历史航片数据处理技术及方法探讨

徐卫民，陈香，王琳

(天津市测绘院，天津 300381)

1 引言

为了满足现代测绘成果管理的需要，充分发挥历史航片的科学价值，国家测绘地理信息局启动了“国家基础航空摄影资料数字化与建库”项目。该项目旨在完成航片的扫描数字化，建立航片影像数据库，对实现航空摄影资料管理的数字化、保证档案资料的安全完整、增强测绘保障能力具有重要意义［1］。

天津市测绘院于2004年启动历史航片的扫描任务，2011年启动并完成历史航片正射影像图的制作。由于年代久远、数据资料的遗失、控制点的难以获取以及影像的扫描质量问题，在历史航片数据制作过程中碰到了不少困难。本文基于历史航片的数据处理，对采用高分辨率遥感影像一体化测图系统PixelGrid(以下简称“PixelGrid系统”)处理历史影像的方法、流程及关键技术环节进行探讨，并对成果精度进行分析。

2 历史航片数据处理难点

历史航片涉及的航摄仪有RC30，RC20，RC－8等不同类型，摄影比例尺从1/35000～1/3200不等，地面分辨率有 0.1 m，0.2 m，0.5 m和 1 m，胶片类型有黑白和彩红外两种。在数据制作过程中碰到不少困难及问题，主要有以下原因:

(1)数据资料的遗失

纸质文档不可避免存在丢失损坏，数据资料的丢失主要表现为内定向参数的丢失，缺少像主点偏移或焦距，在实际作业过程中通过查找相机型号补回这些资料，或把像主点偏移设置为0进行后续作业。

(2)控制点的难以获取

由于年代相隔较远，部分区域地形发生较大变化，空三加密时很难布设控制点。采用逐级控制方法，即新年份影像控制老年份影像;同时为防止误差积累过大，实际作业过程中用1990年代影像控制1980年代，1980年代控制1970年代。

(3)部分影像质量差，噪声大

由于数据保存时间较长或扫描问题，较早年份的影像噪声较大，如图1所示，在空旷的农田区域出现一些白色的噪声，给后续数据处理带来一定困难，主要表现不能成功提取连接点或提取连接点的错误率较高，需人工干预较多。

图1 噪声较大的影像

3 历史航片数据处理方法

历史航片的数据处理流程如图2所示，扫描影像数据得到数字影像，通过PixelGrid软件进行空三加密及正射纠正，将正射纠正结果导入ERDAS软件镶嵌裁图，在Photoshop软件中检查及修改正射影像，最后按照标准分幅裁图。针对历史航片的数据特点，下面就一些关键过程进行介绍。

图2 历史航片数据处理流程

3.1 影像数据扫描

检查航片是否有撕裂、断裂、严重划痕和抽片情况，并对航片进行清洁，以保证航片上不沾有污物。以航线为单位，浏览所要扫描的航片，并按照地物类型，将这些航片大致分类，以使分类后的这一类航片能够按照该类的扫描参数进行扫描并确保扫描后影像的质量。扫描后的影像保证其反差适中、色调饱和、框标清晰、影像灰度直方图的灰度值在0～255灰度级之间连续，并整体呈正态分布，直方图底部接近两端。

3.2 自动内定向

内定向就是根据像片的框标坐标和相应的摄影机检定参数，恢复像片和摄影机的相关位置，即建立像片坐标系［2］。根据航摄鉴定表，建立相机检校文件。对于如图3所示的航摄鉴定表，由于数据资料的遗失，没有考虑像主点偏移，其四角框标坐标为:

内定向采用仿射变换进行框标坐标计算，框标坐标残差绝对值一般不大于0.010 mm，由于部分航摄区像主点资料的遗失，其残差绝对值有所增大，最大不超过0.020 mm。

图3 航摄鉴定表部分截图

3.3 自由网的构建

历史航片不带有POS辅助信息，其连接点的提取采用单模型相对定向、模型连接构建自由航带网，定义航带初始偏移量进行航带间转点。若某些区域连接薄弱，需要人工加连接点。每个像对连接点分布均匀，每个标准点位区有连接点［3］，每个像对连接点数目一般不少于30个。

