山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３４卷第６期２０２１年１２月出版
Ｖｏｌ.３４Ｎｏ.６Ｄｅｃ.２０２１收稿日期:２０２１￣０１￣０７
作者简介：曲莉莉(１９６３ )ꎬ女ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为测绘产品质量验收ꎮTel:134****5352ꎬE￣mail:2692006272＠ｑｑ.ｃｏｍ
通信作者ꎬ朱丰琪(１９８２ )ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为航空摄影测量ꎮTel:158****2842ꎬE￣mail:46594649＠ｑｑ.ｃｏｍ
０.２ｍ分辨率航空数字正射影像制作技术
曲莉莉ꎬ朱丰琪∗
(山东省国土测绘院ꎬ山东济南２５００１３)
摘要：针对高分辨率数字正射影像制作中的数字高程模型编辑环节自动化程度低㊁编辑效果差引起的地物变形㊁移位及匀光匀色环节中影像整体匀色不一致㊁接边痕迹明显㊁去雾气效果差的问题ꎬ从实际应用角度ꎬ分析了高分辨率数字正射影像图制作的关键技术ꎮ利用滨州市域９６００ｋｍ２０.２ｍ分辨率ＤＭＣＩＩＩ航空影像数据ꎬ基于测区地理地貌特征ꎬ探讨了利用Ｉｎｐｈｏ㊁ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ㊁
ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ等集群式影像处理系统制作１:２０００数字正射影像图的技术难点及解决方法ꎮ对高分辨率航空影像的处理提出建设性意见ꎬ有助于提高今后类似项目的质量与效率ꎬ为基础测绘助力国家建设奠定基础ꎮ
关键词：数字正射影像图ꎻ０.２ｍ分辨率ꎻ数字高程模型ꎻ制作技术ꎻ质量控制
中图分类号:Ｐ２０㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２１)０６￣０１２７￣０７
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Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍａｐｐｉｎｇａｎａｅｒｉａｌｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏ
ｗｉｔｈａ０.２ｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
ＱＵＬｉ￣ｌｉꎬＺＨＵＦｅｎｇ￣ｑｉ∗课外活动有哪些项目
(ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬａｎｄＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇꎬＪｉｎａｎ２５００１３ꎬＣｈｉｎａ)
ＡｂｓｔｒａｃｔʒＦｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍａｐｐｉｎｇａｈｉｇｈ￣ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒｉｎｔｈｉｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｒｏｄｕｃｉｎｇｈｉｇｈ￣ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏｍａｐｓｆｒｏｍｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅ９６００ｋｍ２０.２ｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＤＭＣⅢｄｉｇｉｔａｌａｅｒｉａｌｉｍａｇｅｄａｔａｏｆＢｉｎｚｈｏｕａｒｅａａｎｄｃｌｕｓｔｅｒｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ(ｓｕｃｈａｓＩｎｐｈｏꎬＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳꎬａｎｄＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ)ｔｏｐｒｏｄｕｃｅ１:２０００ｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏｍａｐｓ.Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｈｉｇｈ￣ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｅｒｉａｌｉｍａｇｅｓａｒｅｃａｒｅｆｕｌｌｙｓｕｇｇｅｓｔｅｄ.ＴｈｅｐｒｏｐｏｓａｌｓｗｉｌｌｈｅｌｐｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｆｕｔｕｒｅｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄａｎｄｗｉｌｌｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｔｏｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇꎬｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｎｅｆｉｔｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏｍａｐꎻ０.２ｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎꎻｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎻｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌ
㊀㊀随着«测绘地理信息事业 十三五 规划»[１]的实施ꎬ高分辨率数字正射影像图(ｄｉｇｉｔａｌｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏｍａｐꎬＤＯＭ)在基础测绘㊁国土调查㊁国情监测㊁城市规划㊁地籍测量等项目中发挥了重要作用ꎬ对高分辨率的研究显得十分必要ꎮ研究表明[２￣５]ꎬ在航空正射影像生产过程中ꎬ影响正射影像质量的重要因素是数字高程模型(ｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎬＤＥＭ)编辑和ＤＯＭꎬ并提出了多种处理方式方法ꎮ渠甲源[６]曾就高分辨率航空正射影像技术设计难点探讨了利用ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ软件分层编辑ＤＥＭ数据ꎬ但编辑效率及效果不佳ꎬ自动化程度较低ꎬ需使用大量人工编辑量ꎮ目前也无较为成熟的针对大面积㊁多时相㊁不同天气引起的航片色彩差异进行整体均衡匀色的处理方法ꎮ随着高科技测绘技术的不断发展ꎬ传统处理模式已逐渐被先进的自动化的集群式影像处理系统所替代ꎬ与传统处理模式相比ꎬ自动化集群式影像处理系统已有数倍的效率提升ꎬ但ＤＥＭ编辑及ＤＯＭ匀色这两个环节的技术难点是目前数字正射影像快速生产急需解决的问题ꎬ将极大地影响自动化处理系统的影像生产效率及产品质量ꎮ
