ADS100空三工程任意范圍裁切算法研究

梁 菲

(1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199； 2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710199)

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展對空間數(shù)據(jù)獲取的現(xiàn)勢性要求越來越高，對空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的效率也有了較高的要求，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理不斷在向自動化發(fā)展，同時盡量減少外業(yè)的工作量，提高作業(yè)效率，縮短生產(chǎn)周期。相比傳統(tǒng)的框幅式航空攝影測量，ADS(Airborne Digital Sensor)系列三線陣傳感器集成了高精度的POS數(shù)據(jù)，僅需要少量的控制點，就可以得到高精度的空三成果，作業(yè)過程可以減少大量的外業(yè)工作量；同時獲取到前視、下視以及后視三個視角的影像條帶，任意兩個視角都可以構(gòu)建立體像對；航線飛行方向可以直接獲取到整條航線的影像，可飛行50～60 km的數(shù)據(jù)量[1]。獨特的優(yōu)勢讓ADS航攝儀為航空攝影測量自動化開辟了嶄新的途徑，成為對地觀測空間數(shù)據(jù)獲取的主要數(shù)據(jù)來源方式。

ADS100在數(shù)據(jù)處理中雖然自動化程度高，外業(yè)工作量少，但其巨大的數(shù)據(jù)量給數(shù)據(jù)處理也帶來了很大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)中，影像數(shù)據(jù)以航線為單位存儲，每條航線的數(shù)據(jù)量是非常大的，在DEM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)測繪產(chǎn)品實際生產(chǎn)時，模型構(gòu)建速度比較慢，在交互過程中出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。另外，ADS航攝儀數(shù)據(jù)處理時所需文件多且組織復雜，格式及各個參數(shù)的物理意義不明確，在實際生產(chǎn)應用中，受到數(shù)據(jù)格式的限制，對數(shù)據(jù)重新組織比較困難，無法實現(xiàn)自由處理數(shù)據(jù)。目前現(xiàn)有文獻的研究主要分為兩個方向，一是對數(shù)據(jù)處理理論進行研究[2-4]，二是對其生產(chǎn)體系及質(zhì)量進行評價[5-7]，還未有針對生產(chǎn)實際中的具體問題進行研究實現(xiàn)的。通過研究ADS100航攝儀空三加密成果中工程參數(shù)的物理意義(見實例)，提出并實現(xiàn)了一種基于任意范圍線的ADS100加密工程裁切方法，并已經(jīng)應用到數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，極大地提高了構(gòu)建空三模型的速度，模型影像調(diào)度非常流暢，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。

1 技術(shù)路線

ADS100加密工程裁切以推掃式影像成像原理為基礎，充分解析.sup、.ads文件中參數(shù)的物理含義，根據(jù)范圍線對影像進行裁切，重新計算工程參數(shù)并更新相應文件。其技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 工程裁切完整流程圖

(1)基礎數(shù)據(jù)準備

獲取測區(qū)的空三加密成果、作業(yè)范圍線數(shù)據(jù)、WGS84坐標系與范圍線坐標系兩套坐標系相應的控制點若干。

(2)WGS84與范圍線坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

ADS100航攝儀集成了高精度GPS和慣性測量裝置(IMU)，其初始坐標系統(tǒng)為WGS84，在空三加密完成后，加密成果還是WGS84坐標系統(tǒng)[8]。而在實際生產(chǎn)中作業(yè)范圍線一般為地方坐標系統(tǒng)，因此就需要在兩套空間坐標系統(tǒng)之間進行互相轉(zhuǎn)換。

算法實現(xiàn)時要將ADS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地方坐標系統(tǒng)，首先將WGS84大地坐標系轉(zhuǎn)換到WGS84空間直角坐標系；然后根據(jù)七參數(shù)將WGS84空間直角坐標系轉(zhuǎn)換到地方坐標系。不同空間直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換七參數(shù)計算需要使用原始坐標系(WGS84)、地方坐標系中相應的控制點坐標。其轉(zhuǎn)換過程為：首先將控制點坐標，分別按照相應的橢球及投影參數(shù)，將坐標都轉(zhuǎn)換到地心(參心)直角坐標系中，其坐標記為(X,Y,Z)；在地心(參心)直角坐標系中進行兩套控制點之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算，即為計算轉(zhuǎn)換七參數(shù)，再利用七參數(shù)將原始坐標系的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目標坐標系中。

(3)計算影像與范圍線交集

根據(jù)工程文件中的影像信息，計算每一塊影像在地方坐標系中的地面坐標范圍，判斷過程為：基于多邊形之間的空間關(guān)系(包含、相交、外部)，判斷多邊形之間是否有交集；若有交集，利用點與多邊形的空間關(guān)系(內(nèi)部、外部)，采用基于面元的快速檢測，計算出交集內(nèi)的影像范圍。

(4)重新計算工程參數(shù)

