2004年6月第15卷第3期装备指挥技术学院学报
Journal of the Academy of Equipment Command &Technology J une 2004Vol.15 No 13
收稿日期:2003206212
基金项目:国家高技术发展计划项目 作者简介:廖学军(1969-),男(汉族),四川双流人,副教授,硕士研究生.
一种无精确地面控制点的航空影像处理方案
廖学军1, 张 赢2
(1.装备指挥技术学院试验指挥系,北京101416; 2.装备指挥技术学院研究生部,北京101416)
摘 要:针对未布设精确地面控制点区域航空遥感影像数据处理困难的问
题,提出了一套包括色彩拉伸,通过从大比例尺地方坐标矢量地图上量算获得控制点参数的方法,进行航空影像的正射校正、羽化镶嵌、影像的地理坐标编码转换、标准投影变换等流程的航空遥感影像数据处理方案。实践证明,该方案工程实现容易、数据处理精度符合应用要求、技术上可行。
关 键 词:航空影像;地面控制点;正射校正;投影变换
中图分类号:TP 75
文献标识码:A 文章编号:CN1123987(2004)0320065205
A Data Proce ssing Scheme of Airphoto with No Ground Control Points
L IAO Xue 2jun 1, ZHAN G Y ing 2
(1.Department of Test Commanding ,the Academy of Equipment Command &Technology ,Beijing 101416,China ;2.Department of Postgraduate ,the Academy of Equipment Command &Technology ,Beijing 101416,China )
Abstract :To the difficulty in data processing of no accurate ground control points (GCPs )regions ,the paper presents a sound scheme of airphoto data processing including color stretching ,airphotoes orthorecti 2fying through obtaining GCPs measured in huge scale vector maps ,mosaicking with feathering ,images georeferenced codes transfer ,map projection converting ,and so on.Practices have proved that it is easy to realize the scheme and the data processing precision is adapted to application requirement and the scheme is feasible technically.
Key words :airphoto ;ground control point ;orthorectification ;map projection converting
随着航空航天及信息获取技术的发展,遥感
影像的获取已不再是难题,但将遥感数据转化为有效信息的信息处理技术还有很大的发展空间。航空遥感数据因具有高分辨率、高质量、真彩色、连续区域等特点,使其成为测绘、“数字城市”建立、高度真实感视景地形环境仿真等应用领域的重要数据资源。这些应用的基础,都是通过航空影像数据处理获得的包括高质量的正射影像和通过立体像对获得的高精度DEM (数字高程模型)数据,而这2项数据处理又都需要高精度、均匀分
布的地面控制点。由于需要野外作业,地面控制
点布设的工作量和难度都非常大,甚至有的区域根本无法进行,从而造成已获得的航空影像资料,因缺乏地面控制点使数据处理困难而无法使用的现象。本文针对该问题进行了无精确地面控制点航空影像数据处理技术的研究。
1 数据处理方案
1.1 数据处理目标
本文研究的背景是:某区域内航摄胶片扫描
后的数字航空影像百余幅,其中,城区布设了地面
控制点,而大部分郊区未布设地面控制点。要求经过数字图像处理后,将它们作为真实感三维地形仿真中的高精度纹理图片。为此,影像数据处理的目标是通过对影像进行正射投影、镶嵌和标准投影地理编码变换等处理变化后,得到一整幅具有经纬度地理编码、平滑连续的数字图像。1.2 数据处理流程
原始航摄胶片由于存在因摄像倾斜和地形起伏引起的像点位移等几何变形,扫描后的数字影像必须经正射投影处理消除几何变形后,才具有使用价值,且影像间也才能准确无缝拼接。根据
航空摄影测量理论,对航空影像进行正射处理需要有高精度的地面控制点,且控制点的质量是数据处理成败的关键,故对航空影像的正射投影处理首先要建立地面控制点库。
