王 濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

鐵路勘察設(shè)計(jì)工作一般基于(1 ∶2 000) ～(1 ∶50 000)比例平面地形圖構(gòu)建的二維場(chǎng)景[1],由于平面地形圖多采用等高線、地物邊界線或特定符號(hào)表現(xiàn)地形、地貌及地物信息,其構(gòu)建的鐵路沿線二維場(chǎng)景存在缺乏立體感、不直觀等問(wèn)題[2],不便于鐵路勘察設(shè)計(jì)人員開(kāi)展專(zhuān)業(yè)踏勘、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和方案展示等工作。 針對(duì)傳統(tǒng)二維場(chǎng)景存在的不足,真實(shí)三維場(chǎng)景模型的構(gòu)建方法成為測(cè)繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3],測(cè)繪技術(shù)從二維到三維的轉(zhuǎn)型升級(jí)正面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇和巨大挑戰(zhàn)[4]。

基于像片對(duì)的立體模型是攝影測(cè)量的核心和基礎(chǔ)[5],一般情況下,立體觀測(cè)范圍僅僅局限于立體像對(duì)的重疊范圍,這樣使得立體模型的應(yīng)用受限[6]。 大場(chǎng)景立體模型突破了單個(gè)像對(duì)的限制,能夠提供一個(gè)連續(xù)無(wú)縫的真三維立體環(huán)境[7],成為一種新型立體模型技術(shù),航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大場(chǎng)景制作已經(jīng)在勘察、設(shè)計(jì)等多個(gè)工程領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可[8]。 而傳統(tǒng)采用航空數(shù)據(jù)生產(chǎn)大場(chǎng)景立體模型的方法,存在原始影像像幅小、攝影成本高、工期控制困難等問(wèn)題[9],若要對(duì)某區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序的建模與分析,無(wú)人機(jī)和有人機(jī)在數(shù)據(jù)獲取方面成本較高,且難以滿足特定場(chǎng)景的快速三維構(gòu)建[10]。

衛(wèi)星影像能夠全天候獲取影像數(shù)據(jù),避免了天氣、空域等因素的制約,利用立體衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建值得研究[11]。 為了彌補(bǔ)現(xiàn)有大場(chǎng)景技術(shù)的不足,使用高分辨率航天衛(wèi)星影像代替?zhèn)鹘y(tǒng)航空影像來(lái)制作大場(chǎng)景立體模型,為工程勘察設(shè)計(jì)提供一種全新的、高效的勘測(cè)手段。

1 大場(chǎng)景立體模型原理

20 世紀(jì)70 年代,COLINS 基于正射投影對(duì)構(gòu)造立體模型進(jìn)行相關(guān)的研究,提出基于單個(gè)立體正射像片對(duì)的概念[12],其基本原理是,地物碎部點(diǎn)的視差可以理解為數(shù)字高程模型(DEM)高程引起的視差與地物點(diǎn)到DEM 的高差引起的視差之和,對(duì)立體像對(duì)的左右片分別制作正射影像,在其中一張引入DEM 高程引起的視差,使其成為輔助立體正射影像,便可得到立體正射像片對(duì)。

為了形成與實(shí)際地形相一致的立體模型,通常采用對(duì)數(shù)函數(shù)作為視差引入函數(shù)。 對(duì)數(shù)投影法引入視差的函數(shù)為

式中,B為基線長(zhǎng)度;H為航高;Z為DEM 地面點(diǎn)到基準(zhǔn)面的高差;P為該高度對(duì)應(yīng)的視差。

李德仁對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行完善,提出基于無(wú)縫鑲嵌的數(shù)字正射影像和立體輔助影像,構(gòu)建一個(gè)大范圍可量測(cè)無(wú)縫正射影像立體模型,再根據(jù)視差函數(shù)對(duì)整體的左鑲嵌正射影像引入視差,生成一個(gè)輔助影像,由正射影像和輔助影像構(gòu)成一個(gè)無(wú)縫正射影像的立體模型[13];王爭(zhēng)鳴對(duì)大場(chǎng)景的制作方法進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)記錄航向、基線長(zhǎng)度等信息,按各模型的基線方向引入DEM 視差,確保視差計(jì)算的正確性[14]。 通過(guò)對(duì)視差的量測(cè),可反算出高程,若量測(cè)正射影像上的為非地面點(diǎn)時(shí),如房屋、植被等,則會(huì)有平面投影位移,碎部點(diǎn)的平面投影位移見(jiàn)圖1。

圖1 碎部點(diǎn)平面投影位移

由圖1 可知,碎部點(diǎn)高程已知,由此可以計(jì)算出平面投影位移,從而來(lái)改正正射影像上量測(cè)的平面坐標(biāo),最后可得出碎部點(diǎn)的準(zhǔn)確平面坐標(biāo)。

