AAT里進(jìn)行空三加密，實(shí)際作業(yè)時(shí)，整個(gè)項(xiàng)目劃分成若干個(gè)分區(qū)來進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)量測。主要作業(yè)流程如下:

新建測區(qū)名，設(shè)置有關(guān)測區(qū)參數(shù)→引入相機(jī)參數(shù)文件→引入影像，進(jìn)行影像格式轉(zhuǎn)換→旋轉(zhuǎn)影像→創(chuàng)建影像列表，設(shè)置重疊度、建立影像索引號(hào)→創(chuàng)建內(nèi)定向文件→添加航帶偏移點(diǎn)→自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)→自動(dòng)挑點(diǎn)→在“GPS+IMU”中導(dǎo)入影像外方位文件→檢查像對(duì)的相對(duì)定向→保存測區(qū)文件。

①自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)相對(duì)定向、模型連接失敗等問題?？刹捎萌斯ぴ黾舆B接點(diǎn)的方法處理。

②引入影像外方位文件時(shí)，影像列表的索引號(hào)名要與外方位文件中的image－no列一致。

(2)模型定向

空三結(jié)束后，先自動(dòng)創(chuàng)建模型。然后，設(shè)置測區(qū)參數(shù)。修改DEM格網(wǎng)間隔、成圖比例。

①相對(duì)定向

進(jìn)入相對(duì)定向界面，進(jìn)行自動(dòng)相對(duì)定向，查看相對(duì)定向點(diǎn)并檢查相對(duì)定向點(diǎn)的限差是否超限。定義左右影像的最大作業(yè)區(qū)，生成核線影像的范圍。

②絕對(duì)定向

由于基于POS技術(shù)航空攝影已經(jīng)提供了高精度的外方位元素，導(dǎo)入影像外方位文件后，缺省外業(yè)地面控制點(diǎn)和加密點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示采用影像的外方位元素生成模型的絕對(duì)定向。實(shí)際操作中，應(yīng)注意:查看影像的外方位元素(X，Y，Z，φ，ω，K)是否導(dǎo)入正確。對(duì)影像外方位數(shù)據(jù)的檢查，如果影像本身旋轉(zhuǎn)過180°，影像對(duì)應(yīng)的Kappa值是否已經(jīng)增加一個(gè)π或減去一個(gè)π值。

(3)生成核線影像、影像匹配

完成了模型定向后，即可批處理生成核線影像和影像匹配。非水平核線重采樣基于模型相對(duì)定向結(jié)果，生成的核線影像保持了原始影像同樣的信息量和屬性。當(dāng)原始影像發(fā)生傾斜時(shí)，核線影像也會(huì)發(fā)生同樣的傾斜。而水平核線重采樣使用了絕對(duì)定向的結(jié)果，將核線置平。根據(jù)南寧的地貌特征及航飛情況，采用的是非水平核線。

對(duì)一些匹配困難的區(qū)域(如山脊、陰影遮蓋處、居民區(qū)、水域等)可以先做匹配預(yù)處理，在模型中加測一些特征點(diǎn)、特征線或特征面輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)匹配，以獲得更好的匹配結(jié)果。

(4)生成DEM

DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)格網(wǎng)格點(diǎn)的平面坐標(biāo)及其高程的數(shù)據(jù)集，主要描述區(qū)域內(nèi)地貌形態(tài)的空間分布。且DEM是制作DOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

影像匹配后，根據(jù)匹配后產(chǎn)生的視差數(shù)據(jù)、定向處理后得到的結(jié)果參數(shù)以及設(shè)置的DEM參數(shù)等，自動(dòng)建立模型的DEM。

(5)DEM拼接

DEM拼接區(qū)域大小可根據(jù)具體要求而定。在實(shí)際作業(yè)中，以項(xiàng)目成果要求的1∶2 000標(biāo)準(zhǔn)圖幅的坐標(biāo)為拼接區(qū)域。