計算要裁切的影像范圍在原始影像中的位置，重新計算工程參數(shù)中的影像大小、坐標偏移量；輸出裁切后的影像；更新ads文件中的影像塊信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像塊范圍計算

由于ADS100航攝儀影像數(shù)據(jù)是按照ads文件中的Block存儲的，讀取每個Block的影像數(shù)據(jù)，并計算Block影像的四個角的地面坐標，公式中影像列Sample表示為S，影像行Lines表示為L，影像寬度為W。

(1)影像行列號像素坐標計算

計算每個影像塊的四個角在整個條帶中的像素坐標。

左上角：

Si=Si-1+Wi-1

Li=L

(1)

式中，Si、Li為第i個塊的坐標；Si-1為第i-1塊的左下角的像素坐標；Wi-1為上一個塊的影像寬度；L是整個條帶的高度(每個塊的影像高度都是相同的)。

左下角：

Si=Si-1+Wi-1

Li=0

(2)

右上角：

Si=Wi+Si-1+Wi-1

Li=L

(3)

式中，Wi為當前塊的影像寬度。

右下角：

Si=Wi+Si-1+Wi-1

Li=0

(4)

(2)影像物方坐標計算

步驟1：獲取到工程中的基本參數(shù)有錨點坐標B0、L0，旋轉(zhuǎn)參數(shù)r，縮放比例s，坐標偏移量xt0，yt0。錨點坐標是WGS84坐標系下的經(jīng)緯度格式，要將其轉(zhuǎn)換到WGS84空間直角坐標系，用X0，Y0，Z0表示。

步驟2：計算物方空間坐標

根據(jù)每影像塊的四角像素坐標，計算四角的物方坐標Gx，Gy，得到影像的覆蓋范圍[9]：

Gx=((Si+xt0)cos(r)+(Li+yt0)sin(r))/s

Gy=(-(Si+xt0)sin(r)+(Li+yt0)cos(r))/s

(5)

步驟3：計算地面坐標

根據(jù)基本參數(shù)信息、物方空間坐標計算每個影像塊的地面覆蓋范圍

X=X0-Gy×sin(B0)×cos(L0)-sin(L0)×Gx

Y=Y0-Gy×sin(B0)×sin(L0)+cos(L0)×Gx

Z=Z0+Gy×cos(B0)

(6)

此時，該地面坐標為WGS84地心直角坐標系，可以直接利用七參數(shù)將該地面坐標轉(zhuǎn)換到目標坐標系橢球的地心直角坐標系。將該地心直角坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標，然后按照目標坐標系的投影方式，投影為空間直角坐標?？梢缘玫睫D(zhuǎn)換到目標坐標系下影像的地面覆蓋范圍。

2.2 基于面元的空間關(guān)系快速檢測

由于每條航線的ads中會有比較多的影像塊，在計算過程中需要循環(huán)影像塊進行逐塊計算影像范圍。影像塊與范圍線關(guān)系有以下三種：

(1)當前影像塊不包含在范圍線內(nèi)：不計算裁切范圍(外部)；

(2)當前影像塊完全包含在范圍線內(nèi)：整塊影像計算裁切范圍(包含)；

(3)當前影像塊部分包含在范圍線內(nèi)：計算影像塊與范圍線交集(相交)。

基于點與多邊形的空間關(guān)系，采用基于面元的快速檢測法計算與范圍線相交的影像范圍。在實際生產(chǎn)中范圍線一般是不規(guī)則的多邊形，而影像的存儲是規(guī)則矩形，因此在這里求出的交集是按照影像范圍為矩形計算。由于影像數(shù)據(jù)量比較大，為了提高檢測速度，提出了將原始影像抽稀為面元，以面元為單位計算與范圍線的交集，面元大小可以設置為50～100個像素之間，如圖2所示。其偽代碼如下：

FOR(Inti=0,i<影像行,i+=面元大小){

FOR(Intj=0,j<影像列,j+=面元大小){

計算當前像素的地面坐標，判斷該地面點是否在范圍線內(nèi)，利用點是否在任意多邊形范圍內(nèi)進行判斷；

IF(該地面坐標在范圍線內(nèi)){

記錄最小的行列號坐標，記錄最大的行列號坐標}}}

圖2 面元檢測算法

按照計算的每個影像塊的最大最小坐標，計算影像塊的裁切范圍，并重新存儲裁切后的影像。采用將像素融合為面元的方式，極大地提高了像素與多邊形空間關(guān)系檢測效率。

2.3 重新計算工程參數(shù)

(1)ads文件中存儲的是當前航線所有影像塊的參數(shù)信息，根據(jù)當前航線每個影像塊計算的裁切范圍，要重新計算LINES、SAMPLES、LINES_PER_BLOCK、SAMPLES_PER_BLOCK、BLOCK_DATA。要注意的是，ads文件中默認每個影像塊的行列數(shù)都與參數(shù)相同，但是不包含最后一個影像塊，最后一個影像塊就按照裁切后的實際尺寸生成；另外，第一個影像塊尺寸如果與參數(shù)不一致時，需要將尺寸調(diào)整到與參數(shù)一致。最后按照裁切后的所有影像塊，生成相應的BLOCK_DATA參數(shù)，并生成新的ads文件。