2 關(guān)鍵因素及其精度控制

衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型技術(shù)的關(guān)鍵在于使用數(shù)字高程模型,通過(guò)合理的拼接線把各子單元的立體原始雙片映射為2 張大場(chǎng)景影像,生成左右大場(chǎng)景影像后,即可在視差生成基線方向中投射出三維立體效果。制作流程見(jiàn)圖2,影像勻光勻色、空三加密、DEM 生產(chǎn)與編輯和拼接線編輯是大場(chǎng)景立體模型生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序。 其中,空三加密須具有足夠高的精度,否則沒(méi)有使用價(jià)值[15]。 因此,影像勻光勻色、DEM 生產(chǎn)與編輯和拼接線編輯3 個(gè)環(huán)節(jié)是影響大場(chǎng)景立體模型成果的關(guān)鍵因素。

衛(wèi)星影像獲取過(guò)程中,由于攝影時(shí)間、光照不一致等因素的干擾,原始影像在色調(diào)、亮度、反差等方面存在一定差異,若直接使用原始影像,則會(huì)導(dǎo)致大場(chǎng)景立體模型成果在像對(duì)間存在明顯差異,給后續(xù)使用和信息判讀帶來(lái)困難[16]。 因此,需要對(duì)原始衛(wèi)星影像進(jìn)行勻光勻色處理,保證生成的大場(chǎng)景立體模型具有自然的紋理過(guò)渡及良好的視覺(jué)效果。

DEM 的生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜,容易產(chǎn)生粗差[17],在大場(chǎng)景模型制作和量測(cè)過(guò)程中,DEM 的精度是影響量測(cè)精度的重要指標(biāo)。 如果DEM 模型不準(zhǔn)確,那么DEM 與真實(shí)地形的高差會(huì)轉(zhuǎn)化為視差殘留在大場(chǎng)景左右影像上,正射影像對(duì)的高程精度受到DEM 高程誤差的影響[18]。 基于立體像對(duì)匹配生產(chǎn)的DEM 時(shí),對(duì)于地形平坦地區(qū),原始DEM 粗差較小,對(duì)于大高差、地形變化劇烈的山地環(huán)境,原始DEM 粗差較大,有時(shí)甚至把整個(gè)山體或溝谷都拉到同一平面。 若不區(qū)分地形等級(jí),以同一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DEM 進(jìn)行編輯,則不能達(dá)到預(yù)期效果,標(biāo)準(zhǔn)太高會(huì)耗費(fèi)大量的非必要的人工與時(shí)間成本。 因此,需首先確定在各級(jí)地形下,不同程度的DEM 粗差對(duì)大場(chǎng)景視覺(jué)效果和數(shù)學(xué)精度的影響。 在此基礎(chǔ)上,針對(duì)不同等級(jí)地形,在立體環(huán)境下對(duì)DEM進(jìn)行編輯,將其粗差降至可控范圍內(nèi)。

拼接線質(zhì)量決定了衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型的整體視覺(jué)效果。 同時(shí),影像拼接線矢量數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)了大場(chǎng)景立體影像像對(duì)屬性信息,是銜接相鄰影像的基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)。 首先由大場(chǎng)景立體影像生產(chǎn)軟件獲取影像初始拼接線,再通過(guò)第三方GIS 軟件套合輔助正射影像進(jìn)行編輯。 編輯時(shí)應(yīng)避開(kāi)獨(dú)立地物、橋梁、房屋等,以保證建筑物的完整性;應(yīng)避開(kāi)樹(shù)林、水塘等,選擇高差起伏小的地方進(jìn)行影像拼接。

以某山區(qū)鐵路為例,采用地面分辨率為0.5 m 的WorldView 衛(wèi)星影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn),量化上述因素對(duì)大場(chǎng)景立體模型精度的影響,以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型精度的有效控制。

2.1 影像勻光勻色

截取小范圍的影像作為參考模板,以參考影像為基準(zhǔn),對(duì)其余影像進(jìn)行處理。 影像勻光勻色效果見(jiàn)圖3,原始衛(wèi)星影像為全色影像,亮度不均勻、明暗不一致,鑲嵌影像存在明顯的亮度差異,影響大場(chǎng)景立體模型的色彩表達(dá)。 經(jīng)勻光勻色處理后的影像亮度一致、細(xì)節(jié)清晰,鑲嵌線處的色彩差異小、過(guò)渡自然,視覺(jué)效果良好。

圖3 影像勻光勻色效果

影像的均值反映其色調(diào)和亮度,標(biāo)準(zhǔn)差反映其灰度動(dòng)態(tài)變化范圍[19],并在一定程度上體現(xiàn)反差,理想情況下,鑲嵌范圍內(nèi)的影像應(yīng)該具有近似的均值和標(biāo)準(zhǔn)差[20]。 圖3(a)左側(cè)影像經(jīng)勻光勻色處理統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,可以看出,勻色后影像與參考影像灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差均較為接近。

表1 影像勻光勻色前后參數(shù)比較

2.2 DEM 生產(chǎn)與編輯

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)地形下各選擇5 個(gè)點(diǎn),對(duì)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DEM 模型引入2,5,10 m 的粗差,在此基礎(chǔ)上生成大場(chǎng)景模型,并統(tǒng)計(jì)引入粗差后的大場(chǎng)景立體模型與原模型在視覺(jué)效果和數(shù)學(xué)精度方面的差異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 DEM 引入粗差后大場(chǎng)景坐標(biāo)與原坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)_____________m____