拼接后將生成拼接精度對(duì)話框，其中顯示了拼接的中誤差、總點(diǎn)數(shù)和誤差分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。拼接中誤差值越小，拼接后的DEM越能真實(shí)反映地表起伏變化。如果出現(xiàn)紅色的區(qū)域或者帶狀的較多，說明重疊區(qū)域內(nèi)同一地方不同模型航攝角度不同，造成多個(gè)模型的DEM拼接時(shí)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而導(dǎo)致生成的正射影像上地物拉伸及扭曲現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，可編輯拼接后的DEM。

(6)DEM編輯

在DEMEditor編輯界面，導(dǎo)入拼接好的標(biāo)準(zhǔn)圖幅的多模型DEM，并選擇相關(guān)的立體模型，對(duì)DEM格網(wǎng)點(diǎn)編輯。對(duì)于不同地貌及地物，編輯方法如下:

①城區(qū)高層建筑物或大片相連房屋(如北湖片區(qū)萬秀城中村)，在區(qū)域周邊、區(qū)域內(nèi)部能看到并切準(zhǔn)地面的位置加量測點(diǎn)，并使用量測點(diǎn)內(nèi)插功能。

②池塘、江河等大面積水域(如邕江)，先用測標(biāo)切準(zhǔn)水面，讀取水面高程，然后選擇該水域，使用定值平面功能直接指定高程值。

③高架橋梁或立交橋(如竹溪立交、邕江大橋等)，在橋面及橋底能看到并切準(zhǔn)地面的位置加量測點(diǎn)，并使用DEM內(nèi)插功能。

(7)影像糾正鑲嵌

DEM編輯好后，可進(jìn)行正攝影像的生成。在“正射影像制作”中導(dǎo)入編輯好的DEM及相關(guān)影像，設(shè)置生成正射影像區(qū)域、地面分辨率。自動(dòng)進(jìn)行影像糾正鑲嵌處理。

(8)拼接處理

糾正鑲嵌后生成的正射影像已能真實(shí)反映地貌形態(tài)，但由于同一地物不同影像航攝角度不同，且各個(gè)像對(duì)相對(duì)定向、絕對(duì)定向點(diǎn)的精度不同，拼接的地方產(chǎn)生拼接錯(cuò)位，采用正射影像修補(bǔ)模塊來處理。為保證正射影像產(chǎn)品精度，修補(bǔ)時(shí)應(yīng)注意:

①建筑物、居民地內(nèi)的房屋的修補(bǔ)選用正射投影的影像修補(bǔ)，盡量避免傾斜或者拉伸的現(xiàn)象。

②農(nóng)林地(如旱地、水田)地物的修補(bǔ)沿著田埂、地類分界線修補(bǔ)。

③道路的修補(bǔ)。盡量選擇同一影像，或者延伸至轉(zhuǎn)角、交叉、盡頭處再修補(bǔ)。

(9)影像格式轉(zhuǎn)換，色彩調(diào)整

修補(bǔ)后的正射影像.orl轉(zhuǎn)化為后期便于色彩編輯及存儲(chǔ)的Tif格式。

鑲嵌后的正射影像并不能統(tǒng)一色彩問題。而云層，太陽照射角，像片掃描等因素對(duì)彩色影像的影響較大，往往造成同一張、相鄰像片出現(xiàn)部分曝光過度或色彩失衡現(xiàn)象，因此，對(duì)Tif處理的方法為:

