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        DEM航線曝光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法

        2014-06-27 05:47:18周桂初程新文李英成李英杰柳忠偉
        測繪通報(bào) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:像片格網(wǎng)分塊

        周桂初,程新文,李英成,李英杰,柳忠偉

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北武漢 430074;2.中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100039)

        DEM航線曝光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法

        周桂初1,2,程新文1,李英成2,李英杰2,柳忠偉1,2

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北武漢 430074;2.中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100039)

        提出一種基于全國DEM數(shù)據(jù)庫,根據(jù)飛機(jī)飛行高度、飛行方向、設(shè)計(jì)重疊度、當(dāng)前曝光點(diǎn)坐標(biāo),自動(dòng)快速計(jì)算下一曝光點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法,該方法不但能滿足直升飛機(jī)自由飛行路線的影像獲取,而且能顧及地形起伏對像片重疊度的影響。試驗(yàn)表明,該方法設(shè)計(jì)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)更加科學(xué)、合理。

        高斯正算;高斯反算;DEM動(dòng)態(tài)分塊;DEM信息檢索;基線修改

        一、引 言

        傳統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)方法是采用諸如ArcGIS、Auto-CAD等軟件,基于基本比例尺地形圖,粗略考慮地形起伏對平均基準(zhǔn)面的影響,按照一定重疊度手工完成航線及像主點(diǎn)敷設(shè)工作,航線設(shè)計(jì)工作效率低、結(jié)果精度低、數(shù)據(jù)冗余量大[1]。

        為提高設(shè)計(jì)工作效率與航線設(shè)計(jì)精度,國內(nèi)外學(xué)者研究了一些專門的航線設(shè)計(jì)軟件,如美國的ASCOT、德國CCNS4、國內(nèi)中測新圖研發(fā)的TOPPlan航線設(shè)計(jì)軟件等。這些軟件在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)前,必須明確知道測區(qū)范圍,然而在地震、泥石流等自然災(zāi)害來臨時(shí),無法知道災(zāi)區(qū)范圍及損壞程度,相關(guān)部門需要直升飛機(jī)搭載便攜式航空攝影儀來第一時(shí)間獲得災(zāi)區(qū)的航空影像數(shù)據(jù),顯然無法設(shè)計(jì)直升飛機(jī)飛行的航線,這一系列軟件由于缺乏自適應(yīng)性,無法滿足應(yīng)急需要。本文提出基于全國DEM數(shù)據(jù)庫,直升飛機(jī)飛行高度、飛行方向、設(shè)計(jì)重疊度,實(shí)時(shí)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前曝光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算下一曝光點(diǎn)坐標(biāo)的方法。

        二、航線曝光點(diǎn)計(jì)算方法與原理

        直升飛機(jī)進(jìn)行應(yīng)急救災(zāi)時(shí),在無準(zhǔn)確的航線設(shè)計(jì)文件下,需要根據(jù)災(zāi)區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行自適應(yīng)飛行控制來進(jìn)行影像拍攝。因此在已知相機(jī)參數(shù)(像元大小、旁向像片像素?cái)?shù)、航向像片像素?cái)?shù)、焦距)與航攝參數(shù)(航高、航攝比例尺、飛行方向、設(shè)計(jì)重疊度)后,根據(jù)當(dāng)前曝光點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算下一曝光點(diǎn)坐標(biāo),步驟為:①當(dāng)前曝光點(diǎn)高斯正算;②預(yù)設(shè)下一曝光點(diǎn);③高斯反算,求取當(dāng)前曝光點(diǎn)及下一曝光點(diǎn)像片覆蓋的DEM實(shí)際范圍;④讀取相鄰兩張像片覆蓋區(qū)域DEM的高程信息;⑤根據(jù)地面起伏修正預(yù)設(shè)重疊度;⑥修改基線長度,直至重疊度滿足要求后計(jì)算曝光點(diǎn)坐標(biāo)。

        1.當(dāng)前曝光點(diǎn)高斯正算

        在不考慮攝站中心與GPS接收機(jī)相位中心偏移,且GPS接收機(jī)采用WGS-84坐標(biāo)系時(shí),可知曝光點(diǎn)坐標(biāo)是大地坐標(biāo)(B,L,H)或空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)。由于像片覆蓋地面實(shí)際范圍比較小,因此為避免把飛機(jī)飛行方向改化為大地方位角及基線改化為大地線帶來的誤差,采用高斯-克呂格投影,將曝光點(diǎn)的橢球坐標(biāo)正算為平面坐標(biāo)。