由于地面控制点库中控制点参数是某地方参考坐标系下的相对值,故利用地面控制点库对航空影像进行正射校正后,得到的正射影像只是去掉了像点间的相对误差,还要对影像进行从地方坐标系到标准投影坐标系的转换工作,以去掉影像的绝对误差。
为此,制定航空影像数据处理流程[1],如图1所示
。
图1 航空遥感影像数据处理流程
1.3 流程描述
上述数据处理中使用到了ENV I 、PCI 遥感图像处理工具软件及Arc GIS 、mapgis 地理信息系
统平台软件。下面对各个数据处理步骤的方法及要点进行详述。1.3.1 色彩拉伸
由于航摄像机的色彩偏差、摄像时日照差异或胶片扫描时失真等原因,使得航摄影像的色彩与人自然目视下景物的色彩出现不一致,需要对影像进行色彩拉伸处理。方法是:以区域中心某航片目视效果最佳(最符合自然景观色彩)进行色彩拉伸,其余各航片再以它为基准进行同样尺度拉伸。这样保证下一步影像镶嵌拼接时整个区域色彩的平滑。因航摄影像一般质量较好、清晰度较高,不需要进行复杂的彩色增强变化,对红、绿、蓝3个波段分别进行简单的线性对比度拉伸,即可达到调整影像色彩偏差的目的。1.3.2 地面控制点库建立
地面控制点库的内容包括:地面控制点的位
置和高程值及地面控制点与影像中相应点的对应
关系。其中,因控制点的绝对地理位置和绝对高程精度并不影响正射处理的质量,地面控制点的位置和高程可以是精度高的相对位置和相对高程。本文地面控制点库的建立通过2个渠道:一是对已布设地面控制点的区域,直接利用这些控制点参数入库,但由于用途及保密等原因,这些控制点的参数往往是某地方参考坐标系下的相对值;二是对未布设地面控制点的区域,通过从大比例尺的矢量数字地图中量算获得控制点参数的方法建库。
对从矢量数字地图中量算控制点参数的建库方法,为保证影像正射处理的精度,需注意下面几方面内容:
1)所选矢量图的比例尺应大于或等于航空影像的比例尺。航空影像比例尺一般为1∶1000到1∶30000,国家和测绘局几乎都未存档有如此大比例尺的矢量数字地图,甚至纸质图,而省市地方测绘局或城市规划局通常有辖区内的大比
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2)控制点的选取。控制点通常选择为影像和矢量数字地图中都清晰的道路间交汇、道路河流交汇、突出地物等能准确定位的特别点。
3)控制点数量与分布。影像正射处理中地面控制点的用途是需要它来计算待处理影像精确的外方位元素。理论上,根据航片共线方程解算影像的6个外方位元素(包括:3个描述摄影中心空间位置的元素和3个表达影像面空间姿态的角元素),只需知道准确的3个不共线的地面控制点参数和相应的像点坐标。但由于矢量数字地图本身有一定的误差,使通过矢量数字地图量算获得的每个地面控制点参数并不准确。为消除此误差,实际工程中往往采集3个以上的地面控制点,再用最小二乘平差的方法,解算得到影像精确的外方位元素。一般单幅影像控制点的数量达到15个点左右且分布均匀,则计算得到的外方位元素准确、影像正射处理的效果较满意。另外,由于对冗余地面控制点,用最小二乘平差的方法解算影像的外方位元素,为控制影像间拼接镶嵌的误差,需要在相邻影像的重叠区域内分布一定数量(2个点以上)的公用控制点。
1.3.3 正射校正
正射校正是根据航摄影像满足中心投影构像方程(共线方程)的特点消除因相机安装、航摄平台偏转倾斜、地形起伏等引起的像点位移,使航摄影像如平行正射投影的地图一样反映准确的地形地貌几何形状并可精确量算。通用遥感图像处理软件都具有航空影像正射投影校正处理功能。航空影像正射投影处理需获得影像的内、外方位元素和影像区域的高程信息(DEM数据)。其中,影像内方位元素通过查询航摄像机标校的焦距、安装误差等参数并配合影像框标控制点位置计算出,影像外方位元素需从精确的地面控制点及相应像点坐标中计算出,地面控制点参数从前面建立的地面控制点库查询、对应像点坐标用遥感处理软件直接量取。
正射校正需要的DEM数据可通过航片立体像对处理、矢量地图等高线提取和已有DEM数据加密插值的方式等多种渠道获得。本文采用从矢量地图等高线加密插值的方法提取DEM数据。为保证提取DEM数据的精度,矢量地图中高程控制点的资料,也必须加入同等高线一起进行DEM数据的提取计算,而DEM网格的间距约为航空影像分辨率的10倍较佳。相对其他DEM数据获取方法,该方法原始数据资料获取容易、易操作实现,而且得到DEM数据的精度和坐标系与控制点的保持一致,不需要进行附加的坐标转换、数据重采样等处理。
经过正射校正处理后的正射影像去掉了单幅原始影像内像点间的相对误差,使影像内像元分辨率保持了一致(如0.2m),对每幅影像都采用同样的采样间隔进行正射校正处理后,影像间可以进行拼接镶嵌。
1.3.4 羽化拼接镶嵌
由于航片的覆盖范围有限(一般小于5×5km2),需要数据区域往往远大于单幅航片范围,必须对单幅航片进行拼接镶嵌,才能得到更大范围的影像数据。由于布设地面控制点参数和从矢量数字地图中量算的地面控制点参数的地方参考坐标系定义不一致,使经正射校正处理后,正射影像的地理编码基准也不一致。对这些正射影像的拼接镶嵌可采用如下方案:
