影响正射影像生成质量的因素分析＊

张汉德，张海涛，别 君，董 梁，范学玮，蒋旭惠

（1．中国地质大学（武汉）信息工程学院，湖北 武汉430074；2．中国海监北海航空支队，山东 青岛266033）

0 引 言

数字正射影像（DOM）是地图的一种形式，用相当于正射投影的航摄像片上的影像来表示地物的形状和平面位置。当像平面水平且地面水平的情况下，该航摄像片就是正射投影的像片［1］。数字正射影像图具有精度高、信息丰富、直观逼真、现实性强等优点，受到了广大用户的欢迎。数字正射影像在土地管理、城市建设与规划、计算机动画等领域都得到了十分广泛的应用。

以数码相机获取的影像数据为例，介绍了应用ERDAS2011LPS和Orima模块制作正射影像的流程，并对制作过程中影响DOM精度的因素进行了分析。

1 软件简介

徕卡摄影测量系统（LPS）是美国ERDAS公司开发的数字摄影测量及遥感处理软件系统，为地球空间影像的应用领域提供了精密的成果定向的摄影测量工具。它可以处理航天的各类传感器影像定向及空三加密和各种数字影像格式，有高精度、多功能、易操作、处理高效等优势［2］。

ORIMA是由美国LH Systems公司推出的数字摄影测量工作站Helava上的一个区域网光束法平差软件模块，能够处理大量的影像坐标、地面控制点和GPS坐标。它利用严密的空三平差数学模型，大大提高了外定向的精度。

2 正射纠正的原理及制作流程

实际中，由于航空摄影不能保持相机严格水平，加上相机检校误差、地球曲率、地形起伏等的影响，使中心投影航摄像片上的影像由于像片倾斜和地形起伏产生像点位移，使影像的构形产生位移与变形及比例尺不一致。正射纠正的实质就是将这种中心投影的影像数字化形成正射投影的过程，其原理是将影像数字化为许多微小的区域，根据相关的参数建立数学模型，利用数字高程模型对原始影像进行纠正，使其转换为正射影像［3］。

3 ERDAS2011LPS处理过程中的操作流程

ERDAS2011LPS处理过程中的操作流程

1）新建block工程，设置坐标系、投影及飞行等相关参数，并与影像进行关联。

2）内定向，即恢复摄影时刻摄影中心与影像之间的相关位置，本次试验使用的是数码航片，其内定向主要是设置焦距、相机点坐标、相机畸变等参数。

3）外定向及空三解算

外定向是在内定向的基础上，确定在摄影瞬间摄影光束的空间位置和姿态的一系列工作。外定向工作是在点测量工具中进行的，主要工作有:设置 Automatic tie properties属 性，选 择 合 适 的Strategy及Distribution，调用自动采集连接点功能（APM），得到连接点；在 Aerial Triangulatioon对话框中设置空三属性，如图1所示，选择合适的阈值及其它设置，运行空中三角测量；根据空三报告中的收敛情况及RMSE值，如图2、3所示，检查同名点的精度，确定是否接受空三结果，完成外定向。

在ORIMA软件中，运行CAP－A，根据运算的结果反复修改X、Y、Z、Omega、Phi和Kappa值，直至运行CAP－A后该值介于0．8～1．2之间为止。East－North窗口中的上述六个值起到了权重指示器的作用，在所选权重不合适的情况下就会通过这个值体现出来（即没有落入0．8～1．2区间）。

4）地表模型DTM的生成与编辑。调用Classic ATE工具，在打开的DTM Extraction窗口中设置相关属性后运行得到粗糙的DEM。做消除视差等DEM编辑，得到精确的DEM．

5）执行正射重采样。其执行过程是由LPS读取DEM中的每个像元值，并匹配到影像的相应位置上。

6）正射影像镶嵌。使用mosaic工具，生成拼接线并进行适应的编辑，即可执行正射拼接功能。

4 影响DOM精度的几个关键问题

影响DOM精度的因素是多方面的，如相机没有做检校、GPS和INS误差、连接点误差、外定向误差、视差、正射重采样误差等。对操作过程中涉及到参数设置、阈值大小等造成的误差进行分析。

4．1 连接点点位误差

量测同名点其实就是在进行影像匹配，匹配的精度对后续的正射影像的制作影响很大。选刺的同名点一般应该同时满足以下四个条件:1）点位一般要尽量位于地面上，以保证生成精确的DEM；2）点位的地理位置不易改变，为以后的实地检验为准备；3）点位易于确定，如交通线的交点、拐点等；4）点位分布均匀，避免因同名点分布密集造成的图像扭曲变形。

为了在后续处理中得到较高精度的DEM，要求在APM之后将位于非地面上的同名点移动到地面上。同时空三运算结束后，会有部分同名点误差过大而导致标准差超限或空三结果不收敛，一般情况下要对此点位进行修改，有时却不能在点位附近为其找到其它合适的点，这种情况下该点会被删除。为了防止APM之后有过多此类情况的发生，在实验中将 Auto tie point generation properties窗口下的Intended Number of Points／Image设置为较大值，以求获得更多的连接点。实验中该值取50，得到了49个连接点。

