浅谈基于全数字摄影测量系统VirtuoZo制作DOM

摘　要：数字正射影像图大规模的制作与应用是“数字城市”发展的必然趋势，现已为正在建设中的“数字城市”提供了有力的信息支持和保障。本文介绍了运用VirtuoZo软件制作数字正射影像图的生产工艺流程及质量控制方法。采用上述方法制作正射影像已经在生产实践中得到了验证，它既能够保证产品精度又能够提高生产效率。

关键词：数字城市； 信息； 工艺
20世纪80年代初，我国许多城市都开展了利用航空摄影测量技术测制城市大比例尺地形图的生产应用，随着国家经济建设的发展，用于城市规划、建设和管理的城市大比例尺数字正射影像图(DOM)需求量增多，且对其现势性要求也日益提高。在测绘生产中常用的影像资料有航空像片、MO-DIS影像和SPOT影像等，这些影像是通过航空摄影或遥感卫星获取的。数字正射影像图制作是通过在像对上量测一些地面控制点，并运用数字摄影测量工作站生成该像对范围内的数字高程模型(DEM)，然后对影像进行倾斜误差改正和投影误差改正，从而生成各单模型的数字正射影像图。然后将多个数字正射影像拼接在一起，并进行图像匀光处理后，按照一定范围裁切出来的影像就是数字正射影像图。
　　随着社会的进步，计算机技术和数字图像处理技术的发展，摄影测量已由原先的模拟摄影测量和解析摄影测量，发展到今天的数字摄影测量。在数字摄影测量中，计算机不但能完成大多数摄影测量工作、节省人力，而且借助模式识别理论，实现了目标的自动或半自动识别(如识别框标和识别同名点等)和提取，从而大大地提高了摄影测量的自动化能力。数字摄影测量技术的普及，早期是以VirtuoZo、JX-4A为代表，逐步发展到VirtuoZo3.24、 VirtuoZo3.5、 VirtuoZo3.75等等。数字摄影测量系统的大面积推广，为以摄影测量为主要手段的我国测绘业带来了一场革命性变化。
　　数字正射影像图简称DOM，是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片或遥感影像，经过逐像元进行处理再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。数字正射影像图和通常我们所接触的地图一样，不存在变形，它是地面上的信息在影像图上真实客观的反映，但是所包含的信息远比普通地形图丰富，而且其可读性更强。如果在数字正射影像图上加上一些符号以表示不易看到的地物或者抽象的信息(包括各种独立地物、电力线、管线以及等高线和高程)，这种产品将更受广大用图者的欢迎。数字正射影像图的应用十分广泛，在土地管理、城市建设与规划、林业、农牧业、旅游、环境保护、水文水资源等行业用来作土地详查、城市变迁、资源调查、环境监测的原始资料；它还是很多测绘新产品的基础数据，如城市三维模型、立体景观地图、计算机动画、计算机仿真、虚拟现实、数字影像库等。现阶段生成DOM的方式有多种：单片微分纠正、全数字摄影测量系统等等。他们在工作原理上基本一样，都是通过DEM和原始扫描影像来生成正射影像的。而今我们主要用到的是全数字摄影测量系统生成DOM。
　　利用VirtuoZo数字摄影测量工作站制作DOM的基本作业流程如下：
　　
　　图1　DOM制作流程总图
　　一、数据准备
　　1.测区资料分析：包括飞行质量和影像质量分析。
　　2.测区资料准备
　　(1)扫描数字影像：扫描分辨率为25μm，以无压缩的TIFF格式存储。扫描后影像应反差适中、色调饱满、全幅影像及框标清晰。
　　(2)影像匀色：进行色阶调整，计算机对图像样本量化为256级，经过比较试验，将灰度输出定义在30-225之间，既满足作业员观测要求又较少丢失影像信息。把经纠正镶嵌后生成的正射影像图色阶再调为0-255，提高影像清晰度同时保证色调统一均衡。对于单张影像调整，应用“直方图”功能,对于不同明暗区域进行量测，应用“曲线”调整方法。对相片之间(包括航向、旁向、测区)应相互比较、互为参照，可对局部同名区进行直方图量测，对比其灰度分布形态、中间值和平均值，若差异较大需再调整，直到满足灰度过渡的要求。
　　(3)测区文件：相机文件，控制点文件，航片索引图，摄线、航片元数据文件。
　　二、外业控制测量
　　三、解析空三加密解算
　　四、全数字摄影测量的“三定向”
　　(1)内定向：利用框标检校坐标与定位坐标，得到扫描坐标系与像片坐标系间的变换关系。