1)先对相同地理编码基准的影像进行拼接,可采用基于地理编码镶嵌的影像拼接方式,将它们拼接成2幅(或多幅)较大的影像;
2)再对不同地理编码基准的大幅影像进行拼接,由于影像内像元分辨率一致,可采用基于特征的影像拼接方法进行影像的拼接,最终将覆盖区域内的全部影像拼接成一整幅影像。
由于正射处理中地面控制点和DEM数据都有一定的误差,致使正射影像间的接边还不能完全严密重合,表现出同一条公路在相邻2幅影像上有一定错位等现象,为消除拼接2幅影像间目视明显的错位和色调的差异,上述的影像拼接镶嵌都需要采用羽化技术。
1.3.5 坐标编码转换
通过上述羽化镶嵌已经得到一整幅覆盖要求区域、色调一致的数字影像,但其地理参考是某种地方坐标系,还必须进行影像的地理坐标编码变化,将它从地方坐标系编码的影像转换为通用标准投影地理编码的影像(相当于去掉绝对误差),如高斯2克吕格、U TM等坐标编码的影像。由于地方坐标系采用的投影类型和投影参数都未知,导致两者间不可能进行严密数学公式的坐标转化运算,本文采用了一种简便的方法,实现了两者影像坐标系的转换。
该简便影像坐标系转换的原理是:对某局部区域(如经、纬差都小于1.5°范围),地方坐标系
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第3期 廖学军,等:一种无精确地面控制点的航空影像处理方案
采用的投影与高斯、U TM 等标准投影一样都要
保持很小的地物变形,可以认为地方投影与标准投影对该区域地物的变形基本上一致。这样,2个坐标系间就仅存在绕坐标轴旋转和原点平移的差异,只要找到坐标系间旋转和原点平移参数就可以简单地实现2个坐标系间影像的转换。
以工程中某区域经过正射校正和镶嵌后、分辨率为0.2m 的一幅航空影像为例,详述影像从地方坐标编码到高斯投影坐标编码转换的过程。主要包括旋转参数计算及影像旋转和原点平移参数计算及影像原点平移2个步骤:
1)旋转参数计算及影像旋转
首先需要得到包括影像范围的较小比例尺的矢量数字地图(可从国家或测绘局领取,也可以在纸图上直接量算,本文矢量地图的比例尺为1∶10万),而且矢量数字地图的比例尺越接近影像的比例尺影像坐标转换的误差越小,并用地理信息系统平台软件将矢量地图转换为高斯投影坐标系。然后,在整幅影像中找到距离尽可能远(距离长可减少积累误差)的2个明显识别点,如影像右上角和左下角的公路或河流交汇点A 和B ,如图2所示;同时,在矢量数字地图也找到对应的2点A ′和B ′,如图3所示
。
图2 影像坐标系 图3 矢量图高斯投影坐标系
分别量算这2个点相应的影像坐标值和高斯坐标值。其中,影像坐标为影像的行和列(I ,J ),可直接用影像显示软件量算得到,如A 点的影像坐标(I A ,J A )为(165698,6884)、B 点的影像坐标(I B ,J B )为(2703,145673);高斯坐标值可用地理信息系统平台软件直接量取,如A ′点的高斯
坐标(X A ,Y A )为(4431621.4,462686.4)、B ′
点的高斯坐标(X B ,Y B )为(4404108.5,429908.3)。
为此,有下列结果[2]
α=arctg [(X A -X B )/(Y A -Y B )]= arctg [27512.9/32778.1]= 40.0082463°β=arctg [(J B -J A )・0.2/(I A -I B )・ 0.2]=arctg[27757.8/32599]= 40.414141195°
α-β=-0.405158732
° 这样,影像的影像坐标系相对于标准高斯投影坐标系逆时针旋转了0.405158732°,由于经过前面的正射处理后影像的坐标轴与地方坐标系的坐标轴是平行一致的,从而地方坐标系影像转换到高斯投影坐标系影像,首先就必须将整个影像正时针旋转0.405158732°,使新影像坐标系与高斯投影坐标系平行一致。
通用的遥感图像处理工具软件都可实现影像
的旋转,旋转时可采用双线性内插的重采样方法,以保持影像较小的失真。
2)原点平移参数计算及影像原点平移
在影像分辨率固定且影像坐标系与高斯投影坐标系平行一致的前提下,只要找到影像原点在高斯投影坐标系下的坐标值,即可实现影像上任意一点在高斯投影坐标系下的定位,不用再计算影像在地方坐标系和高斯投影坐标系下的原点平移参数。
在经过上述旋转处理后,影像上有任意某特征点C ,其影像坐标为(I C ,J C )(17974,3299),对应矢量地图上的点为C ′,其高斯坐标为(X C ,Y C )(4432571.1,433121.24)。设影像原点即左上角点(1,1)对应的高斯坐标为(X 0,Y 0),由于影像旋转重采样时保持了影像的分辨率不变,仍为0.2m ,所以有下式成立[3]:
X C =X 0+(J C -1)・0.2,
Y C =Y 0-(I C -1)・0.2
故
X 0=X C -(J C -1)・0.2=4433230.7Y 0=Y C +(I C -1)・0.2=429526.