4．2 外定向误差

为提高外方位元素的精度，在空三运算之前一般要将 Aerial Triangulation窗口下 X0、Y0、Z0和Omega、Phi、Kappa的标准差（如图1所示）初始值尽量设小，在后续处理中遵循“由小到大，缓慢增加”的原则做增大处理，实验中分别设置为0．1和0．001．连接点的精度直接影响外定向的精度，根据空三运算结果，修改单个点均方根误差（Total RMSE）大于一个像素的点位（部分无法找到合适的同名点时可将其删除）。在实际操作中，并非要一次性将全部大于1的点进行修改，因为一个坏点对其它点精度的影响很大，往往在修改4～5个点，并渐渐地增大上述外方位元素的标准差至0．1、0．08后，再次运行空三，Total RMSE值已小于1了。同时空三结果收敛，并且 Total image unitweight RMSE小于原始影像的像素大小时接受初始外方位元素的修改（如图2所示）。

需要注意的是，在运行空中三角测量时进行外方位元素标准差的设置，其中的参数设置需要不断实验以达到最适宜的值。由于不同的航片内选刺的同名点不同，所以不同的block工程最终选择的参数也不同。

空中三角测量以后，完成了外定向工作，影像间已经建立起了正确的空间关系，通过共线方程计算出的每个立体像对的同名特征点坐标值。

但在本实验中为了进一步提高外定向的精度，将空三结果导入ORIMA软件继续处理。

运行CPA－A，对于不符合要求的外方位元素，一般是将其结果与已参与计算的对应值相乘，其积再次迭代计算。直到CPA－A Sigma0的值小于3，并且外方位元素介于0．8～1．2时为止。评价该运算结果精度的一个重要指标是误差椭圆，椭圆的形状、大小及长短半轴的比值大小反映了误差的方向、大小以及最大误差的方向，由图4可以看出，经ORIMA处理后，各个点位误差均匀，方向比较离散，精度较好。

图4 外方位元素误差椭圆

4．3 DEM的影响

实验中DEM用来做正射校正，在DEM的提取过程中，使用AOI工具画出不同类别的地物，并赋予不同的滤波策略，以求得到比较精确的DEM．同时在DEM的编辑阶段，消除视差，将临近的地面点高程值赋予位于非地面上的加密三角网点，基本完成DEM的编辑。

由于DEM是系统自动提取的，势必存在较大的偏差，所以可以在提取前选中Create DTM Point Status Output Image选项生成 DEM 影像质量图，如图5所示，根据图的颜色做后续DEM编辑。

图5 DEM影像质量图

4．4 正射重采样误差

为了得到较为清晰的正射影像图，生成影像的像元大小尽量小。同时将重叠区域小的区域做剪切处理。

4．5 影像镶嵌影响

影像镶嵌处理一般不影响DOM的精度，而是对其美观产生影响，经过影像的匀光处理可以减弱其影响。镶嵌处理主要是断裂线的处理，由软件自动生成断裂线后，一般要手动调整使其不穿过大型建筑物或水域等的中部，同时避免不要太靠近影像的边缘；可以沿着对比强烈的地物边缘，如道路、河流等，以保证断裂线附近两张影像的色调一致或相差不大［4］。如果已有本区域的矢量文件，也可以以矢量文件作为断裂线，如图6所示。

图6 正射影像图

5 结 论

从使用航摄相片应用ERDAS LPS、ORIMA软件制作DOM的过程中可以看出，影响DOM精度的主要误差源是连接点误差、外定向误差，并且对连接点的调节是一个相当繁琐、费时、复杂的过程。因此，在制作过程中，一定要保证连接点的精度，同时确保有高精度的外方位元素信息。

考虑到单纯地使用航摄相片制作DOM费时费力等缺点，可以寻求其它制作DOM的方法，如目前兴起的机载LIDAR的方法，由于该技术获取的各个激光脚点都有惯导系统提供的精确坐标值，根据高程值从这些脚点中提取地面点的难度将大大减化，而这些激光脚点可以代替航摄相片中连接点，由此生成DEM时可节省大量的人力和物力，大大节约DOM的生产周期。

［1］ 王佩军，徐亚明．摄影测量学［M］．武昌:武汉大学出版社，2005:126－133．

［2］ 贾维花，吕宜平，张之武．基于ERDAS8．7LPS模块正射影像图的制作［J］．测绘与空间地理信息，2007，6（30）:39－43．

［3］ 官云兰，周世健，鲁铁定．基于 ERDAS IMAGINE的数字正射影像图的制作［J］．测绘通报，2005（12）:31－33．

［4］ 陈周云，李 兵，黄海英，等．城市大比例尺真彩色数字正射影像的制作［J］．测绘工程，2005，4（14）:49－51．