传统胶片航摄影像空三加密关键技术研究

□ 浙江省第二测绘院 许一睿 邓廷起

随着社会经济的发展，测绘技术的日新月异，空间地理信息数据的表现形式呈现多样化，数据量大小也呈指数级增长，大数据时代对历史空间地理信息数据资源的挖掘分析有着潜在的应用市场。近年来，浙江省大力推进“三改一拆”、全域土地综合整治与生态修复工程、城中村改造等工作，工作中遇到了历史违法用地辨别依据不足、早年地类是否存量建设用地判别困难等问题。这些问题可以利用历史航空影像资料很好地进行解决。为高效管理和有效利用历史航空影像，对历史航空影像进行处理势在必行。实现对航空影像定位以及后续应用，对航空影像空三加密是必不可少的步骤，众多航空影像数据库管理系统很好地实现了航摄资料的管理，同时可以对单张影像数据进行浏览和更新，但是却不能实现历史航空影像的漫游浏览和空间查询。传统胶片航摄影像空三加密不同于数码影像空三加密，其加密方法直接影响其空三精度以及效率。本文对传统胶片航摄影像数字扫描影像空三加密误差分析，通过测试试验，改进传统胶片航摄影像空三加密方法，提升传统胶片航摄影像空三效率以及空三加密成果精度。

一、传统胶片航摄影像空三加密误差分析

传统胶片航摄影像，相对于数码航片会有一些新的误差源影响其空中三角测量精度，主要以下几个方面。

（一）内定向

利用影像数字化器将胶片航片扫描转换成数字影像，其主要是将原来模拟方式的信息转换成为数字形式的信息。但每张数字影像大小会不一致，所以首先通过内定向的方式将扫描影像的扫描坐标系转换到像平面坐标系，内定向误差是传统胶片航摄影像空中三角测量的主要误差。

（二）控制点获取困难

传统胶片航摄影像空三加密成果精度较低，像控点成果较少且精度较低，特别对于空三成果缺失的上世纪七八十年代早期历史航片，与现今相隔年限较长，变化较大，若通过实地测量历史航片的像控点数据会相当困难且不太现实。如何获取早期历史航片的像控点将是早期历史航片空三加密的关键。

（三）影像变形引起的不可预知误差

传统胶片航摄影像在转换成数字扫描影像前已经存放很多年，早期历史航片存放时间过长，胶片影像已发生不可量算的变形。同时扫描影像纹理弱或扫描时亮度没调好，反光强烈。这些对连接点自动匹配以及空三加密的精度影响较大。

二、提升传统胶片航摄影像空三加密关键技术

根据对传统航摄影像空三加密精度与效率影响的分析，突破影响历史航片空三加密精度的内定向、控制点获取困难、影像变形等几个问题的关键技术，利用数码影像特征点全自动匹配技术改进传统胶片航摄影像空三加密方法。

（一）像主点归一化

由于胶片的框标不清晰造成扫描影像的内定向工作量大且误差较大，其误差将会积累到空三加密成果中，严重影响空三加密成果的精度。参考数码影像内定向误差理论值为零，对不同大小的胶片航摄影像通过修改画布大小的方式（不影响影像分辨率）统一数字扫描影像画幅大小。这样胶片影像的空三加密转变成了简单的数码航片的空三加密，内定向误差理论值也为零。这样不但去除了内定向的工作步骤，同时也去除了内定向误差对空三加密精度的影响，这一步骤称为像主点归一化。

（二）基于最新航摄影像量取历史航片像控点

将历史航片作为子区添加到同区域最新数码航片已有加密成果工程中。在加密区内添加连接点作为历史航片的控制点，这样做有以下几个有利条件。

a.两期影像在统一平台下，有利于同名点的选取。

b.连接点精度有保证。

c.可以任意选取同名点作为连接点。

d.连接点坐标即为历史航片控制点坐标。

（三）自检校改正影像变形误差

将历史影像不可量测的形变误差归算到畸变差模型中，通过畸变差模型参与历史影像空三加密的自检校平差，利用控制点以及大量的连接点解算影像畸变差模型参数，改正影像形变。

三、胶片航摄影像空三加密生产试验

（一）航摄资料分析及试验技术流程

本试验过程包括传统胶片航摄影像像主点归一化、影像自动匹配、不同时相加密区合并、历史影像像控点获取以及空三精度评定等步骤，具体总试验技术流程如下图1所示。

▲图1▲传统胶片影像空三加密试验技术流程图

选择的试验区域位于浙江省中部的兰溪市北部区块，面积约130平方公里，东西长约12公里，南北长约11公里，整体地形为山地。试验区所用历史影像航摄资料为1979年航摄的胶片影像，试验区最新航摄资料为2016年0.2米分辨率数码影像。

