正射影像地图的制作方法与应用研究

2010-12-10 10:14:00    来源:

摘要:姜淼,张丽霞,龚伟(黑龙江地理信息工程院,黑龙江哈尔滨)引 言 遥感(Remotesensing)一词产生于60年代初期,意思是遥远的感知。就是在
姜淼,张丽霞,龚伟
(黑龙江地理信息工程院,黑龙江哈尔滨)

引 言
    遥感(Remotesensing)一词产生于60年代初期,意思是遥远的感知。就是在遥远的地方,感测目标物的“信息”,通过对信息的分析研究,确定目标物的属性及目标物之间的关系。遥感影像(Remotesensing image)是通过遥感技术获得的地球表面客体或事物(地物)的图像。


一、数字正射影像图
    随着计算机技术和通信技术的迅速发展,人类社会已经进入了数字化信息时代。在国民经济和社会发展中,数字化的地理信息已成为城市乃至整个国家在各领域宏观决策和规划管理必不可少的支撑条件,因此,它对基础地理信息数据的精度及现势性提出了相当高的要求。同时地理信息系统(GIS)的广泛应用和迅速发展,也对基础地理信息数据的形式提出更多的要求,不仅需要矢量数据、栅格数据,还要形象直观的图像数据。


1.1数字正射影像图(DOM)的特点
    数字正射影像图(DigitalOrthophoto Map,缩写DOM)是利用DEM对经过扫描处理的数字化航空像片影像(单色或彩色),经逐像元进行辐射改正、微分镶嵌,并按规定图幅范围裁剪生成的形象数据,带格网、图廓(内、外)整饰和注记的平面图。
    数字正射影像图和通常我们所接触的地图一样,不存在变形,它是地面上的信息在影像图上真实客观的反映,但是所包含的信息远比普通地形图丰富,而且其可读性更强。DOM同时具有地图几何精度和影像特征,精度高、信息丰富、直观真实、制作周期短。它可作为背景控制信息,评价其它数据的精度、现实性和完整性,也可从中提取自然资源和社会经济发展信息,为防灾治害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据。
    数字正射影像图的制作原理是依据其特点应用专业的地理信息遥感软件对原始感遥影像经过辐射校正、几何校正,消除各种畸变和位移误差而最终得到具有包含地理信息和各种专题的卫星遥感数字正射影像地图。DOM具有一定几何精度的影像。影像植被信息齐全饱满,整体色调清晰均匀,反差适中。制作出的DOM具有以下特征:
1)影像植被信息齐全饱满,直方图(0—255个灰阶)没有灰阶的信息缺失。
2)色调柔和、纹理清晰,细节清楚。
3)整体色调一致,反差适中,植被信息色调真实可辨。
4)影像必须是无缝镶嵌,无影像错位及色彩突变的地方。
5)影像融合处理必须使用分辨率高的全色波段影像与低分辨率的多波段影像(含红、绿、蓝或近红外波段)进行,采用主成分变换方法,突出植被信息。

