0.2 m分辨率航空數(shù)字正射影像制作技術(shù)

曲莉莉，朱豐琪

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250013)

隨著《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》[1]的實(shí)施，高分辨率數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)在基礎(chǔ)測繪、國土調(diào)查、國情監(jiān)測、城市規(guī)劃、地籍測量等項目中發(fā)揮了重要作用，對高分辨率的研究顯得十分必要。研究表明[2-5],在航空正射影像生產(chǎn)過程中，影響正射影像質(zhì)量的重要因素是數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)編輯和DOM，并提出了多種處理方式方法。 渠甲源[6]曾就高分辨率航空正射影像技術(shù)設(shè)計難點(diǎn)探討了利用MicroStation軟件分層編輯DEM數(shù)據(jù)，但編輯效率及效果不佳，自動化程度較低，需使用大量人工編輯量。目前也無較為成熟的針對大面積、多時相、不同天氣引起的航片色彩差異進(jìn)行整體均衡勻色的處理方法。隨著高科技測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)處理模式已逐漸被先進(jìn)的自動化的集群式影像處理系統(tǒng)所替代，與傳統(tǒng)處理模式相比，自動化集群式影像處理系統(tǒng)已有數(shù)倍的效率提升，但DEM編輯及DOM勻色這兩個環(huán)節(jié)的技術(shù)難點(diǎn)是目前數(shù)字正射影像快速生產(chǎn)急需解決的問題，將極大地影響自動化處理系統(tǒng)的影像生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 主要技術(shù)指標(biāo)及儀器設(shè)備

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

平面坐標(biāo)系采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)，投影方式為高斯-克呂格投影，分帶方式為3°分帶，中央經(jīng)線117°。

DOM 成果應(yīng)無明顯拼接痕跡并保證建筑物等實(shí)體的影像完整，影像色彩應(yīng)接近真實(shí)自然，紋理應(yīng)清晰、無明顯失真。

1.2 儀器設(shè)備

本文使用的主要儀器設(shè)備及軟件系統(tǒng)主要有PC-6飛機(jī)、DMCIII航攝儀、 Inpho、GEOWAY CIPS、Pixel Factory等。詳見表1。

表1 主要設(shè)備與軟件

2 技術(shù)路線及工藝流程

圖1 航空圖像采集和處理流程圖Fig.1 Flowchart of the acquisition and processing of aerial images

3 DEM 優(yōu)化研究

試驗證明DEM的質(zhì)量是決定數(shù)字正射影像質(zhì)量的重要因素之一，DEM優(yōu)化質(zhì)量的好壞直接影響DOM精度。 因此，在生產(chǎn)中對DEM編輯工序必須投入較大精力，在保證DOM的精度質(zhì)量的前提下提高DEM編輯效率。

3.1 DEM難點(diǎn)分析

濱州市地勢南高北低，大致上由西南向東北傾斜，漸次過渡到大海。小清河以南的鄒平南部屬丘陵區(qū)，地勢高峻，其余均為山前傾斜平原，地勢平緩，海拔高程一般在8～800 m。小清河以北為黃河沖積平原，海拔高程一般在1～20 m，總體上地勢低平，呈現(xiàn)出濱州地區(qū)整體地貌較平坦但局部地勢高峻的地貌特征。因此，濱州項目存在以下難點(diǎn)問題，影響DEM的精度。

(1)濱州城區(qū)內(nèi)高層建筑物多，航攝影像在航向重疊約60%左右，旁向重疊約30%左右。此類重疊度在DSM密集匹配時高層建筑物會存在匹配漏洞，導(dǎo)致此類建筑物在點(diǎn)云形態(tài)與建筑物形態(tài)匹配度不吻合，在對建筑物濾波時會存在漏濾現(xiàn)象。

濱州市周邊存在大量的工業(yè)園區(qū)，部分工業(yè)園區(qū)廠房較大，廠房內(nèi)露天設(shè)施外型復(fù)雜。對于人工構(gòu)筑物較大及造型較為復(fù)雜等情況，點(diǎn)云濾波參數(shù)不宜設(shè)置過大，防止濾波時地貌特征損失過多。