针对以上技术难点ꎬ本文将以滨州市９６００ｋｍ２１:２０００ＤＯＭ制作项目为例ꎬ探讨利用ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ㊁ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ集群式影像处理系统ꎬ采用自动化处理和人工干预相
结合的方式生产ＤＯＭꎬ研究ＤＥＭ编辑及匀色工序中的关键技术ꎬ提升ＤＥＭ自动化处理效率ꎬ降低建筑物变形㊁线状地物错位等错误ꎻ消除因天气㊁航摄分区多㊁航摄时间跨度长㊁地表植被覆盖季节性变化㊁水体反光等原因造成的云雾遮盖㊁色调不一致㊁色彩不真实的问题ꎬ以期突破影响影像自动化处理系统效率及质量的瓶颈ꎮ该项目对整个滨州辖区进行正射影像处理ꎬ影像数据量及覆盖面积大ꎬ且辖区内有平原和丘陵地貌ꎬ北部临海ꎬ地物信息丰富ꎬ影像数据特征典型ꎬ所采用的处理系统ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ和ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ为目前国内外最为先进的集群式影像处理系统ꎮ１㊀主要技术指标及仪器设备
１.１㊀主要技术指标
平面坐标系采用２０００国家大地坐标系(ＣＧＣＳ２０００)ꎬ投影方式为高斯－克吕格投影ꎬ分带方式为３ʎ分带ꎬ中央经线１１７ʎꎮ
ＤＯＭ成果由分幅ＤＯＭ数据㊁元数据文件组成ꎮＤＯＭ数据格式为不压缩的ＴＩＦＦ格式ꎻ１:２０００比例尺ＤＯＭ的地面分辨率要求为０.２ｍꎻ彩色影像灰阶不应低于２４ｂｉｔꎬ灰度直方图应基本呈正态分布ꎻ采用５０ｃｍˑ５０ｃｍ正方形分幅ꎻＤＯＭ平面位置中误差平地㊁丘陵地不应大于１.２ｍꎬ山地㊁高山地不大于１.６ｍꎮ
ＤＯＭ成果应无明显拼接痕迹并保证建筑物等实体的影像完整ꎬ影像色彩应接近真实自然ꎬ纹理应清晰松狮狗
㊁无明显失真ꎮ
１.２㊀仪器设备
本文使用的主要仪器设备及软件系统主要有ＰＣ￣６飞机㊁ＤＭＣＩＩＩ航摄仪㊁Ｉｎｐｈｏ㊁ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ㊁ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ等ꎮ详见表１ꎮ
表１㊀主要设备与软件
２ＤＭＣＩＩＩ航摄仪航摄仪
３Ｉｎｐｈｏ空中三角测量
福州好玩吗４ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳＤＥＭ㊁ＤＯＭ数据生产㊁匀色
共享看世界５ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ匀色㊁镶嵌㊁分幅
６Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ调色㊁ＤＯＭ图面修复
２㊀技术路线及工艺流程
采用ＰＣ￣６飞机搭载ＤＭＣＩＩＩ数字航摄仪进行航空摄影ꎬ获取滨州摄区９６００ｋｍ２０.２ｍ分辨率航空遥感
影像ꎻ利用ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ㊁ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ等集群式影像处理系统ꎬ经空三加密㊁ＤＥＭ修测㊁正射校正㊁镶嵌㊁匀光匀色等工序制作１:２０００ＤＯＭꎮ工艺流程见图１ꎮ
图１㊀航空图像采集和处理流程图
Ｆｉｇ.１㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆａｅｒｉａｌｉｍａｇｅｓ
３㊀ＤＥＭ优化研究
试验证明ＤＥＭ的质量是决定数字正射影像质量的重要因素之一ꎬＤＥＭ优化质量的好坏直接影响ＤＯＭ精度ꎮ因此ꎬ在生产中对ＤＥＭ编辑工序必须投入较大精力ꎬ在保证ＤＯＭ的精度质量的前提下提高ＤＥＭ编辑效率ꎮ右脸长痘痘
３.１㊀ＤＥＭ难点分析
滨州市地势南高北低ꎬ大致上由西南向东北倾斜ꎬ渐次过渡到大海ꎮ小清河以南的邹平南部属丘陵区ꎬ
