0.2 m分辨率航空数字正射影像制作技术

曲莉莉，朱丰琪

(山东省国土测绘院，山东 济南 250013)

随着《测绘地理信息事业“十三五”规划》[1]的实施，高分辨率数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)在基础测绘、国土调查、国情监测、城市规划、地籍测量等项目中发挥了重要作用，对高分辨率的研究显得十分必要。研究表明[2-5],在航空正射影像生产过程中，影响正射影像质量的重要因素是数字高程模型(digital elevation model，DEM)编辑和DOM，并提出了多种处理方式方法。 渠甲源[6]曾就高分辨率航空正射影像技术设计难点探讨了利用MicroStation软件分层编辑DEM数据，但编辑效率及效果不佳，自动化程度较低，需使用大量人工编辑量。目前也无较为成熟的针对大面积、多时相、不同天气引起的航片色彩差异进行整体均衡匀色的处理方法。随着高科技测绘技术的不断发展，传统处理模式已逐渐被先进的自动化的集群式影像处理系统所替代，与传统处理模式相比，自动化集群式影像处理系统已有数倍的效率提升，但DEM编辑及DOM匀色这两个环节的技术难点是目前数字正射影像快速生产急需解决的问题，将极大地影响自动化处理系统的影像生产效率及产品质量。

1 主要技术指标及仪器设备

1.1 主要技术指标

平面坐标系采用2000国家大地坐标系(CGCS2000)，投影方式为高斯-克吕格投影，分带方式为3°分带，中央经线117°。

DOM 成果应无明显拼接痕迹并保证建筑物等实体的影像完整，影像色彩应接近真实自然，纹理应清晰、无明显失真。

1.2 仪器设备

本文使用的主要仪器设备及软件系统主要有PC-6飞机、DMCIII航摄仪、 Inpho、GEOWAY CIPS、Pixel Factory等。详见表1。

表1 主要设备与软件

2 技术路线及工艺流程

图1 航空图像采集和处理流程图Fig.1 Flowchart of the acquisition and processing of aerial images

3 DEM 优化研究

试验证明DEM的质量是决定数字正射影像质量的重要因素之一，DEM优化质量的好坏直接影响DOM精度。 因此，在生产中对DEM编辑工序必须投入较大精力，在保证DOM的精度质量的前提下提高DEM编辑效率。

3.1 DEM难点分析

滨州市地势南高北低，大致上由西南向东北倾斜，渐次过渡到大海。小清河以南的邹平南部属丘陵区，地势高峻，其余均为山前倾斜平原，地势平缓，海拔高程一般在8～800 m。小清河以北为黄河冲积平原，海拔高程一般在1～20 m，总体上地势低平，呈现出滨州地区整体地貌较平坦但局部地势高峻的地貌特征。因此，滨州项目存在以下难点问题，影响DEM的精度。

(1)滨州城区内高层建筑物多，航摄影像在航向重叠约60%左右，旁向重叠约30%左右。此类重叠度在DSM密集匹配时高层建筑物会存在匹配漏洞，导致此类建筑物在点云形态与建筑物形态匹配度不吻合，在对建筑物滤波时会存在漏滤现象。

滨州市周边存在大量的工业园区，部分工业园区厂房较大，厂房内露天设施外型复杂。对于人工构筑物较大及造型较为复杂等情况，点云滤波参数不宜设置过大，防止滤波时地貌特征损失过多。

(2)滨州市整体地势较为平坦，基本以平原为主，但最南边邹平市存在丘陵地貌。对于此类多种地貌特征采用同一过滤参数效果不佳。

滨州市整体以平原为主，航摄时间为2020年4月—6月，测区内存在大面积的小麦种植区。测区北部沿海存在大量盐田、海水养殖场等，大片纹理类似地物在DSM匹配时会存在大量的错误匹配点，这些错误点在滤波时影响滤波效果。

(3)集群系统在密集匹配时可能会产生噪声高点或低点，而自动滤波只能有效过滤约80%的非地面点，其余非地面点需人工过滤。

3.2 DEM生产流程

对原始航空影像数据进行空三加密，然后将空三加密成果导入到GEOWAY CIPS、Pixel Factory集群式影像处理系统中，在集群中采用逐像素密集匹配同名点的方式进行数字地表模型(digital surface model，DSM)提取,然后经DSM滤波、DSM矢量化、DEM编辑等工序，制作数字高程模型DEM。