        2.預(yù)設(shè)下一曝光點(diǎn)

        以真北方向?yàn)槠鹗挤较?,飛機(jī)飛行方向?yàn)閍,那么預(yù)設(shè)下一曝光點(diǎn)坐標(biāo)為

        3.計(jì)算像片覆蓋地面實(shí)際范圍

        如果像片傾角小于3°,則忽略像片傾斜對像點(diǎn)位移的影響,近似為水平像片,那么可根據(jù)式(3)得到相鄰曝光點(diǎn)影像覆蓋區(qū)域

        式中,m為航攝比例尺;(x0,y0)為曝光點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo);(x1,y1)為以像片中心為原點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)。因此,已知當(dāng)前曝光點(diǎn)及預(yù)測曝光點(diǎn),結(jié)合式(3),可求得兩張像片覆蓋區(qū)域內(nèi)所有拐點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)。由于需要根據(jù)DEM高程信息實(shí)時(shí)糾正預(yù)測曝光點(diǎn)位置,而DEM采用的是WGS-84坐標(biāo)系下的地理坐標(biāo),因此必須將像片覆蓋區(qū)域的高斯平面坐標(biāo)反算成地理坐標(biāo),高斯反算公式可參考文獻(xiàn)[3]。當(dāng)飛機(jī)飛行方向?yàn)槠姹狈较?0°,相鄰兩張像片在DEM覆蓋實(shí)際范圍如圖1所示。

        圖1 飛行方向?yàn)?0°,相鄰像片覆蓋的DEM區(qū)域

        4.DEM高程信息檢索

        由于在航線設(shè)計(jì)軟件中,DEM是作為各種計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如重疊度的調(diào)整、攝區(qū)的分區(qū)與像主點(diǎn)的敷設(shè)、基準(zhǔn)面的計(jì)算等,可見DEM數(shù)據(jù)的組織在軟件運(yùn)行效率方面扮演著舉足輕重的作用。本文提出了一種分塊動(dòng)態(tài)提取DEM數(shù)據(jù)的方法,旨在提出DEM數(shù)據(jù)最佳吻合像片范圍下的高程數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)分塊組織完成后,需要檢索出實(shí)際多邊形覆蓋區(qū)域DEM的高程信息(相機(jī)覆蓋范圍高程最值、統(tǒng)計(jì)信息等),因此本文采用基于掃描線的DEM高程信息檢索,旨在高效地檢索出DEM的高程信息。

        (1)DEM數(shù)據(jù)組織

        此方法的主要思想是:對航攝區(qū)域分塊組織,然后按塊循環(huán)與航攝區(qū)域求交,如果相交,就提取這塊DEM數(shù)據(jù)到內(nèi)存參加航線設(shè)計(jì)的計(jì)算;如果不相交,則不提取這塊數(shù)據(jù)并賦空值,對其賦空值是為了方便后面的計(jì)算。最后把所有提取的DEM數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)參與顯示與分析。

        就如何分塊及分塊的大小如何確定,一般有兩種選擇:①根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)航線敷設(shè)的要求以成圖圖幅的大小為塊的大小,這樣就不用建立航攝區(qū)域的外包矩形了;②根據(jù)攝區(qū)實(shí)際大小合理選擇塊的大小,如圖2所示,此算法的具體步驟為:

        1)構(gòu)造需要提取的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)體(struct grid),結(jié)構(gòu)體的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容是:格網(wǎng)的左下角坐標(biāo)(m_ LX,m_BY)、格網(wǎng)的寬(ΔL)和高(ΔB)、格網(wǎng)所代表的DEM數(shù)據(jù)(m_Data)。

        2)根據(jù)輸入的航攝區(qū)域拐點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)造攝區(qū)的多邊形范圍。

        3)尋找攝區(qū)多邊形在L、B方向上的最大值與最小值,形成攝區(qū)的最小外包矩形,然后根據(jù)格網(wǎng)大小(ΔL,ΔB)求得L、B方向上的格網(wǎng)數(shù)據(jù)及每個(gè)格網(wǎng)的左下角地理坐標(biāo)。

        4)建立格網(wǎng)多邊形,根據(jù)格網(wǎng)是否與攝區(qū)多邊形相交,依次提取所需要的DEM數(shù)據(jù),并分別進(jìn)行標(biāo)記。

