基于VirtioZo系統(tǒng)的數(shù)字城市數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作研究

楊勇

摘 要：本文筆者基于長(zhǎng)期從事數(shù)字城市的工作經(jīng)驗(yàn)，以VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)制作正射影像圖為研究對(duì)象，深度探討了正射影像圖的制作流程和方式方法。文中關(guān)于正射影像圖的匹配與編輯等內(nèi)容凝練了筆者長(zhǎng)期的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以直接指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，相信本文的研究對(duì)于從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：正射影像圖 影像匹配 編輯 定向

中圖分類號(hào)：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（b）-0000-00

隨著技術(shù)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)已進(jìn)入基本成熟階段。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行處理，并由計(jì)算機(jī)視覺，影響匹配和影像識(shí)別，代替人眼與儀器進(jìn)行立體測(cè)量。目前，全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量主要應(yīng)用于生產(chǎn)數(shù)字地面高程模型 （DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。數(shù)字影像實(shí)際上是對(duì)灰度和空間都連續(xù)變化的影像按一定的灰度級(jí)和空間分辨率進(jìn)行離散化處理，并使之成為離散的灰度矩陣。數(shù)字正射影像是對(duì)中心投影或其他投影方式的數(shù)字影像進(jìn)行投影差改正，一般采用數(shù)字地面高程模型（DEM）進(jìn)行數(shù)字微分糾正，使之成為正射的數(shù)字影像。數(shù)字正射影像以其直觀、信息量豐富、美觀和易于接受等優(yōu)點(diǎn)，越來越引起人們的興趣，社會(huì)需求量呈上升趨勢(shì)。今年的7月份筆者參與了某煤礦1：5000正攝影像的制作。下面結(jié)合生產(chǎn)過程就基于VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)制作正射影像圖進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 資料準(zhǔn)備

（1）相機(jī)文件：應(yīng)提供相機(jī)主點(diǎn)理論坐標(biāo)：X0，Y0。相機(jī)焦距：f。框標(biāo)距或框標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）控制資料：1）外業(yè)控制點(diǎn)成果。如果是全野外布點(diǎn)，還應(yīng)有外業(yè)控制片。2）內(nèi)業(yè)加密成果。并制作成相應(yīng)格式的控制點(diǎn)文件，***.pas。

（3）航片掃描數(shù)據(jù)：需要符合VirtuoZo圖像格式及成圖要求掃描分辨率的掃描數(shù)據(jù)。VirtuoZo接受多種圖像格式，最后轉(zhuǎn)換成VirtuoZo識(shí)別的*。VZ數(shù)據(jù)格式。

2 參數(shù)設(shè)置

VirtioZo系統(tǒng)的參數(shù)較多，需在參數(shù)界面上逐一設(shè)置。需要設(shè)置的參數(shù)有測(cè)區(qū)參數(shù)（Block Parameters），模型參數(shù)（Model），影像參數(shù)（Images），相機(jī)參數(shù)（Camera），控制點(diǎn)參數(shù)（Ground Points），地面高程模型參數(shù)（DEMs），正射影像參數(shù)（Orthoimages ）。

3 定向

3.1 內(nèi)定向

VirtuoZo可自動(dòng)識(shí)別框標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)完成掃描坐標(biāo)系與相片坐標(biāo)系間變換參數(shù)的計(jì)算，自動(dòng)完成相片內(nèi)定向，并提供人機(jī)交互處理功能，可人工調(diào)整光標(biāo)切準(zhǔn)框標(biāo)。

3.2 相對(duì)定向

系統(tǒng)利用二維相關(guān)，自動(dòng)識(shí)別左、右像片上的同名點(diǎn)，一般可匹配數(shù)十至數(shù)百個(gè)同名點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行相對(duì)定向。并可利用人機(jī)交互功能，人工對(duì)誤差大的定向點(diǎn)進(jìn)行刪除或調(diào)整同名點(diǎn)點(diǎn)位，使之符合精度要求。

