田 東，馬 逍，周 海

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

水利工程對(duì)于人民生產(chǎn)、生活至關(guān)重要，建設(shè)水利工程能夠?qū)λ窟M(jìn)行有效控制與調(diào)節(jié)，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活對(duì)水資源的需求，避免洪澇或干旱災(zāi)害對(duì)人民生產(chǎn)生活的影響[1]。在進(jìn)行水利工程建設(shè)前，為保證施工安全和工程建設(shè)后的正常使用以及使用年限，必須進(jìn)行工程建設(shè)征地區(qū)域的測(cè)量與繪制。通過精確繪制區(qū)域地區(qū)，為工程使用提供依據(jù)，保障工程選址合理，按設(shè)計(jì)施工并進(jìn)行有效管理，同時(shí)測(cè)繪地圖在工程運(yùn)營(yíng)階段對(duì)工程進(jìn)行形變觀測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)，以保證工程運(yùn)行正常。因此，地區(qū)建設(shè)水利工程前需要進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)域測(cè)繪。

早期的地區(qū)測(cè)繪方法需要人工攜帶全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等設(shè)備，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)選取特征點(diǎn)進(jìn)行人工測(cè)繪。不僅操作繁瑣、效率低下，工作環(huán)境惡劣，而且測(cè)繪精度受到使用設(shè)備以及測(cè)繪人員能力的限制較大[2]。隨著測(cè)繪理論以及新技術(shù)的不斷應(yīng)用，遙感、GPS、通信技術(shù)、信息技術(shù)以及測(cè)繪儀器的應(yīng)用都推動(dòng)了測(cè)繪方法的不斷優(yōu)化。利用衛(wèi)星遙感攝像技術(shù)可以從高空以宏觀的視角，快速并且高效地獲取地面圖像信息，這些遙感成像經(jīng)過圖像處理及分析后，能夠得到圖像中的地面詳細(xì)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的人工攜帶設(shè)備進(jìn)行測(cè)繪的方法相比，利用遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪的成本更低。利用GIS進(jìn)行測(cè)繪能夠提升測(cè)繪信息的收集效率，但是其對(duì)于計(jì)算能力要求較高[3]。文獻(xiàn)[4]中的紅外測(cè)繪技術(shù)對(duì)于小范圍區(qū)域測(cè)繪效果良好，但是存在操作繁瑣、效率低的問題。文獻(xiàn)[5-6]利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)程測(cè)繪，提高了精度的同時(shí)，也造成測(cè)繪成本較高。

航攝遙感技術(shù)是在傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)基礎(chǔ)上，使用搭載遙感采集設(shè)備的航空器在地面目標(biāo)區(qū)域按照指定路線飛行拍攝遙感圖像，以獲取地面遙感信息[7]。水利工程建設(shè)時(shí)，其建設(shè)征地區(qū)域的面積廣，工程施工工期長(zhǎng)，但是在建設(shè)工程時(shí)，為確保施工安全，工程對(duì)于測(cè)繪數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高。航攝遙感技術(shù)能夠提高遙感成像的精度，并且操作上更加簡(jiǎn)便、快捷，成本低廉，可以短時(shí)間內(nèi)反復(fù)測(cè)量，能滿足應(yīng)用于水利工程測(cè)繪工作的需要。

基于以上分析內(nèi)容，為提高地區(qū)區(qū)域測(cè)繪精度與工作效率，本文將研究基于航攝遙感技術(shù)的水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證該方法的實(shí)際可行性，為以后該測(cè)繪方法在其它類型工程的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 基于航攝遙感技術(shù)的水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪方法研究

1.1 航攝遙感技術(shù)參數(shù)設(shè)定

水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪的精度很大程度上取決于地區(qū)航攝遙感影像的精度，因此在利用航空器采集工程建設(shè)征地區(qū)域遙感影像時(shí)，需要設(shè)置航空器的航線以及準(zhǔn)確合理地布設(shè)像控點(diǎn)等技術(shù)參數(shù)。首先根據(jù)水利工程建設(shè)前期的水文、地質(zhì)等勘測(cè)數(shù)據(jù)，確定航攝遙感影像的成像比例尺，并根據(jù)實(shí)地的勘測(cè)資料，利用航空器在平面網(wǎng)和平高網(wǎng)的計(jì)劃航線數(shù)量、高程控制點(diǎn)等，選擇全野外方式進(jìn)行像控點(diǎn)布點(diǎn)。具體的航攝遙感像控點(diǎn)布點(diǎn)要求見表1[8]。