(2)濱州市整體地勢較為平坦，基本以平原為主，但最南邊鄒平市存在丘陵地貌。對于此類多種地貌特征采用同一過濾參數(shù)效果不佳。

濱州市整體以平原為主，航攝時間為2020年4月—6月，測區(qū)內(nèi)存在大面積的小麥種植區(qū)。測區(qū)北部沿海存在大量鹽田、海水養(yǎng)殖場等，大片紋理類似地物在DSM匹配時會存在大量的錯誤匹配點(diǎn)，這些錯誤點(diǎn)在濾波時影響濾波效果。

(3)集群系統(tǒng)在密集匹配時可能會產(chǎn)生噪聲高點(diǎn)或低點(diǎn)，而自動濾波只能有效過濾約80%的非地面點(diǎn)，其余非地面點(diǎn)需人工過濾。

3.2 DEM生產(chǎn)流程

對原始航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，然后將空三加密成果導(dǎo)入到GEOWAY CIPS、Pixel Factory集群式影像處理系統(tǒng)中，在集群中采用逐像素密集匹配同名點(diǎn)的方式進(jìn)行數(shù)字地表模型(digital surface model，DSM)提取,然后經(jīng)DSM濾波、DSM矢量化、DEM編輯等工序，制作數(shù)字高程模型DEM。

(1)DSM匹配及濾波：利用空三成果，生成立體模型，對立體模型進(jìn)行核線影像密集匹配生成DSM，對DSM進(jìn)行植被及建筑物濾波，去除植被及房屋等處的點(diǎn)云。

(2)DSM矢量化：經(jīng)過濾波的DSM進(jìn)行構(gòu)TIN重采樣，生成DEM過程數(shù)據(jù)，再生成單片正射影像，用于后續(xù)編輯。

(3)DEM編輯：對單片正射影像進(jìn)行變形檢查，對相應(yīng)位置的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理。除去濾波過程未過濾掉的高程異常值。

3.3 試驗結(jié)果分析

在濾波前根據(jù)地貌地物特征，將不同地貌及地物區(qū)域分開。如將平地與丘陵地區(qū)分開，各自調(diào)整過濾參數(shù)進(jìn)行過濾。濾波參數(shù)將最大建筑物長度、最大地表高差、迭代距離、是否進(jìn)行山脊填補(bǔ)設(shè)為關(guān)鍵參數(shù)值。其中平地過濾參數(shù)中的建筑物長度可適當(dāng)放寬，默認(rèn)參數(shù)為60 m，可根據(jù)測區(qū)實(shí)際建筑長度及寬度調(diào)整至120 m，丘陵地區(qū)建筑物長度可適當(dāng)調(diào)小至40 m，即該測區(qū)如果平地有建筑物長度超過120 m，丘陵地區(qū)有超過40 m的建筑，將不會進(jìn)行過濾；最大地表高差默認(rèn)參數(shù)為1.2 m，平地調(diào)整至0.6 m，丘陵調(diào)整至1.4 m，地表高差是判斷地形起伏程度的參數(shù)，平地變化小，丘陵地變化大；迭代距離默認(rèn)參數(shù)為1.8 m，平地可調(diào)整至0.8 m，丘陵調(diào)整至1.2 m，該參數(shù)主要是配合地表高差參數(shù)，形成濾波窗口尺寸；濾波時有時會將比較平坦的山脊過濾掉。平地?zé)o山脊，不進(jìn)行山脊填補(bǔ)。將濱州市鄒平區(qū)單獨(dú)分開，采用丘陵地區(qū)的濾波參數(shù)進(jìn)行過濾，其余區(qū)域采用平地濾波參數(shù)過濾。同理將城區(qū)有大量高層建筑的區(qū)域與周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村區(qū)域分開濾波。

