基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的紙質(zhì)地形圖數(shù)字化研究

曹理想

(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

傳統(tǒng)的紙質(zhì)地形圖掃描數(shù)字化，就是先用滾筒式工程掃描儀或大幅面平板式掃描儀將紙質(zhì)地形圖掃描成柵格數(shù)字圖像，再經(jīng)過(guò)糾正、定向后，借助矢量化軟件和人機(jī)交互進(jìn)行處理，最終得到數(shù)字化地形圖。由于紙質(zhì)地形圖本身具有不均勻變形誤差，以及圖紙掃描過(guò)程中也要引入一定的誤差[1]，采用內(nèi)圖廓四個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行柵格糾正往往不能滿(mǎn)足精度要求，則需要進(jìn)行公里格網(wǎng)逐點(diǎn)糾正[2]。

近景攝影測(cè)量就是通過(guò)近距離攝影手段以確定目標(biāo)的外形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被測(cè)目標(biāo)物各式各樣、千差萬(wàn)別，應(yīng)用十分廣泛[3]。相比較于專(zhuān)業(yè)量測(cè)攝影機(jī)的體型巨大，數(shù)碼相機(jī)等非量測(cè)相機(jī)有著輕便靈活、價(jià)格便宜、獲取影像快速的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，非量測(cè)相機(jī)也有著內(nèi)、外方位元素未知，構(gòu)像畸變較大的缺點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)攝影測(cè)量軟件進(jìn)行處理，處理過(guò)程簡(jiǎn)潔，可獲得較滿(mǎn)意的結(jié)果，對(duì)多數(shù)生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)具有實(shí)用意義[4，5]。本文基于近景攝影測(cè)量技術(shù)，采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)和一般攝影測(cè)量軟件進(jìn)行研究，提出一種簡(jiǎn)便可行的紙質(zhì)地形圖數(shù)字化流程方法。

2 近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量是攝影測(cè)量的一個(gè)分支，它不以測(cè)繪地形圖為目的，而是利用對(duì) 300 m以?xún)?nèi)近距離目標(biāo)攝影所獲取的圖像來(lái)確定其形態(tài)、幾何位置和大小的技術(shù)。它所攝的目標(biāo)可以是物體或生物、靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的：所獲取的圖像可以是影像的或數(shù)字的。它可提供平面圖、立體圖、剖面圖、目標(biāo)點(diǎn)的二維坐標(biāo)、三維坐標(biāo)和包括時(shí)間的四維參數(shù)以至工程建設(shè)其他參數(shù)等多樣化成果數(shù)據(jù)[6]。近景攝影測(cè)量在不直接接觸被攝物體的情況下，對(duì)被攝物體進(jìn)行三維立體量測(cè)，其精度可以達(dá)到攝影距離的1/3000～1/8000[7]。近景攝影測(cè)量方法能夠簡(jiǎn)便高效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得相對(duì)傳統(tǒng)方法更為精細(xì)的測(cè)繪成果[8]。

3 試驗(yàn)研究

3.1 技術(shù)流程

采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行獲取影像數(shù)據(jù)后，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件Context Capture中進(jìn)行空中三角測(cè)量解算生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建TIN模型，再進(jìn)行全自動(dòng)紋理映射，最終生成正射影像圖，并通過(guò)數(shù)字化軟件進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集、編輯，最終得到數(shù)字化地形圖成果。紙質(zhì)地形圖數(shù)字化技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 紙質(zhì)地形圖數(shù)字化流程圖

3.2 影像數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)選用40 cm×50 cm矩形分幅的聚酯薄膜圖紙，比例尺為 1∶1 000，原圖精度滿(mǎn)足《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖數(shù)字化規(guī)范》GB/T 17160-2008要求，圖面內(nèi)要素清晰、正確、圖面整潔。采用Canon EOS 5D MARK Ⅱ單反數(shù)碼相機(jī)通過(guò)正直攝影的方式進(jìn)行拍攝，有效像素 2 110萬(wàn)，像片尺寸為 5 616像素×3 744像素，相機(jī)鏡頭采用 50 mm定焦鏡頭，攝影基線為 10 cm，鏡頭到紙質(zhì)地形圖的攝影距離為 60 cm。由于在室內(nèi)進(jìn)行拍攝，為保證被攝目標(biāo)照度均勻，在不同位置設(shè)置光源進(jìn)行了補(bǔ)光。本次攝影共布設(shè)5條航帶，每條航帶拍攝6張影像，航向重疊度為76%，旁向重疊度為65%，共計(jì)30張影像。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理

采用Context Capture軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理。Context Capture軟件可支持普通數(shù)碼相機(jī)，無(wú)須進(jìn)行相機(jī)檢校，通過(guò)空中三角測(cè)量自動(dòng)計(jì)算更準(zhǔn)確地焦距、主點(diǎn)和鏡頭畸變等相機(jī)參數(shù)。

(1)創(chuàng)建工程后加載全部影像，并添加相機(jī)鏡頭焦距信息，采用多基線特征匹配技術(shù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取及影像匹配，選取地形圖中包含4個(gè)角點(diǎn)在內(nèi)且分布均勻的9個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)線交叉點(diǎn)作為像控點(diǎn)，利用像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差完成空中三角測(cè)量，解算出各影像外方位元素。空中三角測(cè)量計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 空中三角測(cè)量計(jì)算結(jié)果

(2)利用軟件提供的并行算法獲得高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)，并生成白模的三維模型。如圖3、圖4所示。

圖3 構(gòu)建的TIN網(wǎng)

圖4 生成的TIN白模

(3)通過(guò)全自動(dòng)紋理映射，生成基于影像紋理的高分辨率參考三維模型。生成三維模型后，直接輸出高精度的正射影像圖數(shù)據(jù)，經(jīng)鑲嵌、勻色處理后生成TIF格式的全幅正射影像圖。如圖5所示。

圖5 生成的全幅正射影像圖

3.4 矢量數(shù)據(jù)采集、編輯

原有地形圖圖式的符號(hào)與現(xiàn)行圖式規(guī)范存在部分不一致，應(yīng)將以前各版本圖式符號(hào)與現(xiàn)行版本的圖式建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用CASS軟件加載正射影像圖，根據(jù)現(xiàn)行圖式規(guī)范規(guī)定的圖形符號(hào)定位點(diǎn)、線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，線狀要素保持其連續(xù)性，面狀要素構(gòu)成閉合多邊形，采集的矢量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行接邊處理。對(duì)圖形數(shù)據(jù)中的要素關(guān)系進(jìn)行編輯，保證各要素間的拓?fù)潢P(guān)系正確。

3.5 精度分析

為檢查紙質(zhì)地形圖數(shù)字化的精度，選取正射影像圖上的15個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)線交叉點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，將檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)與理論坐標(biāo)進(jìn)行比較分析，如表1所示。

檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)比較分析表 表1

綜上可以看出，選取的檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為 0.134 m，其相對(duì)精度為0.134 mm/60 cm≈1/4500，表明相對(duì)精度也很高，滿(mǎn)足地形圖數(shù)字化的需要。

4 結(jié) 論

采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)攝取影像后，通過(guò)近景攝影測(cè)量技術(shù)可以獲得紙質(zhì)地形圖的正射影像圖，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的地形圖數(shù)字化中的掃描、糾正和定向工作，通過(guò)精度驗(yàn)證，基于近景攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展紙質(zhì)地形圖數(shù)字化，可以提供高精度的地形圖數(shù)字化成果，為紙質(zhì)地形圖數(shù)字化工作提供了一種簡(jiǎn)便可行的解決方案。