3.3絕對(duì)定向

（1）利用加密成果進(jìn)行絕對(duì)定向

VirtuoZo可利用加密成果直接進(jìn)行絕對(duì)定向，將加密成果中控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)按照相對(duì)定向像點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)格式拷貝到相對(duì)定向的坐標(biāo)文件（***.pcf）中，執(zhí)行絕對(duì)定向命令，完成絕對(duì)定向，恢復(fù)空間立體模型。

（2）人工定位控制點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定向

相對(duì)定向完成后（即自動(dòng)匹配完成后），由人工在左、右像片上確定控制點(diǎn)點(diǎn)位，并用微調(diào)按鈕進(jìn)行精確定位，輸入相應(yīng)控制點(diǎn)點(diǎn)名。每個(gè)像對(duì)至少需要三個(gè)控制點(diǎn)，一般為六個(gè)。定位完本像對(duì)所有的控制點(diǎn)后，即可進(jìn)行絕對(duì)定向。

4 生成核線影像

絕對(duì)定向完成后，影像按同名核線影像進(jìn)行重新排列，形成按核線方向排列的核線影像。以后的處影像匹配、視差曲線編輯等，都將在核線影像上進(jìn)行。

5 影像匹配、匹配結(jié)果編輯

按照參數(shù)設(shè)置確定的匹配窗口大小和匹配間隔，沿核線進(jìn)行影像匹配，確定同名點(diǎn)。

5.1 匹配預(yù)處理

對(duì)于一些特殊地形的數(shù)據(jù)，如山脊、溝谷、黑影遮蓋區(qū)、大片居民區(qū)或水域等地區(qū)的影像，僅僅靠系統(tǒng)的自動(dòng)匹配，可能得到的匹配結(jié)果很差，會(huì)大大增加匹配結(jié)果編輯的工作量。因此，Virtuozo提供了匹配預(yù)處理模塊，利用該模塊，用戶可以打開有待自動(dòng)匹配的模型，并在模型中加測(cè)一些特征點(diǎn)、特征線和特正面以輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)匹配，從而獲得較好的匹配結(jié)果，大大減少對(duì)匹配結(jié)果編輯的工作量，生成核線影像后就可進(jìn)行匹配預(yù)處理操作。

5.2 匹配結(jié)果的編輯

影像匹配完成后，需在立體下進(jìn)行人機(jī)交互的視差曲線編輯，即對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行編輯。這一部分是整個(gè)作業(yè)過程中人工干預(yù)最多，工作量最大的部分。尤其做大比例尺城市地區(qū)的正射影像，需要對(duì)整個(gè)模型的大部分影像進(jìn)行視差曲線編輯，把纏繞在房屋等人工建筑上的視差曲線內(nèi)插到地面，以避免糾正后房屋等人工建筑影像的扭曲變形。還有就是由于掃描影像質(zhì)量問題引起的匹配錯(cuò)誤，需進(jìn)行人工編輯改正。編輯完成后即可生成DEM。

5.2.1 需要編輯的內(nèi)容

該模塊顯示視差斷面和等視差曲線，并顯示系統(tǒng)認(rèn)為不可靠的匹配點(diǎn)，以便用戶發(fā)現(xiàn)粗差進(jìn)行編輯，在立體的模式下，用點(diǎn)、線、面的編輯方式進(jìn)行交互式編輯。

需要編輯的情況一般主要有以下幾種情況：（1） 影片中大片紋理不清晰的區(qū)域或沒有明顯特征的區(qū)域。例如，湖泊、大面積的水域、沙漠，可能出現(xiàn)大片匹配不好的店的區(qū)域，需要對(duì)其進(jìn)行手工編輯。（2） 由于影像被遮蓋河印英等原因，使得匹配點(diǎn)不再正確的位置上，需要對(duì)其進(jìn)行手工編輯。（3） 城市中的人工建筑物，山區(qū)重的樹林影像，它們的匹配店不是地面上的點(diǎn)，而是地物表面上的點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行手工編輯。（4） 大面積平地、溝渠和比較破碎的地貌等區(qū)域的影像，需要對(duì)其進(jìn)行手工編輯。