表1 航攝遙感像控點(diǎn)布點(diǎn)要求說明表

按照表1要求，根據(jù)實(shí)際進(jìn)行航攝遙感成像的比例尺，布置像控點(diǎn)基線。水利工程建設(shè)征地區(qū)域的范圍較廣，成像比例尺的選取需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)的地形或建筑物高度分別確定。根據(jù)成像區(qū)域內(nèi)的等高線變化，規(guī)劃航空器的飛行路徑，調(diào)整航空器的飛行高度。

為獲取工程建設(shè)征地區(qū)域內(nèi)的對(duì)象具體位置信息，還需要確定GPS數(shù)據(jù)的觀測(cè)控制點(diǎn)。由于航空器飛行中其在地球空間三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)不斷發(fā)生變化，因此GPS位置信息觀測(cè)控制點(diǎn)為固定點(diǎn)位。為避免GPS信號(hào)受到干擾，在GPS觀測(cè)控制點(diǎn)的周圍需要無強(qiáng)電磁波干擾源，并且遠(yuǎn)離會(huì)反射的高地形。GPS位置信息觀測(cè)控制點(diǎn)不斷接收航空器上搭載的GPS信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)，在定位航空器的位置同時(shí)，建立航攝遙感成像圖像內(nèi)對(duì)象的地球空間三維坐標(biāo)。GPS信號(hào)利用基線進(jìn)行解算，并利用同步環(huán)、異步環(huán)對(duì)GPS數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。GPS信號(hào)解算即為將遙感圖像中的對(duì)象坐標(biāo)，由GPS控制點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)的空間坐標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)、平移等操作轉(zhuǎn)換為地球空間三維坐標(biāo)。在解算時(shí)，利用最小二乘法從兩個(gè)坐標(biāo)系中的公共點(diǎn)著手，得到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)[9]。

航攝遙感成像的航空器飛行參數(shù)需要根據(jù)遙感成像的相機(jī)參數(shù)、計(jì)劃飛行高度、測(cè)繪要求的地面分辨率等參數(shù)確定。若遙感成像使用的相機(jī)參數(shù)已知，則航空器的飛行高度主要由測(cè)繪要求的地面分辨率確定。航攝高度與測(cè)繪成像分辨率之間的關(guān)系見圖1。

圖1 航攝高度與測(cè)繪成像分辨率關(guān)系示意圖

航空器飛行路徑的航向擬合度，則由飛行高度和像控點(diǎn)位置決定。則航攝遙感成像的航空器飛行高度和路徑航向擬合度計(jì)算公式如下：

(1)

按照如上內(nèi)容設(shè)定航攝遙感成像技術(shù)參數(shù)，獲取水利工程建設(shè)征地區(qū)域遙感圖像。

1.2 航攝遙感圖像校正

由于當(dāng)前的航攝遙感成像技術(shù)仍需要依靠鏡頭獲取圖像，而鏡頭自身的非線性畸變以及航空器的飛行狀態(tài)都會(huì)影響成像投影。因此，為提高區(qū)域測(cè)繪精度，對(duì)航攝遙感圖像進(jìn)行校正。本研究采用重采樣與內(nèi)插相結(jié)合的方法校正。圖2為航攝遙感圖像校正示意圖[10]。

圖2 航攝遙感圖像校正示意圖

從初始的航攝遙感成像圖像的任意一像元出發(fā)，按照式(2)獲取幾何校正后，所對(duì)應(yīng)遙感圖像的像元坐標(biāo)為：

(2)

