王光盈,胡　靖

(山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司,山東 煙臺 264000)

空白真正射糾正影像的生成

王光盈,胡靖

(山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司,山東 煙臺 264000)

摘要：空白真正射糾正影像的生成是基于DSM制作真正射影像的最重要的一部分,是進(jìn)行正射糾正讀取原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)定向和相對定向后首先要解決的問題。本文以VC++中MFC為開發(fā)平臺利用仿射變換,實(shí)現(xiàn)影像內(nèi)定向;然后利用共線方程,解決像素坐標(biāo)、像平面坐標(biāo)和地面點(diǎn)坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)化,為利用數(shù)字微分糾正技術(shù)進(jìn)行影像的真正射糾正的灰度賦值做好了準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：DSM；真正射影像；數(shù)字微分糾正；共線方程

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.015

中圖分類號：P231.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0061-04

收稿日期：2015-04-13

作者簡介

Abstract:Blank generation of true orthorectified image is an important part of true orthophoto which is based on DSM, and it is the first problem after the original orientation and relative orientation through orthorectified image data reading the original image. We take the VC++MFC as a development platform in the affine transformation to achieve original orientation. We use a total of line equation to achieve transformation among pixel coordinates and photo coordinates and the ground point coordinates, which is ready for the assignment of orthorectified assignment of gray using differential correction technique.

0引言

隨著遙感影像分辨率的不斷提高,傳統(tǒng)正射糾正采用的地表模型不完善而忽略了地物與地表高差,由此造成的正射影像上建筑物等地物偏離其正直投影位置的現(xiàn)象愈發(fā)明顯,使得傳統(tǒng)的正射影像應(yīng)用面臨許多問題[1]。近年來,隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展,對真正射影像的需求也更加迫切。

數(shù)字真正射影像(TDOM)是基于數(shù)字表面模型(DSM)利用數(shù)字微分糾正中反解法進(jìn)行真正射糾正。首先,改正由地形起伏和建筑物造成的投影差;其次,檢測并標(biāo)識被建筑物遮擋的區(qū)域,對被遮擋區(qū)域進(jìn)行填充;最后,通過陰影的檢測與信息補(bǔ)償,消除了建筑物傾斜產(chǎn)生的遮擋問題。在攝影測量與遙感行業(yè)中,真正射影像制作的研究不但具有很高的理論研究價值,更具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

1真正射影像的制作理論

對于真正射影像的制作和研究,遮蔽檢測和陰影區(qū)的檢測是最為重要的兩部分。目前,遮蔽檢測方法包括Amhar的基于矢量建筑物模型的Z-buffer方法[2],Rau的基于柵格DSM模型的Z-buffer方法[3],Habib的基于角度的檢測方法和Bang的基于角度和高程信息的射線追蹤法等[4]。對于陰影區(qū)的檢測,王濤等提出了一種基于共線方程的正射影像遮蔽區(qū)查找的方法[5],王樹根等基于K-L變換的彩色航空影像陰影檢測[6]。本文主要研究基于DSM真正射糾正過程中的幾個坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)化以及利用MFC創(chuàng)建空白真正射糾正影像方面的問題。在本文研究的基礎(chǔ)上結(jié)合比較成熟的算法思想,利用VC++中MFC開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域大比例尺的真正射影像的制作。

2設(shè)計(jì)思想

2.1　獲取原始BMP格式影像信息

在實(shí)驗(yàn)時以BMP格式影像為例,國際上對BMP格式影像的存儲與結(jié)構(gòu)已經(jīng)有嚴(yán)格的規(guī)范和定義,BMP影像不僅存儲了影像的灰度信息即位圖信息,還有文件頭和調(diào)色板。文件頭用于描述影像的基本信息如大小、寬高以及使用的顏色數(shù)等,調(diào)色板用于說明位圖中的顏色以便系統(tǒng)在顯示影像時能達(dá)到較好的顯示效果。影像中存儲的地面影像信息的位圖數(shù)據(jù),是進(jìn)行正射糾正的數(shù)據(jù)來源。在讀取和顯示時采用了MSDN提供的DIBAPI函數(shù)庫中的函數(shù),實(shí)現(xiàn)BMP影像的讀取與位圖信息獲取。

圖1示出了本文實(shí)驗(yàn)用到的原始影像,是一幅24位真彩色中心投影低空遙感影像,幅面大小:W:2464像素;H:1648像素;像元大小:11.5 μm×11.5 μm.圖2所示為該城市區(qū)域的DSM范圍。

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聯(lián)系人： 王光盈E-mail:skywang008@126.com

圖1　讀取的原始影像

圖2　DSM數(shù)據(jù)范圍示意圖

2.2　像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中要分為兩步來實(shí)現(xiàn):首先將四個角點(diǎn)的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo);然后將像平面坐標(biāo)再轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中四個角點(diǎn)的像素坐標(biāo)分別為(0,0),(0,1648),(2464,1648),(2464,0)。

2.2.1像素坐標(biāo)系

像素坐標(biāo)系是建立在掃描像片上,以像片左下角為原點(diǎn),向右為X軸正方向,向上為Y軸正方向,每個掃描單元(1個像素)為一個單位。如圖3所示。

圖3　像素坐標(biāo)系

2.2.2像片坐標(biāo)系

相對于框標(biāo)坐標(biāo)系而言,以飛行方向?yàn)閄軸正方向,以像主點(diǎn)為原點(diǎn)。即將框標(biāo)坐標(biāo)系的原點(diǎn)由(0,0)平移到(X0, Y0),建立新的坐標(biāo)系即為像片坐標(biāo)系。X0、Y0像主點(diǎn)在框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),即投影中心在像片平面上的垂直投影,是理論像片坐標(biāo)系的原點(diǎn)。如圖4所示。

