数字化航测成图技术探讨

河南省 开封水利建筑勘察设计院 王学会

数字化航测成图技术探讨

河南省 开封水利建筑勘察设计院 王学会

一、大比例尺数字化地形图测绘现状分析

目前，大比例尺数字化地形图的测定方法主要有以下几种。

1.全野外数字化测图。即在野外利用全站仪实地测量，用数字化方式记录采集到的地形数据并绘制地形草图，之后在室内将数字化的地形数据自动传输给计算机，利用相关的软件进行图幅管理、等高线生成、图形编辑、图廊整饰与接边处理、数据格式转换等地形数据处理工作，输出或存储最终的数字地形成果。全野外数字化测图方式在大比例尺测图中正逐渐被广泛使用。

2.航空摄影测量。利用飞机从空中获取测区的航摄像片，在野外进行实地像片联测和调绘，以获得测像控制点的坐标、高程和相关地物的情况，然后利用专业航测仪器或航测数字化软件从航拍影像中得到地形信息并形成相关的数字地形图。通过航空摄影测量制作的大比例尺地形图直观、真实、相对精度较高，而且可以大大减少野外测量工作量，提高成图效率。但是现有的航测数字化软件制作成图精度要求较高的1∶1000测图、1∶500 测图时，其精度低于常规的白纸测图精度。

3.白纸测图内业数字化。主要通过常规方式生产白纸地形图或利用原有的地形图资料，然后通过数字化仪或扫描仪配上数字化软件将地形图矢量化，生成电子地图。它是常规白纸测图向数字化测图转换时自然形成的一种过渡性的生产方式。白纸测图内业数字化的优点在于对作业员专业素质要求不高，生产成本及设备投入成本较低，能最大限度地利用原有的地形图资料；缺陷在于精度较低。

二、数字化航测成图技术

1.全数字型摄影测量系统概述。随着计算机特别是笔记本电脑的普及和计算机存储容量的加大及运行速度的加快，全数字化成图已成主要的测图方法。航空像片具有信息量大、细致客观、测图速度快、精度均匀、效率高等特点。全数字型摄影测量系统是指从影像数据的完全数字化到数据的存储、处理、管理、成果输出，全部集成在一个计算机系统中，可将大量的野外测绘工作移到室内，大大减轻了测绘人员的劳动强度。

2. 影像纠正。因摄影材料的变形、摄影物镜畸变、大气折光、地球曲率、飞行摇摆引起的像片倾斜、飞行时间差、坐标系统转换、比例尺畸变等因素，航摄影像中像点存在畸变，只有选择合适的方法纠正这些畸变，才能从影像中获得准确的地形信息。畸变纠正的方法有根据不同的误差因素分别纠正、多项式纠正、基于时间序列分析的纠正等方法。原始影像经过畸变纠正后，即可作为中心投影的水平影像来使用。

（1）根据不同的误差因素分别纠正。分析各种畸变原因，根据基本几何关系使用相应的变形公式逐项纠正。这种纠正方法中有很多随机的不确定的因素，如材料的不均匀变形、物镜非对称性畸变、大气的状态信息等，无法保证纠正的效果和精确度。

（2）多项式纠正。将影像变形规律近似地看做平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲等基本变形的合成，利用多项式逼近这些变形的综合。多项式纠正要求采用规则的控制点，同时为了减少由于控制点选择不准确而产生不良后果，要求有较多的多余控制点。多项式纠正需要的测量工作量非常大，且规则控制点的选择难以保证准确性，因此在大比例尺成图系统中应用并不广泛。

（3）基于时间序列分析的纠正。借鉴数学、物理学、工程技术等方面用以描述无序现象的方法，运用整体论和系统论的方法对像点的二维变量采用时间序列分析：时间序列=趋势项+季节项（信号项）+ 噪声。

3. 影像匹配。摄影测量中双像(立体像对) 的量测是提取物体三维信息的基础。数字摄影测量中用影像的自动匹配代替传统的人工观测来确定同名像点。影像的匹配按其利用图像信息的不同可划分为两类，一类是直接基于图像灰度信息的匹配定位方法，另一类是基于图像特征信息的匹配定位方法 。

（1）基于影像灰度信息的匹配定位方法。以左、右像片对应影像的目标区和搜索区中的像点灰度作为影像匹配的基础，利用某种相关度量，来判定左右影像的相应像点是否匹配。影像匹配可以用二维窗口，也可用一维窗口的像点灰度参与计算。

（2）基于影像特征信息的匹配定位方法。在影像中利用特征边缘提取技术提取出反映图像中目标特性的符号或基元，然后确定两幅图像之中或图像与模型之中的符号的对应关系。特征的提取技术包括点特征提取、线特征提取和区域分割。基于特征的影像匹配有较高的可靠性，但匹配的精度低于基于灰度的最小二乘影像匹配算法。