式中：(x,y)為初始的航攝遙感圖像的像元坐標(biāo)；(X,Y)為幾何校正后對(duì)應(yīng)(x,y)的像元坐標(biāo)；FX和FY為相應(yīng)的直接采樣坐標(biāo)變換函數(shù)。

將初始圖像中像元(x,y)上的灰度值賦值給幾何校正后的(X,Y)像元。而隨機(jī)選取的初始圖像像元坐標(biāo)不一定為整數(shù)，需要采取插值運(yùn)算的方式獲取對(duì)應(yīng)像元坐標(biāo)的灰度值。

考慮到水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪對(duì)遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和測(cè)繪效率的要求，結(jié)合目前常用的內(nèi)插函數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用雙線性插值法計(jì)算得到遙感圖像中任意坐標(biāo)像元的灰度值[11]。

待插值像元坐標(biāo)由與其距離最近的4個(gè)鄰近像元點(diǎn)的坐標(biāo)加權(quán)計(jì)算得到，鄰近像元點(diǎn)與目標(biāo)像元之間的距離越近，加權(quán)計(jì)算的權(quán)重越大。雙線性插值法使用式(3)所示的分段函數(shù)來近似表征某一像元灰度內(nèi)插時(shí)，其周圍像元灰度對(duì)內(nèi)插像元點(diǎn)的灰度值影響大小[12]如下：

(3)

式中：g為加權(quán)計(jì)算的權(quán)重值，即插值校正系數(shù)。

為提高航攝遙感圖像校正效率，根據(jù)像元灰度值的差異程度將遙感圖像分區(qū)。分區(qū)內(nèi)，子圖像的幾何校正系數(shù)一致。對(duì)航攝遙感獲取的工程建設(shè)征地區(qū)域圖像校正后，對(duì)圖像作進(jìn)一步處理，以得到圖像中具體測(cè)繪對(duì)象信息。

1.3 水利工程建設(shè)征地區(qū)域遙感圖像處理

按照上述過程利用航攝遙感成像技術(shù)拍攝到水利工程建設(shè)征地區(qū)域遙感圖像后，由于遙感圖像中包含信息量較大，為精確提取圖像中由像素組成的地物信息、空間細(xì)節(jié)信息，對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理。

航空器搭載攝像頭進(jìn)行航攝遙感作業(yè)時(shí)，鏡頭會(huì)受到拍攝時(shí)的太陽(yáng)光線、鏡頭曝光參數(shù)以及飛行穩(wěn)定性等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致圖像中像素的灰度值相對(duì)比較集中，影響測(cè)繪信息讀取。因此，采用小波變換方法對(duì)航攝遙感圖像進(jìn)行去噪和圖像增強(qiáng)處理。

考慮到測(cè)繪的精度，使用二維雙樹小波變換方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理。

二維雙樹小波變換的原理公式如下[13]：

ψ(p,q)=φr(p)φr(q)-φv(p)φv(q)+

j[φv(p)φr(q)+φr(p)φv(q)]

(4)

式中：(p,q)為航攝遙感圖像上的像素點(diǎn)坐標(biāo)；φr為二維雙樹小波變換函數(shù)的實(shí)數(shù)部分；φv為二維雙樹小波變換函數(shù)的虛數(shù)部分。

二維雙樹小波變換就是利用低通和高通雙正交濾波器同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行采樣，利用采樣過程中的延時(shí)性，增加方向選擇，使得圖像中行、列上的正頻信息增強(qiáng)，負(fù)頻信息抑制減弱，從而實(shí)現(xiàn)去噪的目標(biāo)。