1.2 数字正射影像图(DOM)的发展现状
   最近几年,由于计算机技术以及数字正射影像图生产技术的发展,数字正射影像图在城市规划设计、建设和管理中的应用日趋活跃,其特点正在被城市规划行业认同并在应用实践中得到进一步发掘,生产市场也日益扩大,城市在进行以基础信息获取与更新为目的的航摄时,一般都要求开展数字正射影像图的制作。
    在城市规划设计、建设和管理中,为了更真实、直观地了解城市的地形地貌及环境状况,对数字高程模型和数字景观模型等数据的需求也日益增多,利用遥感信息进行数字高程模型和数字景观模型的生产,在技术上已经日臻完善。实践中人们认识到,应用航空遥感信息进行生成数字高程模型(DEM)所需要平面坐标(x,l,)及高程(z)的数据集的采集,比地面测绘或其它方式更为经济和快速。作为模型化的城市现状的表现形式。城市景观模型对于总体规划设计思想的形成以及把握城市建设和发展的方向,具有重要的作用。传统的城市景观模型是以纸板或其它材料制作的非数字式模型,要想做得逼真,费时费钱。应用数字摄影测量技术所具有的制作城市景观数字模型的功能,在计算机上非常逼真地再现城市现状,并可以多视角浏览,以辅助规划设计与建设的参与者及决策者开展相关工作,毫无疑问,其基础资料来源于各类遥感信息。
    目前,“数字地球”已经成为信息时代的战略制高点。世界各国政府和有识之士正在付出巨大的关注和行动。作为对应策略,我国的“数字中国”规划已经提上议事日程,而作为其重要的组成部分之一的“数字城市”的建设必将扮演举足轻重的角色。城市遥感信息是“数字城市”的多源信息的一个重要的分支,与城市的其它信息相比,有其特点和应用优势。遥感技术也是“数字城市”建设中的关键技术之一。遥感信息的获取与处理技术随着信息时代的到来正在高速发展,人们对遥感信息内在规律的了解也愈加深入,因此,遥感信息在城市领域的应用将越来越广泛,必将推动“数字城市”乃至“数字中国”和“数字地球”的建设,对于提高城市建设的决策、规划和管理水平,提高城市建设的环境、经济、社会等的综合效益。以及城市的可持续发展规划将起到十分重要的作用。

二、数字正射影像图的制作原理
    制作数字正射影像图通常使用两种纠正方法:非基于DEM的纠正方法和基于DEM的纠正方法。前者与光学纠正仪的原理一样,只是操作的过程移植到计算机上,所处理的对象变成了数字影像而已。用这种方法进行生产,操作简单,速度快,但精度不高,而且只能用来做平地的正射影像图,不能满足有起伏的地区。基于DEM的纠正又分为两种方法:其一是单片纠正;其二是全数字摄影测量方法。如果某个测区已经有DEM数据。即可以使用单片纠正的方法。但就目前来看。DEM还没有覆盖大部分区域,因此很多生产单位都使用全数字摄影测量方法。全数字摄影测量方法利用全数字摄影测量系统,首先根据影像纹理配成立体像对,生成数字高程模型,然后对每一个像元根据其高程进行数字微分纠正,生成正射影像图。使用这种方法能保证成果的质量,但它的成图周期相对较长,对作业员的综合素质要求比较高。作业员应该对全数字摄影测量系统比较熟悉.而且应该了解计算机图形图像处理方面的知识。
2.1 正射影像图的制作原理
    目前,国内外所使用的全数字摄影测量系统主要有:中国四维北京公司的Jx一4A全数字摄影测量系统、武汉适普公司的VituoZo系统、美国Intergraph公司的ImageS-tation工作站等,它们都可以制作各种比例尺的数字正射影像图,但其基本原理则是一样的,即进行数字微分纠正。具体原理如下:
1)计算地面坐标
    设正射影像图上的任一点P的坐标(X,Y),由正射影像左下角图廓点坐标(Xo,Yo)与正射影像比例尺埘,计算P点对应的大地坐标(X,Y)
2)计算像点坐标
    应用反解公式计算原始图像上对应像点坐标P(x,y),在航空摄影测量情况下,反解公式为共线方程。
    式中,Z是P点高程,由DEM内插求得。应该注意的是,得到的像点坐标p(x,y)应该再转换成像元素坐标或扫描坐标(I,J)。
    式中,L1……L11,,为定向变换参数。
3)灰度内插
    由于所得的像点坐标不一定落在像元中心,为此必须进行灰度内插,一般可采用双线性内插,求得像点P的灰度值g(x,y)。
4)灰度赋值
    最后将像点P的灰度值G(x,y)赋给纠正后像元素P,即G(X,Y)=g(x,y)。
依次对每个纠正像素完成上述运算,即能获得纠正的数字图像。但在实际应用中一般均把若干个像素结合为“面元素”作为纠正单元,以提高运算的速度和效率。
2.2 制作数字正射影像图还需要解决的一些技术问题
1)参数设定
    影像扫描分辨率、成图分辨率、出片分辨率、DEM格网间隔、匹配参数等。
2)DEM的生成
    根据影像纹理,计算机自动生成一定密度的数字高程模型,但为了保证精度,必须在立体下进行粗差检测和接边检测,以达到所需的精度要求。
3)由DEM生成等高线
    
