利用数字建筑模型制作真正射影像的方法与实现

赵淑玲，屈伟军（湖南省第二测绘院，湖南 长沙 410119）



利用数字建筑模型制作真正射影像的方法与实现

赵淑玲*，屈伟军
（湖南省第二测绘院，湖南 长沙 410119）

摘 要分析了传统正射影像与真正射影像的区别，介绍了数字建筑模型及其生成数字表面模型的方法，简要阐述了真正射影像制作原理，介绍了目前主流的制作真正射影像的系统及其生产流程，进行了真正射影像生产试验。

关键词数字建筑模型；真正射影像；数字微分纠正；遮蔽检测与补偿

1 引言

随着地理信息数字化进程的加快，数字正射影像图（DOM）已经成为空间数据库的重要组成部分。传统的数字正射影像图在生产过程中仅考虑了地面高程，忽略了人工建筑等空间目标，导致建筑物偏离其真实位置并对地表信息造成遮挡，已经不能满足现代城市测绘的应用需求。利用数字表面模型（DSM）制作真正射影像（TDOM），可以对地形及地表建筑同时进行纠正，从而保持了直视角度的地表景观，解决了大比例尺城区正射影像高大建筑物对其他地表信息的遮挡等弊端（图1），并能快速生成地表三维、城市三维景观，在城市空间信息领域的前景非常广阔，目前在国外已经得到了广泛的应用和推广。

2　数字建筑模型

数字建筑模型（DBM）简单的理解就是一系列带有高程信息的表示建筑物轮廓并根据所表示的建筑物层次结构区分不同图层的三维矢量，其通常以AutoCAD的绘图交换文件格式DXF格式存储。数字建筑模型一般都是通过全数字摄影测量工作站在立体环境下采集各建筑物的外部轮廓及顶部附属结构生成，如图2所示。

将数字建筑模型与数字地面模型（DTM）进行叠加，即可得到制作真正射影像所需要的数字表面模型（图3）。

图1　传统正射影像与真正射影像Fig.1 Traditional orthophoto map and true orthophoto map

图2　数字建筑模型Fig.2 Digital building model

图3　DTM与DBM叠加生成DSMFig.3 DTM and DBM together to generate DSM

3　真正射影像制作原理

3.1 数字微分纠正

为了消除由于影像倾斜和地形起伏等引起的变形，需要根据有关的参数与数字地面模型，利用相应的构象方程式，或按一定的数学模型用控制点解算，从原始非正射投影的数字影像获取正射影像，这种过程是将影像化为很多微小的区域逐一进行纠正，并且使用的是数字方式处理，故叫做数字微分纠正或数字纠正。

数字微分纠正的基本任务就是实现两个二维图像之间的几何变换，在微分纠正过程中必须先要确定原始图像和纠正后图像之间的几何关系。设任一像元在原始图像和纠正后的图像中的坐标分别为（x,y）和（X,Y），则他们之间存在这映射关系：

公式1是由纠正后的像点坐标（X,Y）出发反求其在原始图像上的像点坐标（x,y），这种方法称为反解法（或称间接法）；而公式2是通过原始影像上的像点坐标（x,y）解求纠正后图像上相应点坐标（X,Y），这种方法称为正解法（或称直接法）。数字微分纠正就是通过解求相应像元的位置进行灰度值的内插和赋值的运算。

3.2 遮蔽区域检测与补偿

传统的航空影像属于中心投影，对于地面上有一定高度的地物都会产生遮蔽现象，中心投影所产生的遮蔽其实质就是投影差（图4）。由正射影像的遮蔽分析可知，使用数字建筑模型可以获取建筑物的平面坐标和真实高程值，进而可以计算出建筑物在正射影像上对应的正确位置，再结合数字地面模型就可以确定建筑物在正射影像上实际的投影位置，进而确定被建筑物遮挡的区域。

对于被遮蔽的像元信息，在具有一定重叠度的情况下，可以利用相邻影像上未被遮挡的相关信息进行填充补偿。首先根据真正射影像上地面遮蔽像元的地面平面坐标在DEM中内插获取高程值，得到地面遮蔽点的三维坐标，根据共线条件方程计算出其在相邻影像上的像点坐标，并判断在该相邻影像上是否被遮挡，如未被遮挡，则用该点的影像信息对真正射影像进行填充补偿，否则继续搜索下一张相邻影像。如果所有影像都被遮挡，则表明该区域属于摄影死角，则可使用背景颜色填充。

图4　中心投影遮蔽示意图Fig.4 Sketch map of occlusion in central projection

4　真正射影像生产流程

就现阶段而言，可以完成一整套传统DOM生产过程的系统数不胜数，但目前能直接用来生产真正射影像的系统并不多，大部分需要在生成DOM后进行二次加工，以得到真正射影像。在数字摄影测量工作站系统中，以Inpho和PixelFactory（“像素工厂”）最为知名，可以无需对数据进行二次加工直接生成真正射影像，其生产的一般流程为：

