戴江鷗

(廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

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一種便捷的歷史影像制作方法

戴江鷗

(廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

目前基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)都要數(shù)字化處理后，在現(xiàn)代化存儲(chǔ)設(shè)備入庫存檔，而歷史資料依然是以紙質(zhì)資料保存。本文介紹了利用歷史資料、以IPS為平臺(tái)制作歷史影像的方法，方法簡(jiǎn)單，精度高，非常實(shí)用。成果既可以入庫存儲(chǔ)，也可以用于科研，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參數(shù)錄入；興趣點(diǎn)；匹配；自由網(wǎng)整體平差；工作流

一、引 言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字正射影像的使用越來越廣泛。與矢量線劃圖相比，正射影像圖能更加直觀明了地反映地形、地貌、地物特征，是建設(shè)數(shù)字城市、智慧城市的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為了研究城市的變遷和發(fā)展，以及建設(shè)更加完善的數(shù)據(jù)庫，業(yè)內(nèi)人士已開始重視歷史正射影像數(shù)據(jù)的制作和入庫。但是幾十年前的數(shù)據(jù)只有紙質(zhì)資料，沒有電子文檔，而把它們制作成為現(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)格式，對(duì)投入成本和成果精度都是相當(dāng)大的考驗(yàn)。

本文以中山市1976年正射影像的制作為例，利用IPS軟件，介紹一種切實(shí)可行的快捷方法，供業(yè)內(nèi)人士參考。

二、技術(shù)路線

1.數(shù)據(jù)資料的分析與準(zhǔn)備

目前可獲得的中山市1976年影像的相關(guān)資料有設(shè)計(jì)書、航飛略圖、加密略圖、滌綸片、像片及控制點(diǎn)資料，均為紙質(zhì)。

首先應(yīng)從設(shè)計(jì)書上獲取航攝比例尺、航高、相機(jī)焦距、像幅、飛行方向、航向重疊度、平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)等重要信息，這些信息將作為影像處理的重要參數(shù)；按照IPS軟件認(rèn)可的形式將上述參數(shù)錄入照相機(jī)文件*.cam。

其次分析加密略圖及加密成果打印紙帶，讀取中山市范圍內(nèi)的航片號(hào)、地面控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)及坐標(biāo)信息，在電腦上錄入地面控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)及坐標(biāo)信息，制作并存儲(chǔ)成為IPS軟件認(rèn)可的地面控制點(diǎn)文件*.csv。

最后，將航片掃描成為電子數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)書得知航向重疊高于90%，故掃描時(shí)無須挨片號(hào)，可間隔3～4張片，以減少工作量。本次中山市航片像幅為23 cm×23 cm，掃描儀掃描分辨率為25 μm，掃描影像分辨率約為1 m，每幅影像都是8481行×8481列。

掃描航片使用時(shí)需要像主點(diǎn)坐標(biāo)文件，現(xiàn)有的資料無法提供。根據(jù)航攝比例尺、航高、像幅可以分析出，一張航片面積基本可以涵蓋一幅1∶1萬標(biāo)準(zhǔn)分幅面積；根據(jù)航飛略圖可以分析出航片與圖幅的相對(duì)位置，因此可以在航片與圖幅之間建立一種假設(shè)的關(guān)系，以圖幅的幾何中心點(diǎn)坐標(biāo)代替此處航片的像主點(diǎn)坐標(biāo)。又根據(jù)航片的掃描間隔，東西圖廓邊的中心點(diǎn)也作為該處航片的像主點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)然，這樣只是模擬航片的相對(duì)位置，是一個(gè)粗略的近似值，在下一步處理期間，這些值的精度將隨著算法得到改善和優(yōu)化。像主點(diǎn)坐標(biāo)也應(yīng)錄入并存儲(chǔ)為IPS可識(shí)別的格式*.gps，注意錄入的像主點(diǎn)號(hào)應(yīng)與掃描航片片號(hào)完全一致。掃描航片像主點(diǎn)與圖幅相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 掃描航片像主點(diǎn)與圖幅相對(duì)關(guān)系

2.空三加密

首先要進(jìn)行航片的內(nèi)定向，一般的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件都可以完成；然后在IPS導(dǎo)入內(nèi)定向后的航片及照相機(jī)文件*.cam、*.gps文件，建立工程文件，進(jìn)入空三加密過程，這是制作歷史正射影像最關(guān)鍵的一步。工作流程如圖2所示。

圖2 空三加密流程

IPS用戶界面由3個(gè)完全同步的視窗組成，分別為Data Window(數(shù)據(jù)窗口，如圖3所示)、Geo Viewer(地理觀察器，如圖4所示)、Image Viewer(影像觀察器，如圖5所示)。3個(gè)窗口各有特點(diǎn)，操作方便。