其等高线数据量过大.必须编程解决数据压缩问题。
4)在AutoCADl4.0中利用ADS编程生成图廓、注记等,以用于影像的迭合。
5)矢量图数据导出,与影像的迭合。
6)解决较大测区生产时,影像地图的拼接边问题,包括几何接边与影像灰度接边。
2.3 制作数字正射影像图所要求的系统的特点及软、硬件配置
    VirtuoZo全数字摄影测量系统是一个功能齐全、高度自动化的现代摄影测量系统,能完成从自动空中三角测量(AAT)到测绘各种比例尺数字线化地图(DLG),数字高程模型(DEM),数字正射影像图(DOM)和数字栅格地图(DRG)的生。VirtuoZoNT采用最先进的快速匹配算法确定同名点,匹配速度高达500一l000点/s,可处理航空影像、SPOT影像近景影像。VirtuoZoNT不但能制作各种比例尺的测绘产品,也是3维景观、城市建模和GIS空间数据采集等最强有力的操作平台。VirtuoZo等数字摄影测量系统改变了我国传统的测绘模式,提高了生产效率,在国民经济建设各部门得到了广泛的应用。
    其主要硬件配置:VirtuoZo数字摄影测量工作站,微机(CPU350MHZ以上、内存256M以上);
    其主要软件配置:VinuoZo数字摄影测量工作站软件,AutoCADl4.0(主要用于编辑、注记及生成图廓等),PhotoShop 7.0(主要用来对影像进行处理,使影像色调、饱和度等达到最佳的视觉效果)。
2.4 数字正射影像图的技术流程