(1)DSM匹配及滤波：利用空三成果，生成立体模型，对立体模型进行核线影像密集匹配生成DSM，对DSM进行植被及建筑物滤波，去除植被及房屋等处的点云。

(2)DSM矢量化：经过滤波的DSM进行构TIN重采样，生成DEM过程数据，再生成单片正射影像，用于后续编辑。

(3)DEM编辑：对单片正射影像进行变形检查，对相应位置的DEM数据进行编辑处理。除去滤波过程未过滤掉的高程异常值。

3.3 试验结果分析

在滤波前根据地貌地物特征，将不同地貌及地物区域分开。如将平地与丘陵地区分开，各自调整过滤参数进行过滤。滤波参数将最大建筑物长度、最大地表高差、迭代距离、是否进行山脊填补设为关键参数值。其中平地过滤参数中的建筑物长度可适当放宽，默认参数为60 m，可根据测区实际建筑长度及宽度调整至120 m，丘陵地区建筑物长度可适当调小至40 m，即该测区如果平地有建筑物长度超过120 m，丘陵地区有超过40 m的建筑，将不会进行过滤；最大地表高差默认参数为1.2 m，平地调整至0.6 m，丘陵调整至1.4 m，地表高差是判断地形起伏程度的参数，平地变化小，丘陵地变化大；迭代距离默认参数为1.8 m，平地可调整至0.8 m，丘陵调整至1.2 m，该参数主要是配合地表高差参数，形成滤波窗口尺寸；滤波时有时会将比较平坦的山脊过滤掉。平地无山脊，不进行山脊填补。将滨州市邹平区单独分开，采用丘陵地区的滤波参数进行过滤，其余区域采用平地滤波参数过滤。同理将城区有大量高层建筑的区域与周边乡镇及农村区域分开滤波。

滤波参数过滤效果成功率约在80%左右，滤波后仍有较多的高程异常值需要处理。针对这种情况，为减小人工干预工作量，将平地区域与丘陵区域分开。平地经滤波后，采用比较大的平滑窗口，对整体地形进行平滑处理，可获得较好的平滑结果，同时能避免一些地物轻微变形,见图2。丘陵地区采用较小的平滑窗口，以免平滑损失过多的地形信息，从而影响后续正射影像纠正精度。针对不同地貌特征采用合理的平滑优化，可极大程度减少异常高程值引起的地物变形，节省大量人工编辑工作量。

图2 建筑物变形修正Fig.2 Building deformation correction

全自动化处理时不可避免会存留部分粗差，采用人机交互的方式对DEM过程数据进行编辑，解决建筑物扭曲变形、地形地貌失真等问题。设置平地参数处理后的地区有可能造成山头缺失，需要人工添加匹配点；大面积水域可手工沿水域的边缘选择编辑区域，输入水面高程，用平面拟合算法进行平滑处理；将异常错误的点云手动人工删除，手动添加缺失的特征点，使高程网准确贴合地面。

4 DOM匀色优化研究

4.1 DOM难点问题分析

滨州测区航摄分区6个，原始航摄数据量大小为3.4 TB。航摄时间跨度为2020年4月中旬至6月底。测区南北狭长，整体为平原地貌，且北临渤海湾。滨州地区4月至5月份以晴朗天气为主，6月份天气逐渐向多云多雾变化。以上情况会导致下列问题。

(1)因航摄时间跨度较长，地表植被覆盖生长情况差异明显，造成各架次影像色调严重不一致，在影像镶嵌时不同架次接边处相同地物、植被存在不同的色彩及纹理特征，影响影像接边质量及效果。