(2)在SUP文件中要重新輸出ads、相機、外方位元素的存儲路徑，重新計算坐標偏移量RECT_XOFFSET、RECT_YOFFSET參數(shù)，公式中表示為xt0，yt0。首先利用公式(5)計算裁切后第一個影像塊的物方空間坐標，然后利用公式(7)計算出xt0，yt0。

yt0=(sin(r)×s×Gx+cos(r)×s×Gy)/(sin(r)2

+cos(r)2)

xt0=(yt0×cos(r)-s×Gy)/sin(r)

(7)

更新工程文件中的RECT_XOFFSET，RECT_YOFFSET為xt0，yt0。SUP中其他的參數(shù)按照裁切后的相應參數(shù)更新并寫入文件。

3 實例分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

ADS100航攝儀空三加密完成后，為每條航線都生成了加密后的SUP工程文件、ads文件以及odf.adj文件。通過研究ADS100成像原理，解析其加密工程文件，獲取到工程中的基本參數(shù)信息，如表1所示。

表1 基本參數(shù)信息及其物理含義

ADS100獲取到的是整條條帶的影像，其數(shù)據(jù)量可達到10 G左右，因此在處理時都會將整條條帶影像分塊存儲，并將其分塊信息存儲到ads文件中。讀取加密工程相對應的ads文件，獲取當前航線影像所包含的分塊信息blockdata(block0、block1、block2、……、blockn)。

試驗選取某測區(qū)ADS100航測數(shù)據(jù)，坐標系統(tǒng)為當?shù)氐胤姜毩⒆鴺讼担枰M行WGS84坐標與地方獨立坐標系的坐標轉(zhuǎn)換。試驗測區(qū)提供了349個控制點，且在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布，根據(jù)每個控制點相應的兩套坐標，即可求解出七參數(shù)。選取測區(qū)中一條航線的兩個視角(前視和下視)為試驗數(shù)據(jù)，按照兩種范圍線對當前航線的空三加密工程進行裁切。航線數(shù)據(jù)基本情況如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)基本情況/km

3.2 裁切實現(xiàn)

按照上述原理在VS2010的平臺上實現(xiàn)了ADS100加密工程裁切，并對試驗數(shù)據(jù)進行裁切試驗，試驗選擇一小部分矢量數(shù)據(jù)作為范圍線區(qū)域，將裁切前和裁切后的結(jié)果對比，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)裁切前后對比情況

采用上述方法裁切后的加密工程能夠無縫兼容入市場上主流的ADS100的數(shù)據(jù)處理軟件，將其導入軟件中，裁切前與裁切后的數(shù)據(jù)套合情況結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖中，紅色線框為地方獨立坐標系要裁切的范圍線，圖3為前視航線裁切前后與范圍線的套合情況，圖4為下視航線裁切前后與范圍線的套合情況，其(b)圖中，將范圍線外的數(shù)據(jù)裁切之后，采集的矢量數(shù)據(jù)與裁切后影像完全套合。

3.3 精度分析

精度驗證采用模型檢測點、外業(yè)檢測點對裁切后的模型精度進行驗證。模型檢測點是在原始空三模型上人工量測的點位，在測區(qū)范圍內(nèi)選擇了25個均勻分布的檢測點；外業(yè)檢測點在裁切范圍內(nèi)有3個點；人工在裁切后的模型上量測了裁切后的模型點位，并計算了相應檢測點的最大差值、中誤差，如表4所示。

圖3 范圍線與前視影像裁切前后套合圖

圖4 范圍線與下視影像裁切前后套合圖

表4 模型裁切后精度驗證

從計算結(jié)果來看，按照1:1 000的模型精度要求，丘陵地區(qū)平面小于0.35 m，高程小于0.35 m，外業(yè)檢測點與模型檢測點的檢測結(jié)果均滿足要求。

4 結(jié) 語

ADS航攝儀獨特的成像方式、不同于常規(guī)面陣相機的數(shù)據(jù)組織與存儲，海量的影像數(shù)據(jù)給后期數(shù)據(jù)處理帶來了很大挑戰(zhàn)[10]。基于ADS100的成像原理，通過研究其數(shù)據(jù)組織及參數(shù)的物理意義，實現(xiàn)了基于任意范圍線對ADS100加密工程進行裁切，從而提高實際生產(chǎn)效率。目前算法僅實現(xiàn)空三工程的裁切功能，但其研究基礎可以擴展到數(shù)據(jù)處理的其它環(huán)節(jié)中，對提高實際生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實的指導意義。