圖3 Data Window(數(shù)據(jù)窗口)

IPS軟件匹配創(chuàng)新性地使用影像點(diǎn)矢量表示法，在影像內(nèi)部尋找“興趣點(diǎn)”，即影像內(nèi)與其周圍顯著不同的點(diǎn)，如圖4窗口顯示的小圓圈，圖3窗口上方表格中同步顯示了興趣點(diǎn)坐標(biāo)信息。

圖4 Geo Viewer(地理觀察器)

圖5 Image Viewer(影像觀察器)

初始匹配后，應(yīng)用幾何濾波忽略異常值，僅選擇那些對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性具有最高價(jià)值的點(diǎn)。匹配處理之后，每個(gè)像對(duì)間的絕大部分連接應(yīng)該超過3個(gè)興趣點(diǎn)，圖4窗口中顯示了不同粗細(xì)的線條，每條線表示其連接的影像間存在興趣點(diǎn)，每條線的粗細(xì)表示連接點(diǎn)的數(shù)量。像對(duì)興趣點(diǎn)匹配程度可以參考左側(cè)內(nèi)容列表中的關(guān)于像對(duì)興趣點(diǎn)匹配程度的Connections圖解。

本次中山市151幅航片共匹配出13 133個(gè)興趣點(diǎn)，從數(shù)量上和平均分布密度上來看，這個(gè)結(jié)果是比較理想的。但是在圖4窗口中可以看到依然存在個(gè)別興趣點(diǎn)少于3個(gè)點(diǎn)或根本沒有連接的像對(duì)，故需要在這些像對(duì)區(qū)域選擇興趣點(diǎn)或直接人工添加興趣點(diǎn)。在圖5窗口進(jìn)行編輯，直至每個(gè)像對(duì)間的連接超過3個(gè)興趣點(diǎn)。然后在圖3窗口上方表格中將殘差進(jìn)行排序，選擇殘差大的興趣點(diǎn)，此點(diǎn)會(huì)同步在圖4窗口中高亮顯示，在圖5窗口中同時(shí)將顯示與之相關(guān)的所有航片及興趣點(diǎn)近似位置，用刺點(diǎn)工具微調(diào)，保證每張航片的興趣點(diǎn)刺在同一位置；與此同時(shí)，圖3窗口下方表格中也將同步顯示每張相關(guān)航片的匹配的殘差值。這一作業(yè)過程是要將殘差值盡量降低，以保證興趣點(diǎn)坐標(biāo)的精度，將光束法平差中任何可能的問題最小化。

本次中山市的航片由于年代久遠(yuǎn)，掃描質(zhì)量不是很理想，造成殘差值略偏高，因此必須增加地面控制點(diǎn)以改進(jìn)，這樣也是為了增強(qiáng)光束法平差處理并獲得影像中心更好的地面坐標(biāo)。首先導(dǎo)入地面控制點(diǎn)文件*.csv，再用放大鏡觀測(cè)滌綸片上的刺點(diǎn)，然后使用圖5影像觀察器在每幅影像上通過視覺識(shí)別進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)，控制點(diǎn)應(yīng)分布均勻。本次中山市共增加了56個(gè)控制點(diǎn)，殘差值得到了很好的控制。

上述步驟完成后，進(jìn)入自由網(wǎng)整體平差計(jì)算，IPS光束法平差算法是利用已有的興趣點(diǎn)及地面控制點(diǎn)進(jìn)行外方位元素的數(shù)學(xué)計(jì)算，采用的是非線性最小二乘參數(shù)平差迭代算法，多次迭代，直至Pixel RMS(自由網(wǎng)整體平差精度)收斂值不再變化。算法對(duì)初始參數(shù)值精度依賴程度較大，初始參數(shù)值精度高，迭代收斂性效果就好，這也解釋了為什么前面的步驟中要不斷地降低殘差值。若收斂值沒有達(dá)到所需的Pixel RMS，需要返回上一步驟，改進(jìn)興趣點(diǎn)或地面控制點(diǎn)進(jìn)行追加解算迭代；若收斂值達(dá)到所需Pixel RMS，說明模型的內(nèi)在統(tǒng)一性很好，可以進(jìn)行DTM的輸出，為正射影像的制作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

圖6是中山市1976年航片空三加密平差計(jì)算的最終結(jié)果，Pixel RMS為1.195個(gè)像素，與現(xiàn)在數(shù)碼航片平差計(jì)算的結(jié)果相比，這個(gè)值不是很理想。但是歷史影像從當(dāng)年航飛、曬印，再到現(xiàn)在掃描，即使不考慮技術(shù)先進(jìn)與落后，僅獲取過程已經(jīng)比數(shù)碼航片多了產(chǎn)生多種誤差的可能；而且中山市的數(shù)據(jù)在加密過程中受到滌綸片控制點(diǎn)精度和點(diǎn)位不清等影響，無法獲得更高精度的平差結(jié)果。因此，在不影響最終使用的前提下，可以適當(dāng)?shù)匚⒄{(diào)精度。