5.2.2 編輯的方法：

1）平滑算法：選擇編輯區(qū)域，選擇合適的平化程度—輕度、中度、和重度，對(duì)選中區(qū)域進(jìn)行平滑。2）擬合算法。3）置平：將選中的區(qū)域置為平面，平面高成為各點(diǎn)高程的平均值。4）定值平面：將選中的區(qū)域擬合為給定高程的水平面。5）匹配點(diǎn)內(nèi)插：上下內(nèi)插、左右內(nèi)插，所選編輯區(qū)域周圍的匹配點(diǎn)質(zhì)量好時(shí)，選擇該內(nèi)插方法，區(qū)域內(nèi)的匹配點(diǎn)按所選方向進(jìn)行差值計(jì)算。6）量測(cè)點(diǎn)內(nèi)插：區(qū)域周圍的匹配點(diǎn)質(zhì)量不理想時(shí)，選擇該內(nèi)插方法。7）三角內(nèi)插：在三角形區(qū)域內(nèi)，利用量測(cè)點(diǎn)內(nèi)插。

5.2.3 實(shí)例分析

大面積的水域：這些影像的特點(diǎn)是紋理不清晰，常出現(xiàn)很多錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)。沿水域的邊緣選擇編輯區(qū)域，用置平命令，水面置平，在用上下鍵抬高，降低高程，如已知水面高程，可定值平面。房屋和建筑物，使用平面擬合算法或先作差值運(yùn)算-平滑處理，消除影像上的變形。大片樹林，由于樹林遮蓋地面，匹配點(diǎn)在樹頂，真實(shí)高程為匹配點(diǎn)高程減去樹高。大面積的平地中有許多田地、田埂和莊稼，地形破碎。對(duì)這樣的地區(qū)一般進(jìn)行相應(yīng)方向的插值運(yùn)算，在進(jìn)行平滑，有高速路、鐵路、立交橋的區(qū)域，高速路和鐵路在沒有樹木則遮蓋時(shí)，匹配效果一般很好不需編輯，如果其他地塊需要編輯選擇區(qū)域沿它們的下沿走。高的立交橋邊沿不太清晰，高差與周圍相差較大，這種情況一般選擇重度平滑算法，如仍會(huì)出現(xiàn)變形這時(shí)就要進(jìn)行正攝影像的修補(bǔ)，直到取得較為滿意的影像成果。

6 正射影像（DOM）的制作

數(shù)字地面高程模型是制作正射影像的基礎(chǔ)，中心投影的影像根據(jù)其數(shù)字地面高程模型就可糾正成正射影像。利用編輯好的匹配結(jié)果生成數(shù)字地面高程模型。此種方法適用于中、小比例尺的正射影像制作或大比例尺非城市自然地貌地區(qū)的正射影像制作，也可用于編輯好視差曲線的城市地區(qū)的正射影像制作。生成正射影像的方式包括：分別由單模型的DEM生成單個(gè)模型的正射影像。將多個(gè)單模型的DEM拼接成一個(gè)多模型的DEM，一步生成所需的正射影像。

單個(gè)像對(duì)的正射影像生成后，即可進(jìn)行正射影像圖的拼接或者說鑲嵌、裁切。一般來說，制作標(biāo)準(zhǔn)圖幅的正射影像可用系統(tǒng)鑲嵌功能進(jìn)行鑲嵌，系統(tǒng)提供兩種鑲嵌方式：由系統(tǒng)進(jìn)行單模型的DEM及正射影像的自動(dòng)拼接。此種方式適用于小比例尺及大比例尺非城市自然地貌地區(qū)。由手工方式選擇鑲嵌線進(jìn)行拼接。這種方式適合大比例尺城市地區(qū)，可有效的避免（高大）建筑物因中心投影倒向引起的拼接重影或模糊。另外，如果制作沒有絕對(duì)地理精度要求的正射影像圖，可由單模型正射影像在 Potoshop等圖像處理軟件下進(jìn)行手工拼接，這也是一種有效的拼圖手段。

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