张冀 刘丽华 魏超

（河南省遥感测绘院，河南郑州450003）

正射影像制作方法研究

张冀 刘丽华 魏超

（河南省遥感测绘院，河南郑州450003）

数字正射影像（DOM）是重要的数字产品之一，其应用已相当广泛。本文主要介绍了基于 VirtuoZo 摄影测量工作站的DOM制作方法 ,分析在制作流程中应该注意的问题，并针对DOM的应用和质量评价等问题进行初步探讨，指出 DOM 在地理信息系统中的重要性。

正摄影像；数字正射影像（DOM）；数字高程模型（DEM）；应用；影像质量

1 引言

随着计算机技术以及数字图像处理、模式识别、计算机视觉等技术的不断发展, 数字摄影测量技术已进入基本成熟阶段。数字摄影测量是利用计算机对数字影像进行处理, 由计算机视觉, 影像匹配和影像识别,代替人眼与仪器进行立体测量。目前,全数字摄影测量主要应用于生产数字地面高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）。第一套全数字摄影测量系统是在美国建立的DAMCS，到20世纪90年代, 随着计算机技术的飞速发展,许多全数字摄影测量系统相继建立，如Heleva的DPW，德国Zeiss厂的PHODIS,NPHO公司的MATCH-T,法国Mszi公司的TRASTER T10,意大利Galilea Siscam的ORTHOMAP,我国武汉大学（原武汉测绘科技大学）的VirtuoZo，中国测绘科学研究院的JX4等。

2 基于VirtuoZo摄影测量工作站的数字正射影像的制作方法

2.1 制作原理

利用相应的参数或相应的构想方程式完成中心投影到正射投影的变换，见图1。

图1 数字正射影像图

2.2 利用摄影测量工作站制作正射影像的技术流程

数字正射影像的制作是基于DEM的数据，采用反解法进行数字微分纠正而制作。其过程是全自动化的。DOM制作基本流程如图2[1]。

图2 数字正射影像制作流程图

2.2.1内定向

确定像片内方位元素,像片坐标系与扫描坐标系之间的关系,纠正影像的变形。VirtuoZo工作站具有自动进行内定向、提供人机交互后处理功能。

2.2.2 相对定向

VirtuoZo工作站具有二维相关的功能,能自动识别左、右像片上的同名点,一般可匹配数十至数百个同名点。自动匹配点数的多少,影响后期生成DEM的精度的高低。系统具有人机交互功能,相对定向后可以通过人工对误差大的定向点进行删除或调整同名点点位,使之符合精度要求[2]。

2.2.3 绝对定向

确定立体模型在大地坐标系中的位置。VirtuoZo可利用PATB加密成果直接进行绝对定向,将加密成果中控制点的像点坐标按照相对定向像点坐标的坐标格式拷贝到相对定向的坐标文件中,执行绝对定向命令,完成绝对定向,恢复空间立体模型；或者在自动匹配完成后利用人工在左右像片上确定控制点点位位置,定位完成后即可以进行绝对定向。

2.2.4 生成核线影像

在用户选定的区域中，按照同名核线将原始影像予以重新排列，形成按核线方向排列的立体影像。可采用两种方式生成核线，非水平核线和水平核线方式。只有进行绝对定向,划定工作区域后才能够生成水平核线影像,未进行绝对定向生成的是非水平核线影像。以后的处理, 如影像匹配、视差曲线编辑等, 都将在核线影像上进行。

2.2.5 影像匹配与编辑

匹配中原始影像窗口(0.25～0.5mm)的选择可依据摄影比例尺及匹配区域的起伏状况决定：大比例尺摄影的影像匹配窗口应大些,而中小比例尺的则应该小些；起伏大的区域匹配窗口应该小些,平坦地区应该大些。通常情况下匹配窗口的大小在原始影像上为0.25～0.5mm ,可根据公式“匹配窗口的大小(像素)=匹配窗口在原始影像上的大小/像素大小”计算匹配窗口大小。匹配窗口的大小为m×n ,其中m和n都为奇数且m和n的最小取值为5。匹配窗口间隔的选择方法为：x和y方向上的间隔均应小于或等于匹配窗口的大小,且小于DEM间隔在影像上的像素数,其中DEM间隔在影像上对应的像素数为(1000×DEM的物方间隔P摄影比例尺分母)P像素大小[3]。

