□ 浙江省第二測繪院 許一睿 鄧廷起

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，測繪技術(shù)的日新月異，空間地理信息數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)多樣化，數(shù)據(jù)量大小也呈指數(shù)級增長，大數(shù)據(jù)時(shí)代對歷史空間地理信息數(shù)據(jù)資源的挖掘分析有著潛在的應(yīng)用市場。近年來，浙江省大力推進(jìn)“三改一拆”、全域土地綜合整治與生態(tài)修復(fù)工程、城中村改造等工作，工作中遇到了歷史違法用地辨別依據(jù)不足、早年地類是否存量建設(shè)用地判別困難等問題。這些問題可以利用歷史航空影像資料很好地進(jìn)行解決。為高效管理和有效利用歷史航空影像，對歷史航空影像進(jìn)行處理勢在必行。實(shí)現(xiàn)對航空影像定位以及后續(xù)應(yīng)用，對航空影像空三加密是必不可少的步驟，眾多航空影像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了航攝資料的管理，同時(shí)可以對單張影像數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和更新，但是卻不能實(shí)現(xiàn)歷史航空影像的漫游瀏覽和空間查詢。傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密不同于數(shù)碼影像空三加密，其加密方法直接影響其空三精度以及效率。本文對傳統(tǒng)膠片航攝影像數(shù)字掃描影像空三加密誤差分析，通過測試試驗(yàn)，改進(jìn)傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密方法，提升傳統(tǒng)膠片航攝影像空三效率以及空三加密成果精度。

一、傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密誤差分析

傳統(tǒng)膠片航攝影像，相對于數(shù)碼航片會有一些新的誤差源影響其空中三角測量精度，主要以下幾個(gè)方面。

（一）內(nèi)定向

利用影像數(shù)字化器將膠片航片掃描轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，其主要是將原來模擬方式的信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)字形式的信息。但每張數(shù)字影像大小會不一致，所以首先通過內(nèi)定向的方式將掃描影像的掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到像平面坐標(biāo)系，內(nèi)定向誤差是傳統(tǒng)膠片航攝影像空中三角測量的主要誤差。

（二）控制點(diǎn)獲取困難

傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密成果精度較低，像控點(diǎn)成果較少且精度較低，特別對于空三成果缺失的上世紀(jì)七八十年代早期歷史航片，與現(xiàn)今相隔年限較長，變化較大，若通過實(shí)地測量歷史航片的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)會相當(dāng)困難且不太現(xiàn)實(shí)。如何獲取早期歷史航片的像控點(diǎn)將是早期歷史航片空三加密的關(guān)鍵。

（三）影像變形引起的不可預(yù)知誤差

傳統(tǒng)膠片航攝影像在轉(zhuǎn)換成數(shù)字掃描影像前已經(jīng)存放很多年，早期歷史航片存放時(shí)間過長，膠片影像已發(fā)生不可量算的變形。同時(shí)掃描影像紋理弱或掃描時(shí)亮度沒調(diào)好，反光強(qiáng)烈。這些對連接點(diǎn)自動匹配以及空三加密的精度影響較大。

二、提升傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)對傳統(tǒng)航攝影像空三加密精度與效率影響的分析，突破影響歷史航片空三加密精度的內(nèi)定向、控制點(diǎn)獲取困難、影像變形等幾個(gè)問題的關(guān)鍵技術(shù)，利用數(shù)碼影像特征點(diǎn)全自動匹配技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密方法。

（一）像主點(diǎn)歸一化

由于膠片的框標(biāo)不清晰造成掃描影像的內(nèi)定向工作量大且誤差較大，其誤差將會積累到空三加密成果中，嚴(yán)重影響空三加密成果的精度。參考數(shù)碼影像內(nèi)定向誤差理論值為零，對不同大小的膠片航攝影像通過修改畫布大小的方式（不影響影像分辨率）統(tǒng)一數(shù)字掃描影像畫幅大小。這樣膠片影像的空三加密轉(zhuǎn)變成了簡單的數(shù)碼航片的空三加密，內(nèi)定向誤差理論值也為零。這樣不但去除了內(nèi)定向的工作步驟，同時(shí)也去除了內(nèi)定向誤差對空三加密精度的影響，這一步驟稱為像主點(diǎn)歸一化。

（二）基于最新航攝影像量取歷史航片像控點(diǎn)

將歷史航片作為子區(qū)添加到同區(qū)域最新數(shù)碼航片已有加密成果工程中。在加密區(qū)內(nèi)添加連接點(diǎn)作為歷史航片的控制點(diǎn)，這樣做有以下幾個(gè)有利條件。

a.兩期影像在統(tǒng)一平臺下，有利于同名點(diǎn)的選取。

b.連接點(diǎn)精度有保證。

c.可以任意選取同名點(diǎn)作為連接點(diǎn)。

d.連接點(diǎn)坐標(biāo)即為歷史航片控制點(diǎn)坐標(biāo)。

（三）自檢校改正影像變形誤差

將歷史影像不可量測的形變誤差歸算到畸變差模型中，通過畸變差模型參與歷史影像空三加密的自檢校平差，利用控制點(diǎn)以及大量的連接點(diǎn)解算影像畸變差模型參數(shù)，改正影像形變。

三、膠片航攝影像空三加密生產(chǎn)試驗(yàn)

（一）航攝資料分析及試驗(yàn)技術(shù)流程

本試驗(yàn)過程包括傳統(tǒng)膠片航攝影像像主點(diǎn)歸一化、影像自動匹配、不同時(shí)相加密區(qū)合并、歷史影像像控點(diǎn)獲取以及空三精度評定等步驟，具體總試驗(yàn)技術(shù)流程如下圖1所示。