这样,通过修改影像相应的G eo TIFF 头文件
就完成了地方坐标编码影像到标准高斯投影编码
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0.2000;影像行方向(高斯投影Y轴方向)采样间隔0.2m
0.0000
0.0000
-0.2000;影像列方向(高斯投影X轴方向)采样间隔0.2m
429526.00;影像左上角点的高斯投影Y坐标
4433230.7000;影像左上角点的高斯投影X坐标
1.3.6 标准投影编码影像转换
因应用需求不同,可能最终需要得到的是其他标准投影的影像数据,这就需要进行影像的投影转换。ENV I、PCI等工具软件都提供了影像投影转换的功能[4]。本文进行了上述高斯投影影像转换为经纬坐标影像的工作。影像投影转换时需要正确输入有关的影像输入输出投影类型、重采样方式、采样间隔、影像范围等参数。由于中、高纬度地区经纬投影的变形很大,当影像转换为经纬坐标系影像时,需要特别注意选择合适的输出影像采样间隔。当要求经度和纬度方向间隔一样时,若要保持经度方向无精度损失,但会使纬度方向出现放大失真且输出影像文件成倍增大;若要保持纬度方向无精度损失,则需设置较大的采样间隔,则经度方向出现缩小失真,降低了原始影像的分辨率。
2 误差分析
纵观整个影像处理方案,存在误差的疑点有2处:一是从矢量数字地图上量取的控制点精度不高,会带来影像正射校正误差;二是通过影像旋转和原点平移的简便方法进行影像坐标编码转换,即地方投影到标准投影转换带来的误差。
1)影像正射校正误差。影像正射校正误差主要与控制点数量、分布、精度及DEM数据的采样间隔、精度有关。本文用1∶5000比例尺的地方坐标系矢量数字地图量算控制点参数的方法进行分辨率约0.2m航空影像的正射校正,由于每幅影像正射校正时采集了冗余的控制点,并用最小二乘平差技术,使正射校正处理的精度保持较高,效果比较满意。通过影像间拼接镶嵌的实践表明,正射处理误差不超过5个像元(约1m),当采用羽化镶嵌技术后,最终的整幅影像目视分辨不出拼接误差。
2)影像坐标编码转换简便方法误差。由于影像旋转重采样时采样间隔保持不变,分辨率仍为0.2m,故影像旋转处理后影像的相对误差很小,绝对误差由旋转角度和原点平移误差决定,这2个参数的误差主要取决于对应于影像的矢量图上2个地物点的精度。可通过在转换为高斯投影编码的影像上进行随机抽点量算,并与矢量数字地图量算结果进行对比检测的方法进行误差统计,如在矢量地图上量算某点坐标为(439606.9, 4426823.2),对应影像上该点坐标为(439611.6,4426815.5)。实际工程中,经过统计表明:用该简便方法进行影像坐标编码转换后,横纵坐标误差都小于20m。
3 结 论
经过实践,证明该方案工程实现容易、数据处理结果精度有保证,技术上可行。可以得出2点结论:
1)方案具有通用性。我国大中城市普遍都有高精度地方坐标的数字地图资源,采用通过在大比例尺地方坐标的地图上量算获得控制点参数的方法进行航空影像的正射校正,再将地方坐标编码的影像转换为标准投影编码的影像的数据处理方案,能提高宝贵航空摄像资源的利用率。
2)方案也有一定的。若矢量地图资料较旧或自身精度较低,会出现控制点选取困难和控制点精度较差,致使结果影像精度降低的现象。
参考文献 (R eferences)
[1]李德仁,周月琴,金为铣.摄影测量与遥感概论[M].北京:测
绘出版社,2001.
[2]徐 青,龚志辉.航空摄影测量学[M].郑州:信息工程大学
测绘学院,1999.
[3]吴忠性,杨启和.数学制图学原理[M].北京:测绘出版社,
1990.
[4]Research Systems Inc.ENVI用户指南[EB/OL].http://
www.Research Systems.Com/ENVI,2001209215.
(责任编校:李江涛)
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