匹配结果编辑的质量会影响到后期DEM的生成精度,因此,在自动匹配完成以后,需要针对自动匹配产生的粗差、匹配错误,通过立体模型和等视差曲线的显示,人工判断并编辑自动匹配不合理、不可靠的点,使得这些点切准地面。需要人工编辑的情况有：纹理不清晰的区域、没有明显特征的区域、由于阴影等原因造成的匹配点不在正确位置上、城市中的建筑物、山中有树林的区域等。

2.2.6 生成数字地面高程模型

数字地面高程模型是制作正射影像的基础,中心投影的影像根据其数字地面高程模型就可纠正成正射影像。

VirtuoZo提供两种生成数字地面高程模型的方法：

（1）直接利用编辑好的匹配结果生成数字地面高程模型。此种方法适用于中小比例尺的正射影像制作或大比例尺非城市自然地貌地区的正射影像制作, 也可用于编辑好视差曲线的城市地区的正射影像制作[4]。

（2）影像匹配后直接在FC(Flat City)界面下按一定密度分布选择同名点,或是在立体下切准地形表面测定一定密度的地面点,构成三角网内插DEM。此种方法适用于平坦的城市地区。此种方法可避免视差曲线缠绕建筑物的问题,减少一定的工作量。

2.2.7 生成数字正摄影像

当DEM建立后,即可进行正射影像的生成。VirtuoZo提供两种生成正射影像的方式：

（1）首先生成单个模型的DEM,然后制作单个模型的DOM,最后对多个模型的DOM进行镶嵌拼接成整个测区的DOM。

（2）首先将多个模型的DEM生成一个模型的DEM,然后在该DEM模型的基础上生成整个测区的DOM。

2.2.8 后期成果处理

正摄影像镶嵌拼接后，还应根据生产需要进行相应的后期处理，一般包括以下过程：

（1）调色处理：生成的DOM若存在色差明显、影像不清晰、拼接缝隙明显等问题，则需要利用相应的图像处理软件如Photoshop等进行处理,使全图色差、清晰度、拼接缝隙等技术指标满足出图要求。

（2）整饰与注记：主要包括添加图廓信息,如图廓线、公里网线、图名、图号、比例尺、坐标系、编制说明制作单位等；注记的标注，如城区范围内的主干道、企事业单位名称、水系、地理名称等，注记应注意控制数量和大小，避免注记造成的信息损失。

（3）裁剪与出图：可进行标准图幅的裁剪或者用鼠标拉框进行任意图幅的裁切；出图方式可按DOM叠加图廓与注记出图或者矢量数据与DOM合成后出图，后一种方式可利用CorelDraw进行矢量数据与影像的合成,要求使影像数据与矢量数据严格叠加。

2.2.9 正摄影像制作过程中需注意的问题

经过实践，笔者认为，在实际生产过程中，有以下几个环节需要注意：

（1）为保证最后成果的整体效果，可在前期对扫描影像或数码影像进行色彩调整，使相互的饱和度、亮度、色相和明度等各值大致接近一致。

（2）影像匹配是数字摄影测量系统的关键技术，是沿核线一维影像匹配。窗口设置得大，则数据量小，但损失地形细貌；窗口设置得小，则数据量大，但能较好表示地貌。因此对平坦地区，窗口可设置大些。

匹配后的编辑是影像匹配的后处理工作，是一个交互式的人工干预过程。目前，在影像匹配中，尚有一些区域（水面、人工建筑、森林等）计算机难以识别，将出现不可靠匹配点（没有匹配在地面上），这将影响数字高程模型的精度。因此,对这些区域进行人工干预是必要的。