DEM 引入2 m 與5 m 粗差后,對(duì)生成的大場(chǎng)景點(diǎn)位坐標(biāo)與原坐標(biāo)的較差值繪制曲線,見(jiàn)圖4。

圖4 DEM 引入粗差后大場(chǎng)景坐標(biāo)與原坐標(biāo)較差(單位:m)

在道路的同一位置(Ⅰ級(jí)地形),對(duì)DEM 引入粗差后,大場(chǎng)景立體模型視覺(jué)效果與原大場(chǎng)景立體模型對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 DEM 引入粗差后大場(chǎng)景立體模型對(duì)比

由上述實(shí)驗(yàn)可得出如下結(jié)論。 ①DEM 的粗差不論大小,都會(huì)影響大場(chǎng)景立體模型視差的正確表達(dá),影響地面能否切準(zhǔn),從而影響數(shù)學(xué)精度。 ②DEM 的粗差達(dá)到一定閾值時(shí),會(huì)使大場(chǎng)景立體模型發(fā)生變形,影響判識(shí)精度。 對(duì)于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)地形,DEM 粗差在5 m 內(nèi),大場(chǎng)景立體模型變形程度較小或無(wú)變形;對(duì)于Ⅰ級(jí)地形,DEM粗差在2 m 內(nèi),大場(chǎng)景立體模型變形程度較小或無(wú)變形。 ③DEM 的粗差在容許范圍內(nèi)時(shí),粗差大小對(duì)生成的大場(chǎng)景立體模型數(shù)學(xué)精度影響不明顯。

2.3 拼接線編輯

由于衛(wèi)星影像成像的年份、季節(jié)不同,河流在相鄰影像上的灰度、紋理有很大差異,拼接情況見(jiàn)圖6。 圖6(a)左側(cè)影像河流處于豐水期,流量充沛、河道寬闊,右側(cè)影像河道明顯變窄、灰度偏暗,若拼接線不做編輯,會(huì)造成空間的切割感。 對(duì)此處的拼接線作繞避處理,使拼接線從河岸邊地面弱紋理區(qū)域穿過(guò),生成的大場(chǎng)景模型立體像對(duì)接邊處自然過(guò)渡。 同樣的,對(duì)全局拼接線進(jìn)行編輯,使其繞避獨(dú)立地物、交通網(wǎng)、水系等,在高山區(qū)拼接線應(yīng)沿著溝心行進(jìn),以避免拼接處的影像變形和拼接痕跡明顯。

圖6 編輯拼接線效果

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于以上精度控制方法,制作了該鐵路全線地面分辨率為0.5 m 的衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型,共計(jì)6 000 km2,整體色調(diào)均一、反差合理,視覺(jué)效果良好(見(jiàn)圖7)。

圖7 某境外鐵路衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)地形下,各選擇20 個(gè)像控點(diǎn)作為在大場(chǎng)景立體模型上的坐標(biāo),計(jì)算大場(chǎng)景立體模型坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值,結(jié)果見(jiàn)圖8。 由于目前沒(méi)有大場(chǎng)景立體模型精度指標(biāo)的相關(guān)規(guī)范,參考Q/CR 9158—2020《鐵路衛(wèi)星定位與遙感測(cè)量技術(shù)規(guī)程》中對(duì)1 ∶1 萬(wàn)地形圖各級(jí)地形絕對(duì)定向誤差限差的規(guī)定。 根據(jù)圖8 統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)較差最值,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。 可以看出,衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型定向精度符合規(guī)范要求,且模型精度與地形等級(jí)無(wú)顯著聯(lián)系。

表3 衛(wèi)星影像大場(chǎng)景絕對(duì)定向精度統(tǒng)計(jì)m

本項(xiàng)目中,大場(chǎng)景立體模型的制作僅需54 張衛(wèi)星影像,如果采用航空攝影的方式,則需要上萬(wàn)張?jiān)加跋駭?shù)據(jù),另外考慮攝影條件、空域申請(qǐng)、攝影設(shè)備、人員投入等,使用航天衛(wèi)星影像的立體大場(chǎng)景生成方法,具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

主要研究衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型制作過(guò)程中的精度控制問(wèn)題。 在衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型制作環(huán)節(jié)中,對(duì)影響模型精度的關(guān)鍵因素予以論證、分析和量化,形成一套完整的精度控制方法,并將其應(yīng)用到某鐵路項(xiàng)目的大場(chǎng)景立體模型制作中,模型中定向點(diǎn)的平面、高程坐標(biāo)最大殘差為1.81 m 和0.95 m,成果滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

衛(wèi)星影像大場(chǎng)景立體模型可以提供一個(gè)連續(xù)無(wú)縫的真三維立體環(huán)境,精度高、成本低、直觀性強(qiáng)。 其作為一種新型數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品,不僅能夠服務(wù)于鐵路線路三維虛擬踏勘、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和方案三維展示分析等工作,還廣泛適用于其他領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊。