像控点快速测量技术在地理国情普查中的应用研究

张俊前

(重庆市勘测院,重庆 400020)

像控点快速测量技术在地理国情普查中的应用研究

张俊前∗

(重庆市勘测院,重庆 400020)

以改进的SIFT算子为基础理论,设计了像控点快速预选程序,并将航测外业数字化测量系统、常规移动终端和像控点预选程序相结合,实现了像控点的快速布设、快速定位和实时导航,改进并完善了像控点快速测量技术体系。在重庆市地理国情普查正射影像生产中,验证了本文方法的有效性和实用性,并为常规航摄生产提供一定的借鉴作用。

数字化测量系统;像控点测量;快速测量;地理国情普查

1 引 言

为适应经济社会发展、国防建设和科学管理需要,更好地反映我国各类地理环境要素的分布与关系,党和国家领导人从战略高度审时度势要求开展地理国情普查,充分利用测绘的先进技术、数据资源和人才优势,积极开展地理国情变化检测与统计分析,对重要地理要素进行动态监测,及时发布监测结果和分析报告,为科学发展提供依据。

地理国情普查主要内容包括地形地貌、地表覆盖、地理国情要素、地理单元以及专项类普查等,数据源为地面分辨率优于1 m的高分辨率卫星影像或正射影像。整个普查工作范围广、资料多、时间紧、任务重,如何高效、保质保量开展工作是许多生产单位关注、亟待解决的问题。像控点测量作为正射影像制作和卫星影像纠正的基础和前提,是地理国情普查数据源制作的关键生产环节。

2 问题来源

像控点测量是航测外业和航测内业工作的基础和前提。大多数测绘单位仍然采用传统的作业模式开展这项工作:作业之前,首先在纸质控制片上进行像控点布设,绘制像控点结合图,套合在小比例尺地形图上,人工选取行车路线,作业时按照既定计划行车进行像控测量。这种作业方式存在较多限制效率的问题:

(1)纸质像片冲洗周期时间长,像控点布设花费大量时间。

(2)纸质像片不方便携带和使用,小比例尺地形图现势性差、内容较粗略,对于不熟悉航摄区域的作业人员而言无异于雾里看花,经常出现绕圈、走错路的情况,在一定程度上降低了作业效率。

(3)作业前作业人员通过人工比对影像,以确定像控点位置需要花费大量的时间,在某些地区,特别是某些农村地区,没有明显特征地物,给人工比对确定像控点位置的工作增加了很多困难。

(4)在像控点预选过程中,首先要找到多张航摄影像的重叠区域,然后在重叠区域中寻找影像清晰、易于判刺和立体量测的点位,这个过程也需要花费较长时间。

IMU/DGPS和航空影像快速处理技术的应用大大减少了外业像控点的布设密度,节省了人力物力,然而这一革新却带来新的问题[1];像控点布设稀疏之后,点与点之间距离远,连续性和关联性差,导致找点困难,且找准点与点之间最方便、快捷的连通路线也很困难。这两个问题就成为影响外业像控测量生产效率的技术瓶颈。

目前,国内的测绘单位对像控点测量面临的问题都有所认识,但是几乎没有一个较为全面、系统的解决方案。

3 像控点快速测量技术

像控点快速测量技术以数字影像为基础,按生产流程分为像控点快速布设、像控点导航定位和像控点整饰等几个环节。其基本流程为:首先进行像控点快速布设预选,完成像控点布设后,利用导航定位技术快速到达选定的像控点位置,测量像控点坐标后,在实地完成像控点整饰及检查工作。本文借助重庆市勘测院自主研发的航测外业数字化测量系统实现像控点快速布设和像控点整饰,设计程序实现像控点预选,并借助移动终端为平台实现像控点导航定位。

3.1 像控点快速布设技术

根据空三加密的需要,作业人员在基于MicroStation软件的航测外业数字化测量系统上布设像控点。思路为:将像主点坐标及像片编号展绘到矢量图上(如图1所示),按照像控点区域网布设原则及要求进行详细的像控点和检查点点位设计,并生成最终的像控点布设网图(如图2所示)。区域网布设原则为:区域网的布设图形宜呈矩形;区域网大小和像控点的跨度主要依据成图精度、航摄资料参数及对系统误差的处理等因素确定;区域网的划分和布点应以能满足空中三角测量精度要求为原则。重庆市地理国情普查正射影像制作像控点布设按照区域网布设,全部为平高点,每隔6条基线布设一对像控点,并且在像控点控制力最弱位置布设检查点,空三加密成果满足1∶5 000航测成图要求,优于地理国情普查项目中正射影像制作的要求,实现一套成果多种利用。

图1 像主点展点图

图2 像控点布设网图

具体方法是,在像主点展点时,将对应像主点的影像文件名作为文本一同展入文件,利用程序将像控设计略图自动生成初步的像控布点网图,生成像控点编号。如图2所示,通过布设网图能够很直观地知道与像控点PT826相关的6张影像,通过像控点和像主点之间的连线关联影像和像控点,可自动加载影像文件。如果需要修改像控点的布点点位,可通过操作图形,移动点位,改变连线,即实现该点新的自动加载方案,通常情况下,外业人员根据像控点布设网图进行测量,但当现场判别实地点位不符合要求时,可直接在野外对布设网图进行修改。

像控点快速布设另一个关键技术就是像控点的预选。像控点预选功能主要基于像控点关联影像的特征点提取及影像匹配。特征点的提取主要通过改进的SIFT算子实现[2],然后对像控点关联影像进行特征点匹配,找出影像间的公共区域[3](如图3所示),可将3张影像的公共区域从原图上裁剪出来并分别显示保存(如图4所示),供作业员进行像控点预选。