2.4.1技术流程框图
    制作数字正射影像图的整个技术流程可用框图简单示意如图所示。
2.4.2技术流程
1)影像扫描与定向
    影像扫描对DOM的生产具有很重要的影响。首先必须确定扫描分辨率。当扫描分辨率过小时会导致成图精度的降低,而过大扫描分辨率由于影像数据太大需占用较大的内存,同时影响了测图速度。一般来说,扫描分辨率是由成图比例、航测比例尺来计算。其次,影像扫描要求反差适中,影像清晰,要求扫描仪的参数必须适当。
    进入VinuoZo摄影测量工作站进行定向与核线工作。定向分为内定向、相对定向、绝对定向工作。其中相对定向可采用自动方式。自动匹配点数越多,DEM越精确。在实际作业中,应使左右两片的灰度、反差相近来提高相关匹配的准确性,故可用PhotoShop先对原始影像进行灰度处理,核线既减少了计算工作量,又减少了数据量。核线分为水平核线和非水平核线,一般采用非水平核线来计算。
2)正射影像的生成
    生成正射影像所需要的DEM,一般可以通过编辑视差曲线来得到。由于DEM质量的好坏直接影响到生成的正射影像的质量,所以DEM要尽量的精确。
    首先进行的是匹配前预处理。VirtuoZo摄影测量工作站用于自动影像匹配前的预处理,主要是针对某些匹配比较困难的地区所作的一些处理。例如:山脊、沟谷,被黑影遮盖地区、大片居民区、水域等,还有一些影像质量较差、色彩或灰度不一致的影像等,这些地方匹配结果可能不好,在影像匹配之前作预处理,以获得更好的匹配结果,从而可减少匹配编辑的大量工作,可大大提高效率。预处理的主要方法,就是在立体模型上针对这些地区,测出一些特征点、线、面。如果想要得到更好的匹配结果和精度,还可以引入测图数据.XYZ。
    预处理结束后,就可以进行影像匹配以及对匹配结果进行编辑。当自动匹配工作完成后,应利用VirtuoZo摄影测量工作站中的模块对各个立体模型的自动匹配结果进行立体编辑。编辑程序提供了在立体模型中显示视差断面或等视差曲线以及系统认为是不可靠的点,以便发现粗差进行编辑。交互式机助编辑包括点、线、面等方式的立体编辑。需要进行编辑的情况有以下几种:
   ①由于影像中常有大片纹理不清浙的影像,如湖泊、沙漠、雪山等地方出现大片匹配不好的点,则需要进行编辑。
    ②由于影像的不连续、被遮盖及阴影等原因,使得匹配点没切准地面,则需要进行编辑。
    ③城市的人工建筑物、山区的树林等,使得匹配点不是地面上的点,而是物体表面上的点,则需要进行编辑。
    ④大面积平地、沟渠及比较破碎的地貌需要进行编辑。
    根据影像匹配的视差数据、定向结果参数就可以得到生成正射影像的DEM。对于生成模型的DEM,可有两种处理方式:
    ①在单个模型DEM的基础上进行拼接:首先建立每个模型的DEM。再将这些模型的DEM拼接起 来,建立图幅(或区域)的DEM。
    ②直接自动生成大范围(含多个立体模型)的DEM。输入DEM的坐标范围(通常是图廓范围)及覆盖该DEM范围的全部立体模型(已作过匹配处理及必要的编辑),然后选择生成DEM,系统将自动建立各模型对应的DEM并将其自动拼接成用户所需的DEM。此方式将各模型DEM的自动建立、批处理功能及DEM自动拼接合在一步中,可以直接建立起图幅范围或更大范围的DEM,使得自动化程度更高,作业效率更高。
    得到DEM后就可以根据DEM来对原始影像进行纠正,从而得到正射影像。VirtuoZo摄影测量工作站可以将单片影像通过镶嵌得到图幅。在生产中,按内图廓外扩图上2cm再取整来计算图幅范围。拼接后要求片与片之间的接边误差满足规范要求,无明显拼接缝,如图所示。
3)矢量数据的生成
    ①等高线数据的生成。可利用DEM内插出等高线。其为二进制CNT文件。用于等高线生成的DEM格网间距要求比较严格,故数据量比较庞大。对CNT文件格式进行分析后,我们用C语言编程对等高线数据进行压缩,采用角度优、距离为补的算法。经数据压缩后,极大的提高了后面测图的速度。等高线CNT文件可导人测图模块进行修测。
    ②地物数据的生成。按代码分层,对地物进行分类,在立体模型上进行量测,形成DLG文件。一般只表示重要的要素,如重要道路、主要河流等。
    ③文件的导出。将生成后等高线数据和地物数据以Dxf文件提供。
    ④图像处理。对生成的数字正射影像进行PhotoShop图像处理。要求反差适中,影像清晰,拼接缝不明显。片与片之间无明显色差。其中的技巧要求较高。主要有反差处理、全图灰度均衡要求、水域处理、局部影像处理、拼接缝处理等。
    ⑤图廓元素生成与套图信息。在AutoCADl4.0上我们利用ADS开发了针对影像合成的图廓生成程序,其提供了套图的信息。同时,也生成了图廓线、公里网线、图名、图号、比例尺、坐标系、编制说明、制作单位等信息。