地势高峻ꎬ其余均为山前倾斜平原ꎬ地势平缓ꎬ海拔高程一般在８~８００ｍꎮ小清河以北为黄河冲积平原ꎬ海拔高程一般在１~２０ｍꎬ总体上地势低平ꎬ呈现出滨州地区整体地貌较平坦但局部地势高峻的地貌特征ꎮ因此ꎬ滨州项目存在以下难点问题ꎬ影响ＤＥＭ的精度ꎮ
(１)滨州城区内高层建筑物多ꎬ航摄影像在航向重叠约６０％左右ꎬ旁向重叠约３０％左右ꎮ此类重叠度在ＤＳＭ密集匹配时高层建筑物会存在匹配漏洞ꎬ导致此类建筑物在点云形态与建筑物形态匹配度不吻合ꎬ在对建筑物滤波时会存在漏滤现象ꎮ
滨州市周边存在大量的工业园区ꎬ部分工业园区厂房较大ꎬ厂房内露天设施外型复杂ꎮ对于人工构筑物较大及造型较为复杂等情况ꎬ点云滤波参数不宜设置过大ꎬ防止滤波时地貌特征损失过多ꎮ
(２)滨州市整体地势较为平坦ꎬ基本以平原为主ꎬ但最南边邹平市存在丘陵地貌ꎮ对于此类多种地貌特征采用同一过滤参数效果不佳ꎮ
滨州市整体以平原为主ꎬ航摄时间为２０２０年４月 ６月ꎬ测区内存在大面积的小麦种植区ꎮ测区北部沿海存在大量盐田㊁海水养殖场等ꎬ大片纹理类似地物在ＤＳＭ匹配时会存在大量的错误匹配点ꎬ这些错误点在滤波时影响滤波效果ꎮ
(３)集群系统在密集匹配时可能会产生噪声高点或低点ꎬ而自动滤波只能有效过滤约８０％的非地面点ꎬ其余非地面点需人工过滤ꎮ
３.２㊀ＤＥＭ生产流程
对原始航空影像数据进行空三加密ꎬ然后将空三加密成果导入到ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ㊁ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ集群式影像处理系统中ꎬ在集群中采用逐像素密集匹配同名点的方式进行数字地表模型(ｄｉｇｉｔａｌｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌꎬＤＳＭ)提取ꎬ然后经ＤＳＭ滤波㊁ＤＳＭ矢量化㊁ＤＥＭ编辑等工序ꎬ制作数字高程模型ＤＥＭꎮ
(１)ＤＳＭ匹配及滤波：利用空三成果ꎬ生成立体模型ꎬ对立体模型进行核线影像密集匹配生成ＤＳＭꎬ对ＤＳＭ进行植被及建筑物滤波ꎬ去除植被及房屋等处的点云ꎮ
(２)ＤＳＭ矢量化：经过滤波的ＤＳＭ进行构ＴＩＮ重采样ꎬ生成ＤＥＭ过程数据ꎬ再生成单片正射影像ꎬ用于后续编辑ꎮ
2月多少天(３)ＤＥＭ编辑：对单片正射影像进行变形检查ꎬ对相应位置的ＤＥＭ数据进行编辑处理ꎮ除去滤波过程未过滤掉的高程异常值ꎮ
３.３㊀试验结果分析
在滤波前根据地貌地物特征ꎬ将不同地貌及地物区域分开ꎮ如将平地与丘陵地区分开ꎬ各自调整过滤参数进行过滤ꎮ滤波参数将最大建筑物长度㊁最大地表高差㊁迭代距离㊁是否进行山脊填补设为关键参
数值ꎮ其中平地过滤参数中的建筑物长度可适当放宽ꎬ默认参数为６０ｍꎬ可根据测区实际建筑长度及宽度调整至１２０ｍꎬ丘陵地区建筑物长度可适当调小至４０ｍꎬ即该测区如果平地有建筑物长度超过１２０ｍꎬ丘陵地区有超过４０ｍ的建筑ꎬ将不会进行过滤ꎻ最大地表高差默认参数为１.２ｍꎬ平地调整至０.６ｍꎬ丘陵调整至１.４ｍꎬ地表高差是判断地形起伏程度的参数ꎬ平地变化小ꎬ丘陵地变化大ꎻ迭代距离默认参数为１.８ｍꎬ平地可调整至０.８ｍꎬ丘陵调整至１.２ｍꎬ该参数主要是配合地表高差参数ꎬ形成滤波窗口尺寸ꎻ滤波时有时会将比较平坦的山脊过滤掉ꎮ平地无山脊ꎬ不进行山脊填补ꎮ将滨州市邹平区单独分开ꎬ采用丘陵地区的滤波参数进行过滤ꎬ其余区域采用平地滤波参数过滤ꎮ同理将城区有大量高层建筑的区域与周边乡镇及农村区域分开滤波ꎮ滤波参数过滤效果成功率约在８０％左右ꎬ滤波后仍有较多的高程异常值需要处理ꎮ针对这种情况ꎬ为减小人工干预工作量ꎬ将平地区域与丘陵区域分开ꎮ平地经滤波后ꎬ采用比较大的平滑窗口ꎬ对整体地形进行平滑处理ꎬ可获得较好的平滑结果ꎬ同时能避免一些地物轻微变形ꎬ见图２ꎮ丘陵地区采用较小的平滑窗口ꎬ以免平滑损失过多的地形信息ꎬ从而影响后续正射影像纠正精度ꎮ针对不同地貌特征采用合理的平滑优化ꎬ可极大程度减少异常高程值引起的地物变形ꎬ节省大量人工编辑工作量ꎮ
