張俊前

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

像控點(diǎn)快速測(cè)量技術(shù)在地理國(guó)情普查中的應(yīng)用研究

張俊前?

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

以改進(jìn)的SIFT算子為基礎(chǔ)理論,設(shè)計(jì)了像控點(diǎn)快速預(yù)選程序,并將航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)、常規(guī)移動(dòng)終端和像控點(diǎn)預(yù)選程序相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了像控點(diǎn)的快速布設(shè)、快速定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航,改進(jìn)并完善了像控點(diǎn)快速測(cè)量技術(shù)體系。在重慶市地理國(guó)情普查正射影像生產(chǎn)中,驗(yàn)證了本文方法的有效性和實(shí)用性,并為常規(guī)航攝生產(chǎn)提供一定的借鑒作用。

數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng);像控點(diǎn)測(cè)量;快速測(cè)量;地理國(guó)情普查

1 引 言

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)管理需要,更好地反映我國(guó)各類地理環(huán)境要素的分布與關(guān)系,黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人從戰(zhàn)略高度審時(shí)度勢(shì)要求開展地理國(guó)情普查,充分利用測(cè)繪的先進(jìn)技術(shù)、數(shù)據(jù)資源和人才優(yōu)勢(shì),積極開展地理國(guó)情變化檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)重要地理要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析報(bào)告,為科學(xué)發(fā)展提供依據(jù)。

地理國(guó)情普查主要內(nèi)容包括地形地貌、地表覆蓋、地理國(guó)情要素、地理單元以及專項(xiàng)類普查等,數(shù)據(jù)源為地面分辨率優(yōu)于1 m的高分辨率衛(wèi)星影像或正射影像。整個(gè)普查工作范圍廣、資料多、時(shí)間緊、任務(wù)重,如何高效、保質(zhì)保量開展工作是許多生產(chǎn)單位關(guān)注、亟待解決的問(wèn)題。像控點(diǎn)測(cè)量作為正射影像制作和衛(wèi)星影像糾正的基礎(chǔ)和前提,是地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)源制作的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2 問(wèn)題來(lái)源

像控點(diǎn)測(cè)量是航測(cè)外業(yè)和航測(cè)內(nèi)業(yè)工作的基礎(chǔ)和前提。大多數(shù)測(cè)繪單位仍然采用傳統(tǒng)的作業(yè)模式開展這項(xiàng)工作:作業(yè)之前,首先在紙質(zhì)控制片上進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè),繪制像控點(diǎn)結(jié)合圖,套合在小比例尺地形圖上,人工選取行車路線,作業(yè)時(shí)按照既定計(jì)劃行車進(jìn)行像控測(cè)量。這種作業(yè)方式存在較多限制效率的問(wèn)題:

(1)紙質(zhì)像片沖洗周期時(shí)間長(zhǎng),像控點(diǎn)布設(shè)花費(fèi)大量時(shí)間。

(2)紙質(zhì)像片不方便攜帶和使用,小比例尺地形圖現(xiàn)勢(shì)性差、內(nèi)容較粗略,對(duì)于不熟悉航攝區(qū)域的作業(yè)人員而言無(wú)異于霧里看花,經(jīng)常出現(xiàn)繞圈、走錯(cuò)路的情況,在一定程度上降低了作業(yè)效率。

(3)作業(yè)前作業(yè)人員通過(guò)人工比對(duì)影像,以確定像控點(diǎn)位置需要花費(fèi)大量的時(shí)間,在某些地區(qū),特別是某些農(nóng)村地區(qū),沒(méi)有明顯特征地物,給人工比對(duì)確定像控點(diǎn)位置的工作增加了很多困難。

(4)在像控點(diǎn)預(yù)選過(guò)程中,首先要找到多張航攝影像的重疊區(qū)域,然后在重疊區(qū)域中尋找影像清晰、易于判刺和立體量測(cè)的點(diǎn)位,這個(gè)過(guò)程也需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。

IMU/DGPS和航空影像快速處理技術(shù)的應(yīng)用大大減少了外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)密度,節(jié)省了人力物力,然而這一革新卻帶來(lái)新的問(wèn)題[1];像控點(diǎn)布設(shè)稀疏之后,點(diǎn)與點(diǎn)之間距離遠(yuǎn),連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性差,導(dǎo)致找點(diǎn)困難,且找準(zhǔn)點(diǎn)與點(diǎn)之間最方便、快捷的連通路線也很困難。這兩個(gè)問(wèn)題就成為影響外業(yè)像控測(cè)量生產(chǎn)效率的技術(shù)瓶頸。

目前,國(guó)內(nèi)的測(cè)繪單位對(duì)像控點(diǎn)測(cè)量面臨的問(wèn)題都有所認(rèn)識(shí),但是幾乎沒(méi)有一個(gè)較為全面、系統(tǒng)的解決方案。

3 像控點(diǎn)快速測(cè)量技術(shù)

像控點(diǎn)快速測(cè)量技術(shù)以數(shù)字影像為基礎(chǔ),按生產(chǎn)流程分為像控點(diǎn)快速布設(shè)、像控點(diǎn)導(dǎo)航定位和像控點(diǎn)整飾等幾個(gè)環(huán)節(jié)。其基本流程為:首先進(jìn)行像控點(diǎn)快速布設(shè)預(yù)選,完成像控點(diǎn)布設(shè)后,利用導(dǎo)航定位技術(shù)快速到達(dá)選定的像控點(diǎn)位置,測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)后,在實(shí)地完成像控點(diǎn)整飾及檢查工作。本文借助重慶市勘測(cè)院自主研發(fā)的航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)快速布設(shè)和像控點(diǎn)整飾,設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)像控點(diǎn)預(yù)選,并借助移動(dòng)終端為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)導(dǎo)航定位。

3.1 像控點(diǎn)快速布設(shè)技術(shù)

根據(jù)空三加密的需要,作業(yè)人員在基于MicroStation軟件的航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)上布設(shè)像控點(diǎn)。思路為:將像主點(diǎn)坐標(biāo)及像片編號(hào)展繪到矢量圖上(如圖1所示),按照像控點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則及要求進(jìn)行詳細(xì)的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)點(diǎn)位設(shè)計(jì),并生成最終的像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖(如圖2所示)。區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則為:區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)圖形宜呈矩形;區(qū)域網(wǎng)大小和像控點(diǎn)的跨度主要依據(jù)成圖精度、航攝資料參數(shù)及對(duì)系統(tǒng)誤差的處理等因素確定;區(qū)域網(wǎng)的劃分和布點(diǎn)應(yīng)以能滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則。重慶市地理國(guó)情普查正射影像制作像控點(diǎn)布設(shè)按照區(qū)域網(wǎng)布設(shè),全部為平高點(diǎn),每隔6條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn),并且在像控點(diǎn)控制力最弱位置布設(shè)檢查點(diǎn),空三加密成果滿足1∶5 000航測(cè)成圖要求,優(yōu)于地理國(guó)情普查項(xiàng)目中正射影像制作的要求,實(shí)現(xiàn)一套成果多種利用。

圖1 像主點(diǎn)展點(diǎn)圖

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖

具體方法是,在像主點(diǎn)展點(diǎn)時(shí),將對(duì)應(yīng)像主點(diǎn)的影像文件名作為文本一同展入文件,利用程序?qū)⑾窨卦O(shè)計(jì)略圖自動(dòng)生成初步的像控布點(diǎn)網(wǎng)圖,生成像控點(diǎn)編號(hào)。如圖2所示,通過(guò)布設(shè)網(wǎng)圖能夠很直觀地知道與像控點(diǎn)PT826相關(guān)的6張影像,通過(guò)像控點(diǎn)和像主點(diǎn)之間的連線關(guān)聯(lián)影像和像控點(diǎn),可自動(dòng)加載影像文件。如果需要修改像控點(diǎn)的布點(diǎn)點(diǎn)位,可通過(guò)操作圖形,移動(dòng)點(diǎn)位,改變連線,即實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)新的自動(dòng)加載方案,通常情況下,外業(yè)人員根據(jù)像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行測(cè)量,但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)判別實(shí)地點(diǎn)位不符合要求時(shí),可直接在野外對(duì)布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行修改。

像控點(diǎn)快速布設(shè)另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是像控點(diǎn)的預(yù)選。像控點(diǎn)預(yù)選功能主要基于像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)影像的特征點(diǎn)提取及影像匹配。特征點(diǎn)的提取主要通過(guò)改進(jìn)的SIFT算子實(shí)現(xiàn)[2],然后對(duì)像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)影像進(jìn)行特征點(diǎn)匹配,找出影像間的公共區(qū)域[3](如圖3所示),可將3張影像的公共區(qū)域從原圖上裁剪出來(lái)并分別顯示保存(如圖4所示),供作業(yè)員進(jìn)行像控點(diǎn)預(yù)選。

圖3 三片匹配效果及公共區(qū)域

圖4 像控點(diǎn)預(yù)選功能提取出的三片重疊區(qū)域

像控點(diǎn)快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用降低了生產(chǎn)成本,大大提高航測(cè)外業(yè)像控測(cè)量的工作效率,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)降低成本,縮短生產(chǎn)周期

像控點(diǎn)快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)字化,省去了控制像片沖印的環(huán)節(jié),降低了生產(chǎn)成本的同時(shí),縮短了生產(chǎn)周期。

(2)減少了作業(yè)員的工作量

作業(yè)員無(wú)需再按照傳統(tǒng)的作業(yè)方法(在紙質(zhì)像片上,通過(guò)人工比對(duì)、拼接的方式得到像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)影像的公共區(qū)域,浪費(fèi)大量人力物力),只需通過(guò)像控點(diǎn)預(yù)選功能就可以自動(dòng)、快速找到像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)影像公共區(qū)域,而且獲取的影像公共區(qū)域范圍較人工獲取的公共區(qū)域范圍精確,在減少工作量、降低生產(chǎn)成本的同時(shí),大大提高了生產(chǎn)效率。

(3)節(jié)約了工作時(shí)間

以7條航帶,共93張航片(0.4 m分辨率),覆蓋面積約為478 km2的區(qū)域?yàn)槔?布設(shè)25個(gè)像控點(diǎn),從像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)影像的自動(dòng)預(yù)處理到像控點(diǎn)預(yù)選指導(dǎo)結(jié)果的顯示,整個(gè)過(guò)程只需要20 s左右的時(shí)間,相比于傳統(tǒng)的人工像控點(diǎn)預(yù)選方法,極大地減少了像控點(diǎn)預(yù)選工作的時(shí)間。

(4)野外現(xiàn)場(chǎng)快速修改方案

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)判別實(shí)地點(diǎn)位不符合要求時(shí),需要重新選擇新點(diǎn)。傳統(tǒng)的像控測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)重新選點(diǎn)時(shí),受攜帶的紙質(zhì)像片數(shù)量限制(另外的業(yè)人員可能正在使用相鄰航帶的影像),容易導(dǎo)致選點(diǎn)達(dá)不到要求而重測(cè)。但航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)所帶資料齊全,可以現(xiàn)場(chǎng)快速調(diào)整最優(yōu)方案。

在重慶市第一次地理國(guó)情普查項(xiàng)目的像控點(diǎn)測(cè)量工作中,以7條航帶,共93張航片(0.4 m分辨率),覆蓋面積約為478 km2的區(qū)域?yàn)槔?布設(shè)25個(gè)像控點(diǎn)),進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn):在不計(jì)控制片沖洗環(huán)節(jié)耗費(fèi)時(shí)間的情況下,采用傳統(tǒng)的像控點(diǎn)測(cè)量方法,布設(shè)選擇10個(gè)像控點(diǎn)平均需要1 h,采用像控點(diǎn)快速布設(shè)技術(shù)平均需要20 min,效率提高了66%。

3.2 像控點(diǎn)移動(dòng)終端導(dǎo)航定位技術(shù)

能否快速到達(dá)像控點(diǎn)實(shí)地位置是像控點(diǎn)野外測(cè)量的關(guān)鍵,直接決定像控點(diǎn)測(cè)量的效率。通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理,借助移動(dòng)終端(手機(jī)或平板電腦)進(jìn)行導(dǎo)航定位,可以實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)實(shí)時(shí)定位。

本文中的像控點(diǎn)導(dǎo)航定位技術(shù)以谷歌地圖為導(dǎo)航平臺(tái),通過(guò)帶有GPS模塊的移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)。谷歌地圖可以提供含有政區(qū)和交通以及商業(yè)信息的矢量地圖、不同分辨率的衛(wèi)星照片,在帶有GPS模塊的移動(dòng)終端上可輕松實(shí)現(xiàn)地圖上任意兩點(diǎn)間的路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航,在PC機(jī)和移動(dòng)終端上均有應(yīng)用,并可通過(guò)谷歌賬戶進(jìn)行實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)和移動(dòng)終端間的同步聯(lián)系。通過(guò)試驗(yàn)研究,利用谷歌地圖和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)導(dǎo)航定位的作業(yè)流程如下:

(1)在進(jìn)行像控點(diǎn)預(yù)選后,將像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖從CGCS2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系。

(2)利用Global Mapper和ArcGIS軟件對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,將像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖轉(zhuǎn)換為kml或kmz格式。

(3)通過(guò)谷歌賬戶將像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖導(dǎo)入到谷歌地圖中,規(guī)劃到達(dá)像控點(diǎn)的路線。

(4)在移動(dòng)終端上下載谷歌離線地圖,利用谷歌賬戶導(dǎo)入像控點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)圖和規(guī)劃路線,實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)快速導(dǎo)航定位,如圖5所示。

圖5 像控點(diǎn)定位導(dǎo)航截圖

3.3 像控點(diǎn)數(shù)字化整飾技術(shù)

在外業(yè)航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中,影像可以無(wú)極放大,不用繪制點(diǎn)位略圖。同時(shí)提供屬性信息輸入界面,自動(dòng)生成像控說(shuō)明注記的統(tǒng)一格式。刺點(diǎn)信息直接標(biāo)注于影像之上,通過(guò)設(shè)置信息顯示和隱藏,而不會(huì)造成影像遮擋。刺點(diǎn)完成之后,將刺點(diǎn)區(qū)域影像和像控信息疊加保存為JPG格式圖片,以便后續(xù)使用,如圖6所示。

圖6 像控點(diǎn)刺點(diǎn)影像

4 結(jié) 論

航測(cè)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng),讓像控點(diǎn)布設(shè)工作變得簡(jiǎn)單直觀,且支持野外實(shí)時(shí)修改;本文設(shè)計(jì)的像控點(diǎn)預(yù)選程序,使像控點(diǎn)選點(diǎn)變得簡(jiǎn)單、科學(xué);像控點(diǎn)導(dǎo)航定位技術(shù),緊扣當(dāng)前科技和設(shè)備的發(fā)展,大大提高了像控點(diǎn)測(cè)量的工作效率。本文將三者聯(lián)合實(shí)用,解決了找點(diǎn)困難和找準(zhǔn)最優(yōu)路線困難的問(wèn)題,大大提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本、縮短了生產(chǎn)周期。由于時(shí)間有限,有些技術(shù)還需要繼續(xù)深入試驗(yàn)研究,選擇合適的軟硬件平臺(tái),將像控點(diǎn)快速測(cè)量技術(shù)集成化,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理一鍵化。

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The Application Research of Rapid Image Control Measurement in Geographical Conditions Survey

Zhang Junqian (Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

In this paper,based on the improved SIFT operator as the basic theory,we have designed the fast preselection system of control points,and have made fast layout of control points,fast position and real-time navigation come true with the digital measuring system,conventional mobile terminal,and have improved the rapid measurement technology system of control points.The orthophoto production of the geographical conditions survey in Chongqing,has verified the validity and practicability of this method,and has provided certain reference to the conventional aerial production.

digital measuring system;image control measurement;rapid measurement;geographical conditions survey

1672-8262(2014)06-24-04

P231

A

2014—06—08

張俊前(1981—),男,高級(jí)工程師,主要從事攝影測(cè)量生產(chǎn)與質(zhì)量管理工作。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAH12B07-03)