圖4　像片坐標(biāo)系

像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo)((Sample,Line)->(x,y))的公式為

(1)

其中,A0、A1、A2、B0、B1、B2為仿射變換參數(shù)(即內(nèi)定向參數(shù))。

2.3　像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)

根據(jù)像點(diǎn)(x,y)、投影中心(S)和地物點(diǎn)(X,Y,Z)三點(diǎn)共線,可以列出將四個角點(diǎn)的像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)的共線條件方程式[7]:

(2)

式中： XS、YS、ZS為攝影中心的地面坐標(biāo); a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為旋轉(zhuǎn)矩陣R的元素。采用以Y軸為主軸的φω-κ系統(tǒng)，其中旋轉(zhuǎn)矩陣R為[8]

a1=cosφcosκ,

a2=-cosφsinκ-sinφsinωcosκ,

a3=-sinφcosω,

b1=cosωsinκ,

b2=cosφcosκ,

b3=-sinω,

c1=sinφcosκ+cosφsinωsinκ,

c2=-sinφsinκ+cosφsinωcosκ,

c3=cosφcosω.

(3)

式中,φ、κ、ω為外方位元素的3個角元素。

由上述共線條件方程式和外方位元素解算(X,Y)實(shí)際是一個二維圖像(x,y)變換到三維空間(X,Y,Z)的過程,它是一個迭代求解的過程。地面點(diǎn)的高程值Z是(X,Y)的函數(shù),在求出地面坐標(biāo)(X,Y)之前該點(diǎn)高程值Z是未知的,但由上述公式實(shí)現(xiàn)(x,y)到(X,Y)的變換又必須知道Z值才能進(jìn)行計(jì)算。因此,需首先給定Z的初值Z0，求得(X1,Y1)后,由DSM內(nèi)插得 (X1,Y1)處的高程Z1,然后由(X1,Y1,Z1)通過正解公式求得(X2,Y2),如此反復(fù)迭代,直至求出的Z值與前次的Z值相等或相差很小,其流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)迭代過程

2.4　確定空白真正射影像的范圍

將原始影像四個角點(diǎn)像素坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo),在確定Xmin、Xmax、Ymin、Ymax后不能直接確定正射影像的大小,還需要根據(jù)糾正后正射影像的地面分辨率進(jìn)行如下計(jì)算:

Wwidth=(Xmax-Xmin)/gridx+1,

Height=(Ymax-Ymin)/gridy+1,

(4)

其中:Width、Height分別為正射影像的寬和高;gridx、gridy分別為正射影像在X方向和Y方向的地面分辨率。

經(jīng)以上轉(zhuǎn)換后可調(diào)用DIBAPI函數(shù)庫中CreateDIB(m-nRectWidth,m-nRectHeight, 24)函數(shù)加上文件頭和調(diào)色板信息創(chuàng)建如圖6、圖7所示。

圖6　正射糾正后的建筑物

圖7　真正射影像

3結(jié)束語

在VC++開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上通過仿射變換公式、共線方程,實(shí)現(xiàn)像素坐標(biāo)、像平面坐標(biāo)和地面點(diǎn)坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)化,確定了糾正后正射影像的范圍,建立了空白的真正射影像。在以后的研究中可以利用間接糾正方法依次對正射影像上的點(diǎn)進(jìn)行灰度賦值得到完整的真正射影像數(shù)據(jù)。

本文實(shí)驗(yàn)中采用的是點(diǎn)元素糾正方法,但實(shí)際應(yīng)用中一般都是以“面元素”作為糾正單元,這樣處理速度會有大幅度的提升。以“面元素”作為糾正單元進(jìn)行真正射糾正處理以及精度和速度的評價有待進(jìn)一步研究和探討。

參考文獻(xiàn)

[1]謝文寒,周國清. 城市大比例尺真正射影像陰影與遮擋問題的研究[J]. 測繪學(xué)報(bào), 2010,39(1):52-59.

[2]AMHARF.Thegenerationoftrueorthophotosusinga3DbuildingmodelinconjunctionwithaconventionalDTM[J].InternationalArchivesofPhotogrammetryandRemoteSensing, 1998, 32(4): 16-22.

[3]RAUJ,CHENN,CHENL.Trueorthophotogenerationofbuiltupareasusingmulti-viewimages[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing,2002, 68(6): 581-588.

[4]HABIBAF,KIME,KIMC.Newmethodologiesfortrueorthophotogeneration[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing, 2007, 73(1): 25-36.

[5]王濤,真正射影像制作中有關(guān)算法的研究[D].北京:中國測繪科學(xué)研究院,2009.

[6]王樹根,李德仁,郭澤金,等.正射影像上陰影和遮蔽的信息處理方法研究[J].測繪信息與工程, 2004, 29(4):1-4.

[7]劉軍,王冬紅,王慧,等.基于數(shù)字建筑物模型的線陣推掃影像真正射糾正[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2009,24(1):88-92.

[8]張祖勛,張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1996: 80-102.

王光盈(1983-),男,碩士,助理工程師,現(xiàn)主要從事攝影測量生產(chǎn)工作。

Blank Generation of True Orthorectified Image

WANG Guangying,HU Jing

(ShandongZhengyuanDigitalCityConstructionCo.,Ltd,Yantai264000,China)

Key words: TDOM; DSM; digital differential rectification; collinearity equation