图２㊀建筑物变形修正
Ｆｉｇ.２㊀Ｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
全自动化处理时不可避免会存留部分粗差ꎬ采用人机交互的方式对ＤＥＭ过程数据进行编辑ꎬ解决建筑物扭曲变形㊁地形地貌失真等问题ꎮ设置平地参数处理后的地区有可能造成山头缺失ꎬ需要人工添加匹配点ꎻ大面积水域可手工沿水域的边缘选择编辑区域ꎬ输入水面高程ꎬ用平面拟合算法进行平滑处理ꎻ将异常错误的点云手动人工删除ꎬ手动添加缺失的特征点ꎬ使高程网准确贴合地面ꎮ
４㊀ＤＯＭ匀色优化研究
４.１㊀ＤＯＭ难点问题分析
滨州测区航摄分区６个ꎬ原始航摄数据量大小为３.４ＴＢꎮ航摄时间跨度为２０２０年４月中旬至６月底ꎮ测区南北狭长ꎬ整体为平原地貌ꎬ且北临渤海湾ꎮ滨州地区４月至５月份以晴朗天气为主ꎬ６月份天气逐渐向多云多雾变化ꎮ以上情况会导致下列问题ꎮ
(１)因航摄时间跨度较长ꎬ地表植被覆盖生长情况差异明显ꎬ造成各架次影像色调严重不一致ꎬ在影像镶嵌时不同架次接边处相同地物㊁植被存在不同的色彩及纹理特征ꎬ影响影像接边质量及效果ꎮ(２)测区北部临渤海海域ꎬ存在大面积盐池及海水养殖场ꎬ水面整体反光严重ꎬ局部存在因强反光产生的曝光现象ꎬ影响水体图面效果ꎮ
(３)部分架次影像存在轻度雾气ꎬ整体视觉通透性差ꎬ影像噪点多ꎬ地物纹理表现力差ꎮ
４.２㊀ＤＯＭ制作流程
基于制作完成的ＤＥＭ成果和空三加密成果ꎬ进行单片正射纠正㊁匀光匀色㊁镶嵌㊁图面修复等工序ꎬ制作ＤＯＭꎮ
(１)单片纠正：利用ＤＥＭ成果和空三加密成果对滨州原始航摄影像进行逐片微分正射校正ꎮ(２)匀光匀色：调整滨州测区较为合适的匀色模板ꎬ对因跨时相㊁跨架次㊁天气等引起的颜色差异基于纠正后的单片正射影像采用匀色模板进行匀光匀色处理ꎬ使所有单片影像颜色趋于一致ꎮ
(３)影像镶嵌：对匀色后的正射影像自动化镶嵌处理ꎬ对镶嵌线切割各类线状地物㊁建筑物造成明显错位等问题进行人工镶嵌线编辑ꎬ使影像各要素完整㊁拼接痕迹不明显㊁纹理清晰㊁城区高层建筑物投影方向一致ꎬ避免建(构)筑物相互压盖㊁交错㊁反向等现象ꎮ
(４)图面修复：对标准分幅影像成果进行人工检查ꎬ对因ＤＥＭ编辑不当造成的影像变形问题以及其他各类图面问题进行修复ꎮ
４.３㊀试验结果分析
首先利用ＧＥＯＷＡＹＣＩＰＳ对测区所有单片先进行第一次匀色处理ꎬ使每张影像的色彩色调趋于一致ꎮ然后将匀色后的单片导入到ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ中进行镶嵌和二次匀色ꎬ提高了影像成果的质量和显示效果ꎬ方法如下ꎮ
(１)合理选择匀色模板ꎮ时相或影像质量一致或接近的为一组ꎬ采用同一匀色模板ꎻ存在轻度雾气的数据选出几张典型影像ꎬ微调匀色模板测试匀色效果直至影像地物纹理清晰㊁层次分明㊁色彩均衡一致
㊁直方图基本呈正态分布为止ꎬ然后用调试好的匀色模板对所有轻度雾气影像进行匀色ꎻ大面积水域反光或有曝光现象的影像降低匀色模板亮度后进行匀色ꎮ
(２)在ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ中编辑镶嵌线ꎬ使其沿块状或线状地物的边沿ꎬ避免切割同一地物ꎬ同时设置合理的羽化参数ꎬ过渡镶嵌效果ꎬ此步骤可进一步优化基于第一步匀色后的影像匀色效果ꎻ对于大面积盐池和水域反光ꎬ尽量将镶嵌线从盐池或养殖场的堤岸处过渡ꎬ避免镶嵌线切割水面ꎬ造成阴阳水面ꎮ财务会计制度备案范本
(３)镶嵌线编辑完毕后将整个滨州测区导出一个低分辨率㊁数据量小的镶嵌影像模板ꎬ在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ图像处理软件对其调整色彩色调ꎬ然后将其重新导入至ＰｉｘｅｌＦａｃｔｏｒｙ中ꎬ将其颜色以地理映射的方式应用于全局ꎬ以小带大的方式获得整个测区最佳匀色效果ꎬ见图３ꎮ