利用SIFT算子檢測(cè)遙感圖像中不受飛行姿態(tài)影響的圖像縮放、旋轉(zhuǎn)、亮度變化等特征點(diǎn)，進(jìn)行遙感影像匹配。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，搜索連續(xù)拍攝的遙感圖像之間的最佳影像融合線。其中，最佳影像融合線的判據(jù)為兩張遙感影像重疊部分的顏色色差的平方與影像重疊區(qū)域的結(jié)構(gòu)差值之和。計(jì)算上使用兩個(gè)圖像在水平和垂直方向上的梯度差乘積作為像點(diǎn)強(qiáng)度值的判斷準(zhǔn)則，從影像重疊區(qū)的第一行重疊像元起始，按照其強(qiáng)度值作為各個(gè)像點(diǎn)的初始化準(zhǔn)則值[14]。從影像重疊區(qū)域的第一行起始，累加影像融合線當(dāng)前像點(diǎn)與下一行3個(gè)像點(diǎn)的強(qiáng)度值。比較所有累加強(qiáng)度值，以最小強(qiáng)度值所在的像元列為當(dāng)前影像融合線的延伸方向。對(duì)比在所有選定影像融合線的像元強(qiáng)度值，選擇總強(qiáng)度值之和最小的融合線作為最佳融合線，進(jìn)行遙感影像融合處理。

航攝遙感圖像在采集過程中還會(huì)受到地物光譜的影響，導(dǎo)致圖像中的背景信息被誤認(rèn)為變化圖像，對(duì)工程測(cè)繪提供錯(cuò)誤信息。因此，本文使用KICA算法對(duì)遙感圖像進(jìn)行變換檢測(cè)。在傳統(tǒng)的ICA算法上引入核函數(shù)，對(duì)遙感圖像信號(hào)序列進(jìn)行獨(dú)立分量分析。首先計(jì)算圖像信號(hào)序列的灰度均值，建立在高維特征空間中的協(xié)方差矩陣。利用線性代數(shù)原理計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值與特征向量，得到估計(jì)后的圖像信號(hào)。選用高斯核函數(shù)在高維特征空間中對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積計(jì)算，從而檢測(cè)到遙感圖像中的變化。通過上述過程對(duì)航攝遙感圖像進(jìn)行處理后，提取圖像中的地物信息結(jié)合定位數(shù)據(jù)，完成水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪。

1.4 實(shí)現(xiàn)水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪

使用補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取航攝遙感圖像中的信息，以便進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)域測(cè)繪。本文使用的補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共6層，其中第一層為輸入層，直接對(duì)輸入的遙感圖像和測(cè)繪地物目標(biāo)的特征值進(jìn)行提??；第二層對(duì)輸入圖像中測(cè)繪關(guān)鍵點(diǎn)以及測(cè)繪地物目標(biāo)的特征值進(jìn)行歸一化、計(jì)算輸入向量模糊隸屬度等處理；第三層根據(jù)隸屬度函數(shù)對(duì)輸入該層的矢量進(jìn)行模糊化處理，本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隸屬函數(shù)為高斯函數(shù)；第四層中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一條模糊匹配規(guī)則，在該層計(jì)算每個(gè)模糊規(guī)則的適應(yīng)度；第五層為對(duì)補(bǔ)償與反模糊化層沒在該層中利用節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償運(yùn)算，對(duì)第四層模糊推理的輸入與隸屬度進(jìn)行消極或積極的補(bǔ)償運(yùn)算。補(bǔ)償運(yùn)算為求取所有變量模糊規(guī)則模糊隸屬函數(shù)的連積。第六層為輸出層，對(duì)模糊化處理后的輸入向量進(jìn)行反模糊化處理，該層的輸出結(jié)果為航攝遙感圖像中的地物信息，即工程測(cè)繪的地物目標(biāo)[15]。本設(shè)計(jì)中，利用重心法進(jìn)行反模糊化求解，函數(shù)形式如下：

(5)

根據(jù)上述內(nèi)容得到的水利工程建設(shè)征地區(qū)域參數(shù)和特征點(diǎn)等具體數(shù)據(jù)信息，校正后繪制成圖，完成對(duì)基于航攝遙感技術(shù)的水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪方法的研究。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證方案及背景介紹

在某水利工程劃定工程范圍后，分別使用本文提出的區(qū)域測(cè)繪方法與傳統(tǒng)基于遙感的測(cè)繪方法對(duì)該工程施工范圍進(jìn)行測(cè)繪。根據(jù)兩種測(cè)繪方法的要求，設(shè)置相關(guān)的信息采集參數(shù)，執(zhí)行水利工程建設(shè)征地區(qū)域的測(cè)繪操作。在測(cè)繪操作過程中，控制除測(cè)繪方法本身操作以及參數(shù)設(shè)置之外的參數(shù)一致，并在數(shù)據(jù)處理過程中忽略人工等不可控因素對(duì)數(shù)據(jù)的干擾。