濾波參數(shù)過濾效果成功率約在80%左右，濾波后仍有較多的高程異常值需要處理。針對這種情況，為減小人工干預(yù)工作量，將平地區(qū)域與丘陵區(qū)域分開。平地經(jīng)濾波后，采用比較大的平滑窗口，對整體地形進(jìn)行平滑處理，可獲得較好的平滑結(jié)果，同時能避免一些地物輕微變形,見圖2。丘陵地區(qū)采用較小的平滑窗口，以免平滑損失過多的地形信息，從而影響后續(xù)正射影像糾正精度。針對不同地貌特征采用合理的平滑優(yōu)化，可極大程度減少異常高程值引起的地物變形，節(jié)省大量人工編輯工作量。

圖2 建筑物變形修正Fig.2 Building deformation correction

全自動化處理時不可避免會存留部分粗差，采用人機(jī)交互的方式對DEM過程數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，解決建筑物扭曲變形、地形地貌失真等問題。設(shè)置平地參數(shù)處理后的地區(qū)有可能造成山頭缺失，需要人工添加匹配點(diǎn)；大面積水域可手工沿水域的邊緣選擇編輯區(qū)域，輸入水面高程，用平面擬合算法進(jìn)行平滑處理；將異常錯誤的點(diǎn)云手動人工刪除，手動添加缺失的特征點(diǎn)，使高程網(wǎng)準(zhǔn)確貼合地面。

4 DOM勻色優(yōu)化研究

4.1 DOM難點(diǎn)問題分析

濱州測區(qū)航攝分區(qū)6個，原始航攝數(shù)據(jù)量大小為3.4 TB。航攝時間跨度為2020年4月中旬至6月底。測區(qū)南北狹長，整體為平原地貌，且北臨渤海灣。濱州地區(qū)4月至5月份以晴朗天氣為主，6月份天氣逐漸向多云多霧變化。以上情況會導(dǎo)致下列問題。

(1)因航攝時間跨度較長，地表植被覆蓋生長情況差異明顯，造成各架次影像色調(diào)嚴(yán)重不一致，在影像鑲嵌時不同架次接邊處相同地物、植被存在不同的色彩及紋理特征，影響影像接邊質(zhì)量及效果。

(2)測區(qū)北部臨渤海海域，存在大面積鹽池及海水養(yǎng)殖場，水面整體反光嚴(yán)重，局部存在因強(qiáng)反光產(chǎn)生的曝光現(xiàn)象，影響水體圖面效果。

(3)部分架次影像存在輕度霧氣，整體視覺通透性差，影像噪點(diǎn)多，地物紋理表現(xiàn)力差。

4.2 DOM制作流程

基于制作完成的DEM成果和空三加密成果，進(jìn)行單片正射糾正、勻光勻色、鑲嵌、圖面修復(fù)等工序，制作DOM。

(1)單片糾正：利用DEM成果和空三加密成果對濱州原始航攝影像進(jìn)行逐片微分正射校正。

(2)勻光勻色：調(diào)整濱州測區(qū)較為合適的勻色模板，對因跨時相、跨架次、天氣等引起的顏色差異基于糾正后的單片正射影像采用勻色模板進(jìn)行勻光勻色處理，使所有單片影像顏色趨于一致。

(3)影像鑲嵌：對勻色后的正射影像自動化鑲嵌處理，對鑲嵌線切割各類線狀地物、建筑物造成明顯錯位等問題進(jìn)行人工鑲嵌線編輯，使影像各要素完整、拼接痕跡不明顯、紋理清晰、城區(qū)高層建筑物投影方向一致，避免建(構(gòu))筑物相互壓蓋、交錯、反向等現(xiàn)象。

(4)圖面修復(fù)：對標(biāo)準(zhǔn)分幅影像成果進(jìn)行人工檢查，對因DEM編輯不當(dāng)造成的影像變形問題以及其他各類圖面問題進(jìn)行修復(fù)。

4.3 試驗結(jié)果分析

首先利用GEOWAY CIPS 對測區(qū)所有單片先進(jìn)行第一次勻色處理，使每張影像的色彩色調(diào)趨于一致。然后將勻色后的單片導(dǎo)入到Pixel Factory中進(jìn)行鑲嵌和二次勻色，提高了影像成果的質(zhì)量和顯示效果，方法如下。