①采用影像勻光軟件批處理能實(shí)現(xiàn)大范圍影像色彩均勻一致，但容易造成色彩失真。

②勻光后再用Photoshop調(diào)色。調(diào)節(jié)影像的色彩平衡、飽和度及對(duì)比度，使影像符合自然色彩，滿足視覺要求。

3.2 正射影像圖的數(shù)學(xué)精度檢查

對(duì)于正射影像圖的數(shù)學(xué)精度檢查，選用“利用矢量圖檢驗(yàn)法”，即利用2009年新修測的1∶1 000城北片區(qū)數(shù)字線劃圖DLG(為DWG格式)，疊加到相同圖幅坐標(biāo)的DOM上。將點(diǎn)坐標(biāo)與DOM相應(yīng)地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算檢測點(diǎn)坐標(biāo)差，并統(tǒng)計(jì)平面位置中誤差。或DOM圖上量測特征邊線(如房屋邊線、球場邊線、田埂等)的邊長，與相應(yīng)DLG上的相同地物相比較，并統(tǒng)計(jì)中誤差，從而生成正攝影像的數(shù)學(xué)精度報(bào)告。

在“利用矢量圖檢驗(yàn)法”具體實(shí)施中，采用抽樣檢驗(yàn)的方法，對(duì)檢驗(yàn)樣區(qū)隨機(jī)選取18個(gè)明顯地物點(diǎn)(如房角、電桿、墩柱、田埂、球場等)，并與DLG上的相應(yīng)點(diǎn)位進(jìn)行比較，進(jìn)行平面位置點(diǎn)位坐標(biāo)檢查或邊長檢查，結(jié)果如表1所示。

DOM的數(shù)學(xué)精度檢查 表1

表1中片區(qū)1屬于城中村，片區(qū)2屬于城郊農(nóng)田地。依照我國現(xiàn)行航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，這兩片區(qū)均符合1∶2 000 DOM生產(chǎn)的精度規(guī)范要求。

3.3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)

通過實(shí)際生產(chǎn)，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì):

(1)源數(shù)據(jù)

用數(shù)碼航攝影像制作DOM，其數(shù)據(jù)量很大，需要足夠的硬盤空間存數(shù)據(jù)。

(2)DOM制作過程

①數(shù)碼影像是沒有框標(biāo)的，無法像常規(guī)航片一樣進(jìn)行內(nèi)定向，采用自編的內(nèi)定向小程序。

②生成單個(gè)模型的DEM后，由于數(shù)碼影像重疊度大，創(chuàng)建像對(duì)多，如果對(duì)單模型的DEM編輯，則重疊區(qū)域還得重復(fù)編輯，勢必增加了不少工作量。如果編輯采用多模型拼接后的DEM，可節(jié)省不少工作量。

③數(shù)碼航攝影像重疊度大，創(chuàng)建的像對(duì)較多;且像對(duì)間由于航攝角度及投影差問題，同名影像會(huì)有較大差異，如直接自動(dòng)鑲嵌，疊加在一起的影像會(huì)出現(xiàn)大面積的重影。為避免重影，可用編輯后的DEM糾正鑲嵌生成正射影像。

④DEM糾正鑲嵌生成的正射影像可以避免重影，而且圖面清晰，但由于不能實(shí)現(xiàn)拼接線的實(shí)時(shí)編輯，從而影像拼接的地方出現(xiàn)較多的錯(cuò)位現(xiàn)象，后期的正射影像修補(bǔ)工作量比較大。

4 結(jié)論

實(shí)踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)DOM制作相比，POS技術(shù)在數(shù)碼航攝影像制作DOM具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢:

(1)免去了外業(yè)控制測量，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理花費(fèi)的時(shí)間明顯縮短。相對(duì)傳于統(tǒng)航空攝影測量速度大大提高，勞動(dòng)強(qiáng)度、經(jīng)費(fèi)降低，社會(huì)效益增強(qiáng)。

(2)航攝影像是直接輸出到計(jì)算機(jī)上，掃描時(shí)可直接讀取掃描分辨率，且不用擔(dān)心影像命名錯(cuò)誤、掃描造成影像扭曲變形，色彩失真等。

(3)數(shù)碼影像更清晰，影像分辨率達(dá)12 μm，而常規(guī)影像掃描分辨率為21 μm。

綜上所述，使用POS輔助制作DOM具有低成本，清晰、高精度的特點(diǎn)，在如今城市建設(shè)日新月異的變化中，這對(duì)南寧市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取具有很大的幫助。

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