實(shí)例驗(yàn)證所選用的水利工程區(qū)域的實(shí)際測(cè)繪數(shù)據(jù)信息和測(cè)繪結(jié)果均已知，將該已知結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，用以評(píng)價(jià)兩種測(cè)繪方法的測(cè)繪結(jié)果。

圖3(a)、圖3(b)為選定實(shí)例工程區(qū)域的兩個(gè)不同比例衛(wèi)星云圖，在選定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)繪方法實(shí)例驗(yàn)證。

圖3 實(shí)例工程區(qū)域衛(wèi)星云圖

通過比較兩種測(cè)繪方法對(duì)云圖中的特征信息提取的精度以及Kappa系數(shù)，評(píng)價(jià)信息提取效果。同時(shí)，將兩個(gè)待測(cè)繪區(qū)域分別均分為5組子區(qū)域，對(duì)比使用兩個(gè)方法對(duì)同一子區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪的耗時(shí)，從而評(píng)判測(cè)繪方法的測(cè)繪效率。

2.2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

表2為兩種測(cè)繪方法中的圖像特征信息提取的精度以及Kappa系數(shù)對(duì)比結(jié)果。

表2 圖像特征信息提取精度和Kappa系數(shù)對(duì)比

總體分析表2中的數(shù)據(jù)可知，本文方法的信息提取精度均高于對(duì)照方法，本文方法的平均特征信息提取精度可達(dá)97.04%。從Kappa系數(shù)數(shù)值分析，本文方法的Kappa系數(shù)最低為0.728，高于對(duì)照方法的平均Kappa系數(shù)值0.696。說明本文方法提取的信息與實(shí)際地物信息擬合性更佳。

圖4為使用兩種方法對(duì)同一子區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪的耗時(shí)對(duì)比。

圖4 測(cè)繪方法耗時(shí)對(duì)比

從圖4可以看出，對(duì)子區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，本文方法的測(cè)繪耗時(shí)遠(yuǎn)少于對(duì)比方法耗時(shí)，并且本文測(cè)繪方法的耗時(shí)情況更加穩(wěn)定，表明本文方法的測(cè)繪受外界干擾較小，測(cè)繪效率更高。

總結(jié)以上的分析內(nèi)容可以判定，使用本文提出的基于航攝遙感技術(shù)的水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪方法對(duì)實(shí)例中的水利工程地區(qū)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，能夠有效縮短測(cè)繪耗時(shí)，準(zhǔn)確提取遙感圖像中的地物信息，提高測(cè)繪的精度。

3 結(jié) 語

測(cè)繪方法的準(zhǔn)確性與效率對(duì)水利工程的設(shè)計(jì)、修建與維護(hù)等環(huán)節(jié)起著決定性的作用。水利工程的建設(shè)可能涉及對(duì)部分地區(qū)的征用，這些區(qū)域是否符合水利工程的建設(shè)基本條件，以及區(qū)域內(nèi)的地形等會(huì)影響工程設(shè)計(jì)施工的因素都需要借助測(cè)繪技術(shù)繪制地圖來說明。目前使用的測(cè)繪方法存在效率低、分辨率差的問題，影響了水利工程的建設(shè)速度。為提高地區(qū)測(cè)繪效率與精度，本文提出了基于航攝遙感技術(shù)的水利工程建設(shè)征地區(qū)域測(cè)繪方法。以實(shí)際的水利工程為研究實(shí)例，驗(yàn)證了該測(cè)繪方法的可行性以及方法在測(cè)繪效率和精度方面的優(yōu)化。今后，將進(jìn)一步針對(duì)航攝遙感技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)測(cè)繪方法進(jìn)行性能提升，以期實(shí)現(xiàn)更佳的測(cè)繪效果。