平差解算是通过PATB软件进行的。整个过程是平差解算——剔除或修测粗差——平差解算，循环进行，直至像点的最大残差不超过2个像素(即40 u)，PATB平差解算的中误差不应超过2/3个像素(即13.3 u)。平差解算可能会不收敛，是由于像点网不稳定，部分区域缺乏连接点造成的，在这种情况下需人工加连接点，加点原则是航向连接点宜大于3°重叠，旁向连接点宜大于6°重叠。在粗差剔除或修测过程中，同时要关注像点网的构成，对缺乏连接点的区域人工加点。

3.4 控制点的选取及量测

由于历史航片相隔久远，传统的野外控制点布设方法无法进行。PixelGrid软件支持在已有DEM和DOM基础上，人工选取或自动匹配控制点，减少了对外业控制的依赖。其步骤如下:

(1)选择与此加密区合适的年份相近的已有正射影像，同时为防止误差积累，采用逐级控制，即新年份影像控制老年份影像，譬如用1990年代影像控制1980年代，1980年代控制1970年代。

(2)在整个加密区的四周人工选取4个控制点，并进行带控制的平差解算。此时相当于每张影像有了初始的外方位元素，因此输入一个同名像点，就可以预测到已有正射影像的位置(如图4所示)。自动选择控制点的过程可以通过人工干预或自动匹配的方法进行。若人工选择控制点，按照航向5条～10条基线、旁向2条～4条航线的跨度布设平高控制点，并应尽量避免将控制点选择在房屋等高于地面的地物上，因为控制点的高程是从已有DEM上读取的，不包括房屋等的高度。

图4 自动预测控制点

3.5 绝对定向

由于资料遗失造成内定向参数不准确，控制点信息的不精确，平差解算过程中其限差参照相应规范有所放大。一般要求，通过PATB平差，其中误差不应超过2/3个像素。

3.6 DEM匹配

天津市测绘院具备了一版高精度DEM，但是由于历史航片相隔较远，部分区域地貌发生较大变化，需要重新匹配DEM。采用PixelGrid系统基于多基线/多重匹配特征的高精度DSM匹配算法，自动提取整个测区的DSM数据，采用滤波算法对建筑区和树林进行滤波，通过少量的人工编辑获取满足正射纠正的DEM数据。

3.7 DOM生成

采用PixelGrid系统多机多核分布式并行处理功能，短时间内完成测区内的所有影像数字微分纠正。得到整幅影像还需对单张影像进行匀光、匀色和镶嵌处理，以达到较好的视觉效果。

4 成果质量控制

数字正射影像图的质量评价主要包括影像质量和位置精度两个主要的质量指标。影像质量一般包括影像分辨率和影像特性，通过人工检查影像的分辨率、色彩、色调、反差、纹理等以达到项目的要求。位置精度主要指影像的平面精度，通过与1∶2000地形图套合，其同名点位置中误差在1.5m左右，满足市情监测需求。图5显示了同一区域不同时期的正射影像。

图5 同一区域不同时期的历史影像

5 结语

本文对历史航片的数据处理方法、流程及关键技术环节进行探讨，并对成果精度进行分析，其精度满足市情监测需求，对历史航空影像数据库的建立具有重要意义。如何充分挖掘历史航片的潜在价值信息，使之服务于国情监测等，是下一步的研究重点。

［1］严荣华，李京伟，朱武等.历史航空影像数字化与建库技术初探［J］.遥感技术与应用，2004，19(2):102～107.

［2］国家基础地理信息中心.国家基础航空摄影资料数字化与建库项目黑白航片扫描作业技术规定［R］.2001.

［3］张剑清，潘励，王树根.摄影测量学［M］.武汉:武汉大学出版社，2004.

［4］金为铣，杨先宏，邵鸿潮等.摄影测量学［M］.武汉:武汉大学出版社，2001.

［5］张祖勋，张剑清.数字摄影测量学［M］.武汉:武汉大学出版社，2007.