▲圖1▲傳統(tǒng)膠片影像空三加密試驗(yàn)技術(shù)流程圖

選擇的試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省中部的蘭溪市北部區(qū)塊，面積約130平方公里，東西長約12公里，南北長約11公里，整體地形為山地。試驗(yàn)區(qū)所用歷史影像航攝資料為1979年航攝的膠片影像，試驗(yàn)區(qū)最新航攝資料為2016年0.2米分辨率數(shù)碼影像。

▲圖2▲膠片掃描影像像主點(diǎn)歸一化

（二）傳統(tǒng)膠片航攝影像空三加密主要技術(shù)

1. 像主點(diǎn)歸一化

內(nèi)定向誤差對膠片影像空三加密精度影響較大，為了減少內(nèi)定向?qū)δz片影像空三加密精度的影響以及減少內(nèi)定向工作量，將掃描影像通過修改影像畫布大小的方式將其影像大小統(tǒng)一（不改變影像分辨率），如圖2所示。這樣內(nèi)定向誤差理論值為零。

通過對膠片掃描影像畫布大小的改變，影像幅面大小長寬一致，使得其像主點(diǎn)居于影像中心，膠片影像空三加密方式轉(zhuǎn)換成簡單的數(shù)碼影像空三加密，因此數(shù)碼影像空三加密技術(shù)，如特征點(diǎn)提取、自動匹配、密集匹配就可以應(yīng)用于膠片影像的空三加密。

▲圖3▲1979年蘭溪測區(qū)航攝影像及控制點(diǎn)分布結(jié)合圖

2.膠片影像像控點(diǎn)獲取及空三加密

由于1979年膠片歷史影像與2016年影像變化較大，像控點(diǎn)獲取通過實(shí)地測量較為困難。將膠片歷史影像與2016年數(shù)碼影像建立在同一區(qū)域網(wǎng)加密區(qū)內(nèi)，在空三軟件量測平臺添加連接點(diǎn)，且連接點(diǎn)同為膠片歷史影像與2016年數(shù)碼影像同名點(diǎn)。加密區(qū)內(nèi)均勻添加連接點(diǎn)后，將加密區(qū)分為兩個(gè)加密區(qū)，膠片歷史影像為一個(gè)加密區(qū)，2016年數(shù)碼影像為一個(gè)加密區(qū)（已有空三加密成果，且包含膠片歷史影像的同名點(diǎn)）。將2016年數(shù)碼影像已有空三加密成果重新平差得到的同名點(diǎn)物方點(diǎn)坐標(biāo)即作為膠片歷史影像加密區(qū)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。膠片歷史影像航攝曝光點(diǎn)與像控點(diǎn)分布圖如圖3所示。

3.膠片航攝影像附加參數(shù)自檢?？刂凭W(wǎng)平差

膠片歷史影像由于存放時(shí)間過長，影像存在一定的不可量算的誤差，通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型利用多余的控制點(diǎn)觀測量進(jìn)行誤差改正，一般常用的誤差改正量可表示成像點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)如下所示：

Δx=f1(x,y)

Δy=f2(x,y)

通過附加參數(shù)自檢校模型進(jìn)行控制網(wǎng)平差，能有效去除膠片影像的形變誤差，提升空三加密成果精度。

（三）膠片航攝影像空三加密精度評價(jià)

將空三加密成果導(dǎo)入到全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，在立體上量測檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，特別是高程值。檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)在2016年已有空三加密成果中量測獲取。以檢查點(diǎn)量測為基準(zhǔn)，立體量測相對于檢查點(diǎn)量測的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計(jì)算。

式中：m1—檢查點(diǎn)中誤差，單位為米（m）；△—檢查點(diǎn)實(shí)測值與立體觀測值誤差，單位為米（m）；n—參與評定的檢查點(diǎn)數(shù)（共42個(gè)）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

若采用常規(guī)的膠片航攝影像空三加密方法，經(jīng)已有膠片航攝影像空三加密成果精度統(tǒng)計(jì)，加密點(diǎn)坐標(biāo)中誤差大約在1米左右。而本文通過對膠片航攝影像空三加密方法的改進(jìn)，從表1空三加密精度統(tǒng)計(jì)相對中誤差可以看出，此種方法極大地提升了膠片航攝影像空三加密成果精度，至少一個(gè)數(shù)量級的提升，統(tǒng)計(jì)相對中誤差為±0.13米。

表1▲空三加密成果精度統(tǒng)計(jì)表

四、基于膠片航攝影像高精度空三加密成果的應(yīng)用

高精度膠片航攝影像空三加密成果，在實(shí)際工程中膠片航攝影像有著廣泛的應(yīng)用前景，高精度膠片航攝影像空三加密成果可以通過密集匹配獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，由于歷史航空影像植被稀疏、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)勢性植被茂密區(qū)域植被分離；高精度的DEM數(shù)據(jù)以及現(xiàn)勢性地表植被高程信息可實(shí)現(xiàn)電力工程桿塔室內(nèi)精確定位，減少大量外業(yè)實(shí)地測量工作。

同時(shí)高精度膠片航攝影像的空三加密成果，結(jié)合現(xiàn)勢性航攝影像通過密集匹配實(shí)現(xiàn)見樹又見地，可以輔助喬、灌木的區(qū)分，可以進(jìn)行植被動態(tài)監(jiān)測。

再次對膠片歷史航片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可有效保障歷史數(shù)據(jù)的安全，避免信息資源損失，同時(shí)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提高大大增強(qiáng)了影像的精度和實(shí)用性，為獲取數(shù)字高程模型、建筑物甄別測繪、拆遷補(bǔ)償司法鑒定等多種應(yīng)用提供服務(wù)。