圖6 自由網(wǎng)整體平差精度

3.正射影像的制作

使用內(nèi)定向后的影像、*.gps文件、DTM和Orthorectify模塊進(jìn)行正射糾正，然后對(duì)糾正后的正射影像使用Stitch模塊進(jìn)行鑲嵌。在運(yùn)行鑲嵌之前應(yīng)注意參數(shù)的設(shè)置及鑲嵌線的規(guī)劃，以保證得到高質(zhì)量的正射影像成果。

IPS可以選擇模塊設(shè)計(jì)工作流以達(dá)到快速處理的目的。該步驟如無手動(dòng)干預(yù),可以設(shè)計(jì)成為“Orthorectify+Stitch”的工作流，讓軟件自行運(yùn)轉(zhuǎn)，省去了步驟轉(zhuǎn)換的麻煩，提高了工作效率。

4.成果質(zhì)量控制處理

正射影像成果的檢查和修改是在CeoClipboad用戶界面中進(jìn)行的，這個(gè)界面可以同時(shí)加載DTM和正射影像，在檢查影像的同時(shí)，及時(shí)校正鑲嵌錯(cuò)誤及DTM變形。而且，對(duì)于任何區(qū)域，可以加載多幅正射影像作為可選數(shù)據(jù)源，窗口可以顯示每幅正射影像的預(yù)覽，方便用戶選用質(zhì)量最好的一幅。相比較Photoshop因無法坐標(biāo)定位、用戶需花費(fèi)大量時(shí)間手動(dòng)查找重疊的正射影像后再對(duì)變形位置進(jìn)行修補(bǔ)的缺點(diǎn)，CeoClipboad有明顯的優(yōu)勢(shì)。

三、成果應(yīng)用舉例

圖7截取了中山市的某一地點(diǎn)不同歷史時(shí)期的正射影像。從影像上可以清楚地看到填海造田引起的海岸線變化，用戶可以選擇合適的軟件提取想要的矢量數(shù)據(jù)用于海岸線變化的研究。當(dāng)然，歷史影像的應(yīng)用還有很多方面，如研究城市的變遷、土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境的修復(fù)等。

圖7 中山市同一地點(diǎn)不同歷史時(shí)期的影像對(duì)比

四、結(jié)束語

這種以歷史資料為依托、以IPS為平臺(tái)制作歷史正射影像圖的方法，相比較傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量“單個(gè)像對(duì)編輯、一次一幅影像”的做法，是一種變單兵作戰(zhàn)為集體作戰(zhàn)的集成， 它極大地提高了工作效率，能夠更好地適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)即做即用的需求。

本次中山市1976年和1987年的正射影像正是采用這一方式快速獲得，用戶不僅擁有了入庫存檔數(shù)據(jù)，而且可以此為依據(jù)研究一個(gè)城市多個(gè)領(lǐng)域的變化，對(duì)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。

[1] 王圣堯，劉善磊，石善球，等.遙感影像GCP選取方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(6)：55-59.

[2] 萬幼川，劉良明，張永軍.我國(guó)攝影測(cè)量與遙感發(fā)展探討[J].測(cè)繪通報(bào)，2007(1)：1-4.

[3] 丁軍，劉艷芳.基于遙感處理系統(tǒng)的數(shù)字影像地圖[J].影像材料，2001(4):31-33.

[4] 汪承義，趙忠明.遙感影像流程化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué)，2006，31(6)：105-106.

[5] 張劍清，潘勵(lì)，王樹根.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[6] 王新洲，陶本藻，邱衛(wèi)寧，等.高等測(cè)量平差[M].北京：測(cè)繪出版社，2006.

[7] 盧小平，王雙亭.遙感原理與方法[M].北京：測(cè)繪出版社，2008

[8] 范東明.非線性最小二乘參數(shù)平差迭代算法[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,18(3)：173-175.

[9] 國(guó)家測(cè)繪局.CHT 1006—2000 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社，2000.

[10] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15968—2008遙感平面圖制作規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

A Convenient Method of Historical DOM Production

DAI Jiangou

戴江鷗.一種便捷的歷史影像制作方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(7)：82-84.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0218

2015-01-23

戴江鷗(1978—)，女，工程師，主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的生產(chǎn)及應(yīng)用工作。Email：rivergull@126.com

P237

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：0494-0911(2015)07-0082-03