（1）对航摄影像进行空三加密，恢复各像片在摄影时的空间关系；

（2）利用影像匹配技术生成规则格网的数字地面模型；

（3）使用数字摄影测量工作站在立体环境下采集数字建筑模型，与数字地面模型叠加生成数字表面模型；

（4）使用数字表面模型对原始影像进行正射纠正，并进行遮蔽区域的检测；

（5）在影像镶嵌过程中实现遮蔽区域的补偿，对镶嵌结果进行分幅裁切，并进行适当的人工编辑，形成标准分幅真正射影像图。

5　生产试验与分析

本文采用Inpho摄影测量工作站对长沙市内某高层建筑区进行了生产试验，试验数据由RCD30航摄仪拍摄，摄影平均地面分辨率为0.1 m，航向重叠度和旁向重叠度均为70%。试验中对该区域数据分别生成了传统正射影像和真正射影像（图5），对结果进行了对比分析。

图5　传统正射单片与真正射单片Fig.5 Traditional orthophoto single map and true orthophoto single map

从图5中可以看出，传统正射影像单片中屋顶已经偏离其正确位置，并且对地面物体形成了遮挡；而真正射影像单片中屋顶被纠正到正确位置，并且由投影差所造成的遮蔽区域也被检测出来，并用背景颜色（白色）作了标记。由于不同影像的摄影方向不同，导致各影像上房屋的倒向也不一致，从而使得每张影像上的遮蔽区域各不相同，这为遮蔽区域的补偿提供了有效的方法与途径。在影像镶嵌过程中，系统会自动利用相邻影像的有效像素进行遮蔽区域的补偿，最终形成完整的真正射影像（图6）。

在图6中房屋的部分细小内角处仍然可以看到白色背景，其所在区域就是前面3.2中所提到的摄影死角。由于本次试验使用的是高分辨率航空影像，其相对摄影高度非常低，而航向重叠度只有70%，导致部分房屋内角处无法处于可视范围，从而形成摄影死角，解决该问题的有效方法是加大航摄航向重叠度。

图6　遮蔽区域补偿后的真正射影像Fig.6 True orthophoto map with occlusion compensated

6　结束语

真正射影像作为摄影测量的一个新的应用领域，它同时具有完美的几何精度和视觉特征，可以真实地再现摄影时地形表面的三维信息，比单纯的正射影像数据具有更大的应用价值和更广阔的应用前景。利用数字建筑模型叠加数字地面模型进行真正射影像的生产，在Inpho、PixelFactory等数字摄影测量系统中可以做到高度自动化，值得推广应用。

参考文献/Reference

[1]梅晓丹，等．基于DMC航空影像的数字真正射影像制作研究[J]．黑龙江工程学院学报，2014，28（2）：12-15．

[2]万从容，郭容寰，杨常红．数字真正射影像的研制[J].上海地质，2009，4：33-36．

[3]杨玲，等．一种数字真正射影像制作方法[J]．2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS)．2010：356-359

[4]杜泽明，杨常红，万从容．基于Inpho的真正射影像生产试验[J]．现代测绘，2013，36（2）：39-41．

[5]史照良，沈泉飞，曹敏．像素工厂中真正射影像的生产及其精度分析[J]．测绘科学技术报，2007，24（5）：332-335．

[6]谢文寒，周国清．数字建筑模型生成大比例尺真正射影像方法[J]．哈尔滨工业大学学报，2008，40（4）：590-592．

[7]王树根，等．正射影像上阴影和遮蔽的信息处理方法研究[J]．测绘信息与工程，2004，29（4）：1-4．

[8]曾小江．基于INPHO生成真正射影像的方法介绍和探讨[J]．江西测绘，2013，1：45-47．

The Method and Implementation of Making True Orthophoto Map Using Digital Building Model

Zhao Shuling,Qu Weijun
(The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan,Changsha Hunan 410119)

Abstract:The differences between traditional orthophoto map and true orthophoto map are analyzed,the digital building model and how to use it to generate digital surface model are introduced,the principles of making true orthophoto map are briefly described,the mainstream systems of making true orthophoto map and its production processes are introduced,and a true orthophoto production test is implemented.

Key Words:digital building model;true orthophoto;digital differential rectification;occlusion detection and compensation

收稿日期：2015-12-25；改回日期：2016-2-23。

*第一作者简介赵淑玲，女，1969年生，地理信息工程专业，从事地理信息数据处理、三维建模、系统开发、国土调查等工作。Email：598902787@qq.com

文章编号：1672-5603（2016）01-086-5

中图分类号：P283.49

文献标识码：A