一般需要编辑的情况有以下几种：

① 由于影像中常有大片纹理不清晰的影像，如河流、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，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。

（3）如果接边线附近有高大建筑物或大面积房屋等特殊地物时,为了防止出现房屋两边倒现象或变形,最好采用手工拼接的方法,拼接线尽量绕开房屋,并且相邻像对使用同片生成正射影像。匹配编辑时需灵活运用各种命令使视差曲线尽量和地面严密贴合,注意使用把视差曲线关上、打开、再关上、再打开,这样来回闪烁的方法检查视差曲线是否严密贴近地面,以防止产生视觉幻象。

2.2.10 成果的检查验收及提交

经过上述处理，根据实际生产需要经检查验收合格后，方可提交成果。

3 正摄影像的应用及影像质量评价

3.1 正摄影像的应用

正射影像图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,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；它广泛应用于城市规划、土地管理、环境分析、绿地调查、地籍测量等方面,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；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三维立体景观图,丰富城市管理、规划的手段与方法[5]。

其实际应用主要有：

（1）GIS三线(道路、铁路、河流)图的采集与更新。随着GIS应用越来越广泛,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。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。

（2）修测数字线划图。数字线划图上高层建筑存在投影误差,但对于四层楼以下的建筑物来说,投影误差较小，可以忽略不计；而对于高层建筑可以先在建筑顶部采集其形状、大小,再根据建筑可见的地面上的点确定其位置。

（3）应用于城市规划。数字正射影像图应用到城市规划设计中,在规划设计的前期现状调查期间,数字正射影像图可以通过提供大量的信息,以直观、翔实的影像来反映许多实地踏勘中的盲点。同时,利用数字正射影像图作为规划底图,使规划内容与周边环境的关系更加清晰,在旧区改造、历史古建筑保护、城市重点区域和地区标志性建筑的规划设计中可以发挥十分重要的作用。

3.2 正摄影像的质量评价

正射影像作为一种产品，需要对其进行精度检查和质量控制。通常采用以下几种方法来检验正射影像的精度：

（1）野外检测：检查正射影像的绝对精度。

（2）与等高线图或线划地图套合后进行目视检查。

（3）左和右影像制作两幅正射影像，量测影像上同名点的视差。当没有上述误差，且该点为地表点时，其视差应为零。如视差超出规定数值，则需对数据采集和正射影像制作全过程进行检查，找出问题所在进行返工[6]。

正射影像的质量一般采用目视检查，如色调是否均匀，是否存在影像扭曲和变形等等。

经过镶嵌的影像，其镶嵌处色彩应过渡自然，无明显的色彩变换。在镶嵌处不应有因镶嵌引起的重影、模糊或断裂等现象。完整性主要指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，可以在Photoshop下复制其他地方的水域，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；准确性和实时性指图廓注记准确与否和DOM所反映的信息与实际情况的差异。

[1]乔瑞亭，孙和利，李欣．摄影与空中摄影学[M]．武汉:武汉大学出版社，2006.

[2]王富强，凌兵．数字正射影像图的原理及生产流程[J]．黑龙江科技信息，2004(4):130.

[3]李德仁，周月琴，金为铣．摄影测量与遥感概论[M]．北京:测绘出版社，2001.

[4]王国明，吕德凤，吴淑清．基于VirtuoZo 数字摄影测量系统的正射影像制作[J]．测绘工程，2000(4):49-51.

[5]熊兴华．数字影像质量评价方法评述[J]．测绘科学，2004，29(1):68-72.

[6]王昱，胡莘，张保明．数字影像质量评价方法研究[J]．测绘通报，2002(5):7-9.

张冀（1991—），男，汉族，助理工程师，从事地图编辑工作。E-mail:994246711@qq.com