航测影像中地面景物的情况比较复杂，不能使用单一的匹配定位方法，可以结合两种方法共同完成匹配。对于边界明显的地物可先采用基于特征的影像进行粗匹配，然后采用基于灰度的最小二乘影像匹配获得像点最终位置。对于灰度变化不剧烈的区域，则直接使用基于灰度信息匹配的方法。对于中心投影水平影像的灰度信息匹配，水平影像以飞行方向为 X 坐标时，纵坐标上没有上下视差，可选择采用一维窗口进行相关计算，这样可以提高匹配速度。

4. 地形信息获取。地形信息获取是指根据两张中心投影水平影像中的同名像点坐标及水平像片比例尺获得地物的三维坐标。解算地物三维坐标的流程：先解算出单张像片的外方位元素，根据两张像片的摄影基线解算出地物点的高程，根据地物点的高程解算出投影差，用投影差修正地物坐标得到地物点的物方三维坐标。

（1）单像后方交会法。以单幅影像为基础，利用已知地面坐标和相应像点坐标，根据共线条件方程，求解该影像在航空摄影时刻的外方元素。单像后方交会法是一个迭代的解算过程，使用已知控制点作为迭代的初值，以误差方程作为约束条件，反复使用共线条件方程迭代求解摄影外方元素的近似解。共线条件方程式为

式（1）、（2）中，X，Y 为像点的像平面坐标；XS，YS，ZS为摄影中心物方空间坐标；X，Y，Z 为物方点的物方空间坐标；ai，bi，ci（i = 1，2，3）为影像的3 个外方位角元素组成的 9 个方向余弦。

经高精度变形纠正后的影像可作为中心摄影的水平影像，即外方位各角元素可视为0，则此时的误差方程可简化为

若有 n个控制点，则根据式（3）和（4）可列出2n 个误差方程，根据二乘法间接平差原理解算方程组可求得近似的纠正数。

（2）地物点高程。利用由单像后方交会法解算出的两张影像外方元素值求出摄影基线 B 的值，根据中心投影水平影像对的几何关系，可用下列关系式解算出地物点高程。若以飞行方向为 X 坐标时，在中心摄影的水平像片中不存在上下视差。

利用公式（1）可解算像片上每个点的物方高程值，由物方的高程值就可以绘制地形图中的等高线。

（3）投影差纠正。我们看到的地图是地物处于真实相对水平位置的俯视图。由于曝光瞬间像片上较高高程的地面面积比较靠近摄影机，因此它在像片上比位于较低高程处的相应面积显得大，而且，物体的顶端常相对于基部发生位移，这种变形称为投影差。

三、系统实现与实验结果

本文，笔者采用了 VC++.NET语言，编程完成了一个利用航测影像计算地形信息的原型系统。利用此原型系统，可以从航拍影像中计算出人们感兴趣的地物点的地形信息。

1. 影像纠正。该原型系统中采用了基于时间序列分析的纠正方法。利用原型系统对一平坦地区的1∶8 000数字化航拍像片进行了实验，用五个控制点完成对影像的变形纠正，纠正后的成图比例为1∶1 000。纠正后选择了10 段道路进行计算精度检查，纠正后图像上的最大误差为 0.3 mm。时间序列分析纠正法具有如下特点：控制点个数少，控制点可以非规则布点，平坦地区和起伏地区都可以使用。对于平坦地区，可将纠正后的影像直接作为正射影像使用;对于起伏地区影像，需要先消除地形的投影差，才可以作为正射影像使用。

2. 地形信息计算。利用该原型系统对影像纠正后所得的中心投影的水平像片，采用单像后方交会法求出像片的外方位元素，并利用人工定位确定相关双像上的待求点，最后采用本文前述的高程计算方法求解待求点的高程值。利用本文的原型系统对1∶500 的成图计算地物点的三维坐标。实验中控制点的最大剩余残差小于0.028 m，对非控制点最大的平面中误差为0.114 m。实验像对中的最大平面中误差和最大高程中误差均能满足国标对数字正射影像图DOM 的成图精度要求，本文大比例尺的地形信息计算技术能满足实际成图的精度要求。

四、结论

本文，笔者分析了基于高精度影像纠正的大比例尺数字化航测成图系统实现的相关技术，研究和实现了从大比例尺航拍影像中计算被摄物体的地形信息的关键技术，并设计完成了一个地形信息计算的原型系统。本文采用的时间序列分析纠正法具有控制点个数少、控制点可以非规则布点的特点，在实际的大比例尺测图生产中，可改变测图外业人员高劳动强度的现状，大大减少航空摄影测量外业像控联测的工作量，缩短处理周期，降低成图成本，能创造可观的经济效益。