2.5 数字正射影像图的评价标准
1)精度
    在正射影像图上。精度主要反映在像对之间的镶嵌误差,图幅之间的接边差是否超过一定的限度,影像是否存在局部模糊,影像是否重影,地物是否扭曲变形(主要看较大房屋的边线和直线道路)等。出现这些问题的原因是多方面的。一般外业所作控制点的精度会直接影响到绝对定向的精度,而定向精度(包括内定向、相对定向、绝对定向)达不到要求,会导致像对间和图幅问存在拼接差。另外,航片扫描分辨率较低也会影响拼接精度。
2)清晰度
    清晰度是人们对于正射影像的第一感觉。是评价正射影像质量的最关键因素。清晰度的问题主要体现在影像模糊,色调、饱和度较差,像对问镶嵌边缘反差和灰度明显不一致,产生这些问题的最主要原因是航摄质量和扫描质量。无论航摄、晒印或者扫描,应尽量保证所有的航片一次性地完成,而且要保证某些参数不变,比如,一个测区内原始底片的明暗度相差无几。扫描时应该使这个测区的所有航片使用相同的透光率、反差、亮度、Gamma值进行作业,这样可以有效地防止最终成果镶嵌边缘色调的不一致。
3)完整性
    正射影像图的完整性主要包括影像的完整性和图廓注记的完整性。当航片资料不够。大片区域落水或缺少控制点成果,很可能导致影像不满幅,造成正射影像的不完整。对于因落水导致的不完整。如果水面没有纹理或用图单位对水域要求不高,为了使影像完整,我们可以在Photoshop下复制其它地方的水域并粘贴于此,进行一定的处理。更方便的方法是使用橡皮图章工具进行实时拷贝。图廓注记通常包括图名、图号、坐标系、成图时间、制作单位、结合表等,或者由用户单位提供要求。
4)准确性和实时性
    正射影像图的准确性是指图廓注记准确与否。在生产单位,制作好的正射影像图通常经过几道验收,所以最后提供给用户使用的正射影像图一般注记方面出的问题比较少。实时性指影像所反映的信息与现在的实际情况的差异,应保证在生产正射影像图时使用最新的航摄资料。
5)数字化数据
    用户可按需要对比例尺进行任意调整、输出,也可对分辨率及数据量进行调整,直接为城市规划、土地管理等用图部门以及GIS用户服务,同时便于数据传输、共享、制版印刷。
6)信息丰富
    数字正射影像信息量大,地物直观、层次丰富、色彩(灰度)准确、易于判读。应用于城市规划、土地管理、绿地调查等方面时,可直接从图上了解或量测所需数据和资料,甚至能得到实地踏勘所无法得到的信息和数据,从而减少现场踏勘的时间,提高工作效率。
7)专业信息
    数字正射影像同时还具有遥感专业信息,通过计算机图像处理可进行各种专业信息的提取、统计与分析。如:农作物、绿地的调查,森林的生长及病虫害。水体及环境的污染,道路、地区面积统计等。