(2)测区北部临渤海海域，存在大面积盐池及海水养殖场，水面整体反光严重，局部存在因强反光产生的曝光现象，影响水体图面效果。

(3)部分架次影像存在轻度雾气，整体视觉通透性差，影像噪点多，地物纹理表现力差。

4.2 DOM制作流程

基于制作完成的DEM成果和空三加密成果，进行单片正射纠正、匀光匀色、镶嵌、图面修复等工序，制作DOM。

(1)单片纠正：利用DEM成果和空三加密成果对滨州原始航摄影像进行逐片微分正射校正。

(2)匀光匀色：调整滨州测区较为合适的匀色模板，对因跨时相、跨架次、天气等引起的颜色差异基于纠正后的单片正射影像采用匀色模板进行匀光匀色处理，使所有单片影像颜色趋于一致。

(3)影像镶嵌：对匀色后的正射影像自动化镶嵌处理，对镶嵌线切割各类线状地物、建筑物造成明显错位等问题进行人工镶嵌线编辑，使影像各要素完整、拼接痕迹不明显、纹理清晰、城区高层建筑物投影方向一致，避免建(构)筑物相互压盖、交错、反向等现象。

(4)图面修复：对标准分幅影像成果进行人工检查，对因DEM编辑不当造成的影像变形问题以及其他各类图面问题进行修复。

4.3 试验结果分析

首先利用GEOWAY CIPS 对测区所有单片先进行第一次匀色处理，使每张影像的色彩色调趋于一致。然后将匀色后的单片导入到Pixel Factory中进行镶嵌和二次匀色，提高了影像成果的质量和显示效果，方法如下。

(1)合理选择匀色模板。时相或影像质量一致或接近的为一组，采用同一匀色模板；存在轻度雾气的数据选出几张典型影像，微调匀色模板测试匀色效果直至影像地物纹理清晰、层次分明、色彩均衡一致、直方图基本呈正态分布为止，然后用调试好的匀色模板对所有轻度雾气影像进行匀色；大面积水域反光或有曝光现象的影像降低匀色模板亮度后进行匀色。

(2)在Pixel Factory中编辑镶嵌线，使其沿块状或线状地物的边沿，避免切割同一地物，同时设置合理的羽化参数，过渡镶嵌效果，此步骤可进一步优化基于第一步匀色后的影像匀色效果；对于大面积盐池和水域反光，尽量将镶嵌线从盐池或养殖场的堤岸处过渡，避免镶嵌线切割水面，造成阴阳水面。

(3)镶嵌线编辑完毕后将整个滨州测区导出一个低分辨率、数据量小的镶嵌影像模板，在Photoshop图像处理软件对其调整色彩色调，然后将其重新导入至Pixel Factory中，将其颜色以地理映射的方式应用于全局，以小带大的方式获得整个测区最佳匀色效果,见图3。

图3 测区匀色前和匀色后Fig.3 Before and after image uniformity of testing zone

镶嵌线沿街道、公路、河流线状地物进行编辑，尽量避免镶嵌线从线状地物中间穿过分割建筑物、山脊等，使影像镶嵌后色彩自然合理、地物完整。

4 结论

本文采用较先进的技术方案，利用集群式影像处理系统，针对正射影像生产流程中对精度及效果影响较大的DEM编辑及影像匀光匀色关键性技术进行研究，得出了如下结论：

(1)DEM编辑处理中采用按地貌类别分区滤波、合理使用平滑优化参数、人机交互编辑等方法，在保证DEM质量的同时最大化自动化处理，减少了大量人工干预环节，节省人力成本和时间。处理后的DEM成果平面精度及高程精度满足后续DOM生产要求，即无明显高程异常值，地形表述与实际地形一致，为后续生产提供了质量较优的DEM数据。

(2) DOM处理中的影像匀光匀色环节按照影像质量合理使用不同的匀色模板进行初次匀色，根据测区地物合理编辑镶嵌线及羽化效果，采用地理映射的方式对整测区进行二次匀色。匀色后的影像地物细节清晰，反差适中，层次分明，色彩均衡，镶嵌线两侧和相邻影像色调应基本一致。

通过以上试验方法制作完成DOM，平面精度及色彩纹理质量均达到了预期的0.2 m分辨率的标准要求。试验方法合理有效，基于目前市面最先进的集群式影像处理系统，进一步提升生产了DEM编辑自动化程度、减少了人工干预；匀光匀色消除因原始影像引起的质量问题，形成一套快速规模化数字正射影像处理方案，能有效指导后续此类项目的生产工作。