　　(2)相对定向：恢复构成立体像对的两张像片的相对方位，建立被摄物体的立体模型。
　　(3)绝对定向：由人工立体观测在左右影像上定位控制点，建立起影像平面坐标系和大地坐标系的对应关系。
　　五、按核线方向排列生成核线影像
　　同名像点必然位于同名核线上，经过核线排列生成的核线影像在立体观测时必然没有上下视差。基于正射影像的制作我们一般生成水平的核线，以保证DOM的质量。
　　六、影像匹配预处理
　　测区地形有起伏，为了减小由于地形起伏而引起的数字正射影像局部变形，提高数字正射影像图的精度，需要根据地形特征提取一些必要的特征点、线或面(如道路、山谷、陡坎、山脊等)，从而控制DEM的匹配精度，保证数字正射影像图的制作精度。在进行特征提取时，高程要严格切准地面，特征线节点均匀、不能交叉，坎上、坎下节点对称；对于树木房屋密集地区用非相关区域线采集。非相关区域线切准地面且区域线内的高差不能相差过大，以免影响影像的匹配精度；有流向的河流水面特征线采集与一般特征线相同，但所采集的高程变化应与河流流向一致，因为水往低处流；水塘、湖泊等水面高程一致时，可以先量测水面高程然后锁定高程采集水面特征线，这样可以保证水面的水平。若不一致时应先确定水面平均高程面，然后再锁定高程进行特征线采集。以后的处理，如影像匹配、等高线编辑等，都将在核线影像上进行。按照参数设置确定的匹配窗口大小和匹配间隔，沿核线进行影像匹配确定同名点。根据地形对模型进行编辑，编辑后需保证等值线贴于地表。
　　七、DEM生成
　　数字地面高程模型(DEM)是制作正射影像的基础。在影像匹配编辑后可生成DEM，然后根据影像匹配的效果调用DEMMaker进行DEM编辑。
　　DEM的格网间距一般选在20-50 m之间比较合适，不但能反映地物的变化，也能忽略某些地物的影响(例如：城市的房屋建筑物较多，如果格网间距太小可会引起房屋建筑物的变形，增加了编辑的工作量。)特征影像采集的范围不得超过加密点的连线外20 m，特征要素的采集以图幅为单位存 储，采集范围为图幅内图廓范围外扩10 m。
　　利用采集的特征影像或矢量图构TIN，生成图幅物方中格网DEM。用DEMMaker的编辑命令漫游检查DEM点与每个模型的吻合情况，对DEM点与模型不吻合的区域增加特征点、特征线和特征面，使每个格网点都贴近地表。对图幅内每个模型格网点检查合格后即可导出图幅特征要素文件。
　　八、DOM生成
　　数字正射影像图(DOM)是利用数字高程模型(DEM)数据，运用数字微分纠正技术，对影像进行像片纠正从而消除影像的投影误差而获得。航片纠正范围应在定向点以内。最大范围不应超过像片上控制点连线外20 m。
　　一幅标准图幅DOM地图，需多个像对的正射影像进行拼接镶嵌。由于影像摄影角度不同而造成同名地物的影像灰度不同，使得接边复杂程度远大于线划图接边。接边时不仅要满足地物空间坐标的精度，而且要保证接边地区同名地物的影像灰度一致。对城区影像处理时，由于城区地物多且对高大建筑无DEM的改正，因此必须全部采用手工拼接。选取拼接线时取近似直线的平滑曲线效果最好，避免取小角度折线。而且尽量避开高大建筑物，对无法消除的拼接缺损应用单模型正射影像进行修补。在正射影像接边时也许要对接边区域进行影像匀色，方法与上述相同。
　　九、成果检查与验收
　　1.影像扫描质量：扫描分辨率是否正确，文件命名是否正确，地图影像线划是否清晰。
　　2.正射影像图平面精度、接边和色度检查：正射影像图平面精度是否符合要求，影像图接边精度是否符合限差要求，相邻图幅影像色调一致性，接边处影像清晰度。
　　十、结语
　　本文介绍了运用VirtuoZo软件制作数字正射影像图的生产工艺流程及质量控制方法。采用上述方法制作正射影像已经在生产实践中得到了验证，它既能够保证产品精度又能够提高生产效率。数字正射影像图大规模的制作与应用是“数字城市”发展的必然趋势，为正在建设中的“数字城市”提供有力的信息支持和信息保障。经过不断的努力，我国在数字化正射影像方面有了突飞猛进的发展，这必将带动我国的经济建设更上一级新台阶。
参考文献:
[1] 王国明，吕德风，吴淑清.基于VirtuoZo数字摄影测量系统的正射影像制作[J].测绘工程, 2000, 9(4): 49-51.
[2] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1996.