图3 三片匹配效果及公共区域

图4 像控点预选功能提取出的三片重叠区域

像控点快速布设技术的应用降低了生产成本,大大提高航测外业像控测量的工作效率,主要体现在以下几个方面:

(1)降低成本,缩短生产周期

像控点快速布设技术的应用实现了像控点布设数字化,省去了控制像片冲印的环节,降低了生产成本的同时,缩短了生产周期。

(2)减少了作业员的工作量

作业员无需再按照传统的作业方法(在纸质像片上,通过人工比对、拼接的方式得到像控点关联影像的公共区域,浪费大量人力物力),只需通过像控点预选功能就可以自动、快速找到像控点关联影像公共区域,而且获取的影像公共区域范围较人工获取的公共区域范围精确,在减少工作量、降低生产成本的同时,大大提高了生产效率。

(3)节约了工作时间

以7条航带,共93张航片(0.4 m分辨率),覆盖面积约为478 km2的区域为例,布设25个像控点,从像控点关联影像的自动预处理到像控点预选指导结果的显示,整个过程只需要20 s左右的时间,相比于传统的人工像控点预选方法,极大地减少了像控点预选工作的时间。

(4)野外现场快速修改方案

当现场判别实地点位不符合要求时,需要重新选择新点。传统的像控测量在现场重新选点时,受携带的纸质像片数量限制(另外的业人员可能正在使用相邻航带的影像),容易导致选点达不到要求而重测。但航测外业数字化测量系统所带资料齐全,可以现场快速调整最优方案。

在重庆市第一次地理国情普查项目的像控点测量工作中,以7条航带,共93张航片(0.4 m分辨率),覆盖面积约为478 km2的区域为例(布设25个像控点),进行对比实验:在不计控制片冲洗环节耗费时间的情况下,采用传统的像控点测量方法,布设选择10个像控点平均需要1 h,采用像控点快速布设技术平均需要20 min,效率提高了66%。

3.2 像控点移动终端导航定位技术

能否快速到达像控点实地位置是像控点野外测量的关键,直接决定像控点测量的效率。通过数据转换处理,借助移动终端(手机或平板电脑)进行导航定位,可以实现像控点实时定位。

本文中的像控点导航定位技术以谷歌地图为导航平台,通过带有GPS模块的移动终端实现。谷歌地图可以提供含有政区和交通以及商业信息的矢量地图、不同分辨率的卫星照片,在带有GPS模块的移动终端上可轻松实现地图上任意两点间的路线规划和实时定位导航,在PC机和移动终端上均有应用,并可通过谷歌账户进行实现在PC机和移动终端间的同步联系。通过试验研究,利用谷歌地图和移动终端实现像控点导航定位的作业流程如下:

(1)在进行像控点预选后,将像控点布设网图从CGCS2000坐标系转换到WGS-84坐标系。

(2)利用Global Mapper和ArcGIS软件对像控点布设网图进行数据格式转换,将像控点布设网图转换为kml或kmz格式。

(3)通过谷歌账户将像控点布设网图导入到谷歌地图中,规划到达像控点的路线。

(4)在移动终端上下载谷歌离线地图,利用谷歌账户导入像控点布设网图和规划路线,实现像控点快速导航定位,如图5所示。

图5 像控点定位导航截图

3.3 像控点数字化整饰技术

在外业航测外业数字化测量系统中,影像可以无极放大,不用绘制点位略图。同时提供属性信息输入界面,自动生成像控说明注记的统一格式。刺点信息直接标注于影像之上,通过设置信息显示和隐藏,而不会造成影像遮挡。刺点完成之后,将刺点区域影像和像控信息叠加保存为JPG格式图片,以便后续使用,如图6所示。

图6 像控点刺点影像

4 结 论

航测外业数字化测量系统,让像控点布设工作变得简单直观,且支持野外实时修改;本文设计的像控点预选程序,使像控点选点变得简单、科学;像控点导航定位技术,紧扣当前科技和设备的发展,大大提高了像控点测量的工作效率。本文将三者联合实用,解决了找点困难和找准最优路线困难的问题,大大提高了生产效率、降低了生产成本、缩短了生产周期。由于时间有限,有些技术还需要继续深入试验研究,选择合适的软硬件平台,将像控点快速测量技术集成化,数据准备及处理一键化。

[1] 万幼川,张永军.摄影测量与遥感学科发展现状与趋势[J].工程勘察,2009(6):6～12.

[2] 白廷柱,侯喜报.基于SIFT算子的图像匹配算法研究[J].北京理工大学学报,2013(6):622～627.

[3] 张燕.航测外业像控点测量系统的设计与实现[J].城市勘测,2011(2):103～108.

[4] 刘广社.摄影测量与遥感[M].武汉,武汉大学出版社, 2013.

[5] 赵廷宝,许家录.浅析航测外业像控点测量系统[J].城市建设理论研究,2012,23.

The Application Research of Rapid Image Control Measurement in Geographical Conditions Survey

Zhang Junqian (Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

In this paper,based on the improved SIFT operator as the basic theory,we have designed the fast preselection system of control points,and have made fast layout of control points,fast position and real-time navigation come true with the digital measuring system,conventional mobile terminal,and have improved the rapid measurement technology system of control points.The orthophoto production of the geographical conditions survey in Chongqing,has verified the validity and practicability of this method,and has provided certain reference to the conventional aerial production.

digital measuring system;image control measurement;rapid measurement;geographical conditions survey

1672-8262(2014)06-24-04

P231

A

2014—06—08

张俊前(1981—),男,高级工程师,主要从事摄影测量生产与质量管理工作。

国家科技支撑计划(2011BAH12B07-03)