▲图2▲胶片扫描影像像主点归一化

（二）传统胶片航摄影像空三加密主要技术

1. 像主点归一化

内定向误差对胶片影像空三加密精度影响较大，为了减少内定向对胶片影像空三加密精度的影响以及减少内定向工作量，将扫描影像通过修改影像画布大小的方式将其影像大小统一（不改变影像分辨率），如图2所示。这样内定向误差理论值为零。

通过对胶片扫描影像画布大小的改变，影像幅面大小长宽一致，使得其像主点居于影像中心，胶片影像空三加密方式转换成简单的数码影像空三加密，因此数码影像空三加密技术，如特征点提取、自动匹配、密集匹配就可以应用于胶片影像的空三加密。

▲图3▲1979年兰溪测区航摄影像及控制点分布结合图

2.胶片影像像控点获取及空三加密

由于1979年胶片历史影像与2016年影像变化较大，像控点获取通过实地测量较为困难。将胶片历史影像与2016年数码影像建立在同一区域网加密区内，在空三软件量测平台添加连接点，且连接点同为胶片历史影像与2016年数码影像同名点。加密区内均匀添加连接点后，将加密区分为两个加密区，胶片历史影像为一个加密区，2016年数码影像为一个加密区（已有空三加密成果，且包含胶片历史影像的同名点）。将2016年数码影像已有空三加密成果重新平差得到的同名点物方点坐标即作为胶片历史影像加密区的像控点坐标。胶片历史影像航摄曝光点与像控点分布图如图3所示。

3.胶片航摄影像附加参数自检校控制网平差

胶片历史影像由于存放时间过长，影像存在一定的不可量算的误差，通过复杂的数学模型利用多余的控制点观测量进行误差改正，一般常用的误差改正量可表示成像点坐标的函数如下所示：

Δx=f1(x,y)

Δy=f2(x,y)

通过附加参数自检校模型进行控制网平差，能有效去除胶片影像的形变误差，提升空三加密成果精度。

（三）胶片航摄影像空三加密精度评价

将空三加密成果导入到全数字摄影测量系统，在立体上量测检查点的三维坐标，特别是高程值。检查点的三维坐标在2016年已有空三加密成果中量测获取。以检查点量测为基准，立体量测相对于检查点量测的平面位置中误差、高程中误差分别按下面公式计算。

式中：m1—检查点中误差，单位为米（m）；△—检查点实测值与立体观测值误差，单位为米（m）；n—参与评定的检查点数（共42个）。

统计结果如表1所示。

若采用常规的胶片航摄影像空三加密方法，经已有胶片航摄影像空三加密成果精度统计，加密点坐标中误差大约在1米左右。而本文通过对胶片航摄影像空三加密方法的改进，从表1空三加密精度统计相对中误差可以看出，此种方法极大地提升了胶片航摄影像空三加密成果精度，至少一个数量级的提升，统计相对中误差为±0.13米。

表1▲空三加密成果精度统计表

四、基于胶片航摄影像高精度空三加密成果的应用

高精度胶片航摄影像空三加密成果，在实际工程中胶片航摄影像有着广泛的应用前景，高精度胶片航摄影像空三加密成果可以通过密集匹配获取高精度DEM数据，由于历史航空影像植被稀疏、构筑物结构简单，可以实现现势性植被茂密区域植被分离；高精度的DEM数据以及现势性地表植被高程信息可实现电力工程杆塔室内精确定位，减少大量外业实地测量工作。

同时高精度胶片航摄影像的空三加密成果，结合现势性航摄影像通过密集匹配实现见树又见地，可以辅助乔、灌木的区分，可以进行植被动态监测。

再次对胶片历史航片进行数据处理可有效保障历史数据的安全，避免信息资源损失，同时，数据处理技术的提高大大增强了影像的精度和实用性，为获取数字高程模型、建筑物甄别测绘、拆迁补偿司法鉴定等多种应用提供服务。