三、数字正射影像图的应用
    数字正射影像技术利用了计算机图像处理以及计算机视觉、模式识别等先进技术,淘汰了传统光学机械制作模拟正射影像图的方式。数字正射影像技术通过高精度的图像扫描仪将航空摄影像片扫描输入计算机,以像元为基础把每张航空摄影像片数据纠正到数字地面模型上,消除航摄像片倾斜误差和地形起伏引起的投影差,再经过镶嵌、切割,从而直接得到一种全新的数字测绘产品——数字正射影像图(DigitalOrthophoto Map)。
    数字正射影像是一种新型数字测绘产品,有着广阔应用前景的基础地理信息数据,通过逼真的影像、丰富的色彩客观反映地表现状,与线划图相比具有地面信息丰富,地物直观,工作效率高、成图周期短的特点。同时数字正射影像图的数据也便于应用。它不仅可用于对数字线划地图数据的更新,提高数据的现势性。加快地形图的更新速度,也可作为背景图直接应用于城市各种地理信息系统;也可以与线划图、文字注记进行叠加形成影像地图,丰富地图的形式,增加地图的信息量,应用于城市规划、土地管理、环境分析、绿地调查、地籍测量等方面;利用数字正射影像与数字地面模型或者建筑结构模型可建立3维立体景观图,丰富城市管理、规划的手段与方法。
3.1 GIS三线图的采集与更新
    随着GIS应用的越来越广泛,发挥的作用越来越大。对基础的地形数据尤其是三线(道路、铁路、河流)数据的需求也越来越大,这就对三线图的精度、现势性以及今后的更新与维护提出了更高的要求,然而利用传统的修测方法很难保证其精度,而仅对三线数据进行实测更新,在经济上又存在较大的浪费,因而利用数字正射影像对三线数据进行更新无疑是经济实用的方法。由于地面上每一点都经过投影差改正,因此,对于道路、河流以及铁路数据来说,完全满足成图精度。利用数字正射影像与已有的三线数据叠加,在影像上直接提取数据,就可完成三线数据的更新与维护。
3.2 数字正射影像图在土地变化方面的利用
    利用数字正射影像图的像幅范围大,信息量丰富,获取方便,更新快,可以及时地为土地决策部门提供决策所需的信息,通过系列数字正射影像图的定期(如三年期、五年期、十年期、二十年期、五十年期)对比了解现代城市的建设发展历程,体现了城市和环境以及土地利用等方面的发展变化,得到相应的土地利用类型分类图,还可以对这些分类图进行数据迭合等处理,获取土地利用动态变化信息。影像解译,也称判读或判释,指从图像获取信息的基本过程。即根据各专业(部门)的要求,运用解译标志和实践经验与知识,从数字正射影像上识别目标,定性、定量地提取出目标的分布、结构、功能等有关信息,并把它们表示在地理底图上的过程。土地利用现状解译,是在卫星遥感数字正射影像上先识别土地利用类型,然后在图上测算各类土地面积。数字正射影像目视解译是解译者通过直接观察或借助一些简单工具(如放大镜等)识别所需地物信息的过程。影像的解译标志也称判读要素,它是图像上能直接反映和判别地物信息的影像特征。包括形状、大小、阴影、色调、颜色、纹理、图案、位置和布局。解译者利用其中某些标志能直接在图像上识别地物或现象的性质、类型和状况;或者通过已识别出的地物或现象,进行相互关系的推理分析,进一步弄清楚其它不易在影像上直接解译的目标,例如根据植被、地貌与土壤的关系,识别土壤的类型和分布等。正射影像资料具有宏观、快速、动态、综合的优势,数字正射影像图资料可以为编制国土规划和地区经济规划提供国土资源(自然资源和社会资源)、环境和自然灾害调查与分析评价资料等。所以,数字正射影像资料是制定国民经济和社会发展计划、国土规划和地区经济规划的一种手段。
3.3 卫星遥感数字正射影像图在城市规划中的应用
    在城市规划建设的方面,可以利用数字正射影像图进行范围的标定,并且能及时地提供坐标和计算出相应的面积,直观地反映该区域的现状及与之相关的情况。通过数字正射影像图标定区域后,在正射影像图上进行设计区域规划建设的效果图和虚拟3维地图,在规划设计时就可以知道未来该区域的现实体现区域性规划的效果。与地理信息处理软件和规划设计、建筑设计的综合应用可以精确地设计出未来的城市的风貌,如图3所示。
    数字正射影像图是一种新型数字测绘产品,与传统数字地图比较,它具有信息丰富、直观、精度高、使用方便,最大的优点是更新速度快。利用数字正射影像更新三线图和地形图将大大缩短成图周期,降低成本投入。
    数字正射影像图可为城市规划、土地、环境、测绘、电力、电信、煤气等部门提供精确、直观、信息丰富、现势性强的基础地理数据,丰富规划、设计、管理的手段与方法,提高管理效率。同时,为城市各种地理信息系统提供新型数字测绘产品,充分发挥地理信息系统的作用,为整个城市的建设、管理以及经济的发展作出贡献。


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