        5)把所提取的與攝區(qū)相交的格網(wǎng)左下角地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)左上角像素坐標(biāo),并分塊循環(huán)讀取格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù),對于其他格網(wǎng),對其存儲(chǔ)DEM數(shù)據(jù)的變量賦NULL值。

        6)保存并輸出所提取的DEM數(shù)據(jù)。

        圖2 多邊形DEM分塊圖

        (2)多邊形DEM高程信息檢索

        本文選擇的算法是基于掃描線的DEM高程信息檢索,該算法的思想是:①根據(jù)DEM范圍的拐點(diǎn)建立外包矩形,選擇矩形的邊長較短邊,然后以一個(gè)像素大小的間隔依次建立直線,得到直線與多邊形的交點(diǎn)數(shù)與交點(diǎn)坐標(biāo);②依次取兩個(gè)交點(diǎn)之間的中點(diǎn),并判斷此中點(diǎn)是否在多邊形內(nèi),如果是,則提取這兩個(gè)交點(diǎn)組成的線段內(nèi)的像素值,如果不是則不提??;③統(tǒng)計(jì)所有提取出的像素值就是多邊形DEM的高程信息。

        DEM數(shù)據(jù)分塊對此算法產(chǎn)生的影響主要是在提取像素值時(shí)需要作一個(gè)轉(zhuǎn)換,就是像素在外包矩形內(nèi)的行列號與此像素在所屬分塊內(nèi)的行列號的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換關(guān)系的主要程序流程如圖3所示。

        圖3 行列號轉(zhuǎn)換主要流程

        5.根據(jù)地面起伏修正預(yù)設(shè)重疊度

        地形起伏引起的航向重疊度誤差如圖4所示。

        圖4 地形起伏引起的航向重疊度誤差

        設(shè)py為規(guī)定重疊度在平均基準(zhǔn)面上所對應(yīng)的航向重疊長度;Δh為地面某點(diǎn)高出平均基準(zhǔn)面的相對高差;p′y為比平均基準(zhǔn)面高出Δh的地面實(shí)際航向重疊度;Ly為像幅的航向邊長相應(yīng)于平均基準(zhǔn)面上的長度;L′y為像幅的航向邊長在高出平均基準(zhǔn)面Δh地面上的長度;Δp′y為地形起伏引起的航向重疊度寬度誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)可得,已知計(jì)劃的平均基準(zhǔn)面的航向重疊度py,那么地面某點(diǎn)高出平均基準(zhǔn)面的實(shí)際航向重疊度p′y為

        6.修改基線長度

        根據(jù)多邊形DEM高程信息檢索法,可得相鄰像片覆蓋區(qū)域的公共區(qū)域的DEM高程最高點(diǎn),以及兩張像片覆蓋DEM區(qū)域的平均高程(假設(shè)基準(zhǔn)高程)。因此可得到Δh,代入式(4),可得實(shí)際重疊度,然后根據(jù)實(shí)際重疊度與預(yù)設(shè)重疊度調(diào)整基線,直至滿足實(shí)際所需要的重疊為止[5]。流程如圖5所示。

        圖5 曝光點(diǎn)計(jì)算概略流程

        三、試驗(yàn)分析與驗(yàn)證

        筆者根據(jù)上述的理論分析與設(shè)計(jì),利用C++和QT組件,研發(fā)基于分辨率為90 m的SRTM_DEM,根據(jù)當(dāng)前曝光點(diǎn)實(shí)時(shí)精確解算下一曝光點(diǎn)的程序。

        程序采用QT設(shè)計(jì)界面,輸入相關(guān)像片參數(shù)、航攝參數(shù),如圖6所示;根據(jù)當(dāng)前曝光點(diǎn)計(jì)算在3°帶,WGS-84橢球下的高斯正反算如圖7所示。

        圖6 參數(shù)設(shè)置

        圖7 曝光點(diǎn)正反算

        本文根據(jù)下面兩個(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證該算法設(shè)計(jì)曝光點(diǎn)的合理性及程序運(yùn)行效率:

        試驗(yàn)1:在平坦區(qū)域敷設(shè)航線。采用的相機(jī)參數(shù)、航攝參數(shù)如圖6和圖7所示,像片重疊度至少為60%,飛機(jī)飛行方向?yàn)槠?0°,起始曝光點(diǎn)地理位置為(30°30′N,114°20′E)。通過連續(xù)幾個(gè)曝光點(diǎn)計(jì)算,得到如圖8所示的像片覆蓋區(qū)域與曝光點(diǎn)及航線設(shè)計(jì)表。