(1)合理選擇勻色模板。時相或影像質(zhì)量一致或接近的為一組，采用同一勻色模板；存在輕度霧氣的數(shù)據(jù)選出幾張典型影像，微調(diào)勻色模板測試勻色效果直至影像地物紋理清晰、層次分明、色彩均衡一致、直方圖基本呈正態(tài)分布為止，然后用調(diào)試好的勻色模板對所有輕度霧氣影像進(jìn)行勻色；大面積水域反光或有曝光現(xiàn)象的影像降低勻色模板亮度后進(jìn)行勻色。

(2)在Pixel Factory中編輯鑲嵌線，使其沿塊狀或線狀地物的邊沿，避免切割同一地物，同時設(shè)置合理的羽化參數(shù)，過渡鑲嵌效果，此步驟可進(jìn)一步優(yōu)化基于第一步勻色后的影像勻色效果；對于大面積鹽池和水域反光，盡量將鑲嵌線從鹽池或養(yǎng)殖場的堤岸處過渡，避免鑲嵌線切割水面，造成陰陽水面。

(3)鑲嵌線編輯完畢后將整個濱州測區(qū)導(dǎo)出一個低分辨率、數(shù)據(jù)量小的鑲嵌影像模板，在Photoshop圖像處理軟件對其調(diào)整色彩色調(diào)，然后將其重新導(dǎo)入至Pixel Factory中，將其顏色以地理映射的方式應(yīng)用于全局，以小帶大的方式獲得整個測區(qū)最佳勻色效果,見圖3。

圖3 測區(qū)勻色前和勻色后Fig.3 Before and after image uniformity of testing zone

鑲嵌線沿街道、公路、河流線狀地物進(jìn)行編輯，盡量避免鑲嵌線從線狀地物中間穿過分割建筑物、山脊等，使影像鑲嵌后色彩自然合理、地物完整。

4 結(jié)論

本文采用較先進(jìn)的技術(shù)方案，利用集群式影像處理系統(tǒng)，針對正射影像生產(chǎn)流程中對精度及效果影響較大的DEM編輯及影像勻光勻色關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行研究，得出了如下結(jié)論：

(1)DEM編輯處理中采用按地貌類別分區(qū)濾波、合理使用平滑優(yōu)化參數(shù)、人機(jī)交互編輯等方法，在保證DEM質(zhì)量的同時最大化自動化處理，減少了大量人工干預(yù)環(huán)節(jié)，節(jié)省人力成本和時間。處理后的DEM成果平面精度及高程精度滿足后續(xù)DOM生產(chǎn)要求，即無明顯高程異常值，地形表述與實(shí)際地形一致，為后續(xù)生產(chǎn)提供了質(zhì)量較優(yōu)的DEM數(shù)據(jù)。

(2) DOM處理中的影像勻光勻色環(huán)節(jié)按照影像質(zhì)量合理使用不同的勻色模板進(jìn)行初次勻色，根據(jù)測區(qū)地物合理編輯鑲嵌線及羽化效果，采用地理映射的方式對整測區(qū)進(jìn)行二次勻色。勻色后的影像地物細(xì)節(jié)清晰，反差適中，層次分明，色彩均衡，鑲嵌線兩側(cè)和相鄰影像色調(diào)應(yīng)基本一致。

通過以上試驗方法制作完成DOM，平面精度及色彩紋理質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期的0.2 m分辨率的標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗方法合理有效，基于目前市面最先進(jìn)的集群式影像處理系統(tǒng)，進(jìn)一步提升生產(chǎn)了DEM編輯自動化程度、減少了人工干預(yù)；勻光勻色消除因原始影像引起的質(zhì)量問題，形成一套快速規(guī)?；瘮?shù)字正射影像處理方案，能有效指導(dǎo)后續(xù)此類項目的生產(chǎn)工作。