        圖8 平坦區(qū)域DEM的精確曝光點(diǎn)及像片覆蓋范圍

        表1 平坦區(qū)域航線設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)1表明,相鄰兩張像片由于重疊區(qū)域高程最值與覆蓋區(qū)域高程差值不大,即地形起伏不大,因此航線敷設(shè)的曝光點(diǎn)均勻,基線長相差不大。而且兩像片覆蓋平均區(qū)域高程與重疊區(qū)域最高高程差值越大,在滿足實(shí)際重疊至少為60%時(shí),所需要像片重疊度越大。

        試驗(yàn)2:在地勢崎嶇地區(qū)敷設(shè)航線。選取區(qū)域?yàn)樗拇ㄊ∨c陜西省交界地區(qū),處于秦嶺地帶,起始曝光點(diǎn)地理坐標(biāo)為(33°14′12.23″N,104°22′09.86″E),飛機(jī)飛行方向?yàn)槠?4.42°,最小重疊度為60%,其他相機(jī)及飛行參數(shù)同試驗(yàn)1。經(jīng)過連續(xù)幾個(gè)曝光點(diǎn)計(jì)算,得到如圖9所示的像片覆蓋區(qū)域與曝光點(diǎn)及航線設(shè)計(jì)表。

        圖9 地勢崎嶇區(qū)域DEM的精確曝光點(diǎn)及像片覆蓋范圍

        試驗(yàn)2表明,相鄰兩張像片由于重疊區(qū)域高程最值與覆蓋區(qū)域高程差值較,即地形起伏明顯,因此設(shè)計(jì)航線兩兩曝光點(diǎn)間距不等,且有些差距明顯。而且兩像片覆蓋平均區(qū)域高程與重疊區(qū)域最高高程差值越大,在滿足實(shí)際重疊至少為60%時(shí),所需要像片重疊度越大。

        四、結(jié)束語

        根據(jù)試驗(yàn)表明及應(yīng)用結(jié)果,本程序在計(jì)算曝光時(shí),充分考慮兩兩相鄰像片覆蓋的實(shí)際地形進(jìn)行曝光點(diǎn)的精確計(jì)算,因此曝光點(diǎn)的計(jì)算更加精確,航線設(shè)計(jì)更加合理。同時(shí)在直升飛機(jī)應(yīng)急救災(zāi)時(shí),只需輸入相應(yīng)的飛行方向及航高,即可實(shí)時(shí)地根據(jù)當(dāng)前地形及當(dāng)前曝光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算下一曝光點(diǎn)坐標(biāo)。試驗(yàn)表明,本文提出的DEM動(dòng)態(tài)分塊、幾何法探索DEM高程信息,不但可提高DEM信息的讀取效率,而且更加合理地根據(jù)實(shí)際像片實(shí)際范圍來讀取高程信息。因此隨著航空攝影技術(shù)的發(fā)展,在獲取地理信息的過程中對于數(shù)字化和自動(dòng)化的要求越來越高,所以提升計(jì)算機(jī)輔助航線設(shè)計(jì)的效率以及適應(yīng)性是非常有必要的,并且也是一項(xiàng)具有創(chuàng)新性的工作。

        表2 地勢崎嶇航線設(shè)計(jì)

        [1] 朱武,嚴(yán)榮華.基于DEM的航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)方法[J].測繪科學(xué),2002,27(4):42-44.

        [2] 張劍清,潘勵(lì),王樹根,等.攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2009.

        [3] 孔祥元,郭際明,劉宗泉,等.大地測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

        [4] 王東亮,萬幼川,徐景中,等.基于DEM的機(jī)載LiDAR航線設(shè)計(jì)[J].測繪科學(xué),2011,36(1):116-118.

        [5] 譚國成,范業(yè)穩(wěn),司順奇.基于DEM的地理坐標(biāo)系下航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)[J].測繪科學(xué),2008,33(2):84-87.

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        The Method of Calculating Exposure Point Coordinate of Flying Route Based on DEM

        ZHOU Guichu,CHENG Xinwen,LI Yingcheng,LI Yingjie,LIU Zhongwei

        P237

        B

        0494-0911(2014)07-0031-04

        2013-05-25

        周桂初(1987—),男,四川廣安人,碩士生,主要從事航空攝影測量研究工作。

        周桂初,程新文,李英成,等.DEM航線曝光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法[J].測繪通報(bào),2014(7):31-34.

        10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0219

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