于建濤，李雪萍

（河南省中緯測繪規(guī)劃信息工程有限公司，河南 焦作 454002）

0 引言

數(shù)字正射影像（DigitalOrthophotoMap，簡稱DOM）是以像元為基礎(chǔ)，把航空攝影影像數(shù)據(jù)糾正到數(shù)字地面模型上，消除航攝像片傾斜誤差和地形起伏引起的投影差，再經(jīng)過鑲嵌、切割，從而直接得到的一種新型數(shù)字測繪產(chǎn)品。 它具有信息性、時效性、直觀性、連續(xù)性（一定歷史時期的影像連續(xù)反映）、時間性、現(xiàn)勢性等特點，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地管理、環(huán)境分析、綠地調(diào)查和地籍測量等方面。

機載激光雷達（Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR）是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)。 LiDAR 系統(tǒng)可以通過掃描裝置，沿航線獲取高精度、高密度的三維坐標數(shù)據(jù)，從而快速生成高精度的數(shù)字正射影像，也可以在數(shù)字正射影像上進行各種專題地圖和對地形圖的更新應(yīng)用。 筆者試結(jié)合2007 年在舟山機場附近進行的908 海島海岸帶調(diào)查， 對應(yīng)用LiDAR 技術(shù)獲取DOM 的方法進行探討。

1 利用LiDAR 系統(tǒng)時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 航攝的基本情況

2007 年，在舟山機場附近進行的908 海島海岸帶調(diào)查的數(shù)據(jù)獲取區(qū)域面積為16 km2，所用相機為4K×5K 大面陣彩色CCD 數(shù)碼相機，相機焦距40 mm。其他主要航空遙感數(shù)據(jù)如表1 所示。

1.2 采集的數(shù)據(jù)類型

此次航攝所采集的數(shù)據(jù)有IPAS 數(shù)據(jù)、GPS 基站數(shù)據(jù)、LiDAR 數(shù)據(jù)以及航空影像數(shù)據(jù)。

2 LiDAR 系統(tǒng)的布設(shè)與量測

機載LiDAR 系統(tǒng)工作示意圖如圖1 所示。

表1 908 海島海岸帶調(diào)查的主要航空遙感數(shù)據(jù)Table 1 Main aerial remote sensing data of 908 island coastal zone investigation

圖1 機載LiDAR 系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Airborne LiDAR system working sketch

2.1 基站布設(shè)與基站聯(lián)測

為準確記錄飛機飛行姿態(tài)曲線，在飛行區(qū)域內(nèi)，架設(shè)了GPS 固定基準站。 用地面GPS 固定基準站采集的數(shù)據(jù)和IPAS 系統(tǒng)內(nèi)部的雙頻GPS 接收機采集的數(shù)據(jù)，進行差分測量，并對測量數(shù)據(jù)進行處理，可獲得連續(xù)的、更精確的傳感器位置。 對GPS 基站單點靜態(tài)12 h 連續(xù)測試得到的數(shù)據(jù)與同時間段的國家經(jīng)緯網(wǎng)高精度載波相位觀測值進行聯(lián)合平差計算，可得出測點的絕對坐標。

2.2 像控點布設(shè)和檢查

像控點布設(shè)按照GPS 輔助航空攝影外業(yè)控制區(qū)域網(wǎng)布控的原則進行。 一般沿區(qū)域網(wǎng)周邊，在每條航線東西兩端各布設(shè)1～2 個高程控制點，在垂直于航線方向的中間區(qū)域兩平高控制點之間、影像旁向重疊部位布設(shè)高程控制點。 當像控點布設(shè)或聯(lián)測困難時，調(diào)整左右相鄰控制點間基線數(shù)。 分區(qū)接邊處的控制點盡量選擇公用，不能公用時，分別布點，使不出現(xiàn)控制漏洞。

2.3 校準航線布設(shè)與測量

為了確定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)、LiDAR 和數(shù)碼相機相互框架位置關(guān)系的系統(tǒng)差，確定GPS 天線相位中心與機載激光雷達(LiDAR)、數(shù)碼相機之間的偏心矢量和攝站高程的系統(tǒng)差，需要飛行校準航線。 在考慮飛行便利、有明顯地物標志和地面控制點(GCP)測量等因素的條件下，校準航線設(shè)計在舟山機場附近。 校準航線布設(shè)原則如下：（1）檢校場應(yīng)設(shè)置3 條相鄰的平行航線，每條航線不少于6～8 個像對。 （2）航向重疊和旁向重疊均按50%設(shè)計。 （3）在檢校場的周邊布設(shè)不少于6～8 個地面控制點(GCP)，點位與影像角框標連線距離約為影像寬的20%。 （4）地面控制點(GCP)應(yīng)選在能準確判斷點位和高程變化不大的地點。

3 地面高程數(shù)據(jù)DEM 和數(shù)字正射影像的獲取

3.1 地面高程數(shù)據(jù)DEM 的獲取

完整地塊地表裸露點的三維數(shù)據(jù)構(gòu)成地面高程模型DEM。 用TerraScan、TerraModel 軟件進行激光點數(shù)據(jù)處理（去除各種噪聲和誤差點）后，提交激光地面點數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在ERDAS 9.0 軟件中可生成高精度的DEM（如圖2 所示）。數(shù)據(jù)處理過程如圖3 所示。

3.2 數(shù)字正射影像的獲取

制作數(shù)字正射影像的整個工藝流程主要分為數(shù)字正射影像(DOM)的生成、影像拼接和后處理3 個部分。 航片的前期處理和數(shù)字正射影像制作的流程如圖4 所示。

圖2 測區(qū)的DEMFig.2 DEM of measuring zone

圖3 LiDAR 點云數(shù)據(jù)處理過程Fig.3 Cloud data processing procedure of LiDAR point

圖4 數(shù)字正射影像處理Fig.4 Digital orthophoto map processing

3.2.1 數(shù)據(jù)前期處理

（1）原始影像轉(zhuǎn)換。 因為原始影像為JPEG 格式，現(xiàn)有的遙感軟件不能處理，所以用軟件ERDAS 9.0 的IMPORT/EXPORT 模塊把原始影像轉(zhuǎn)換為后期處理軟件能夠識別的TIFF 格式。

（2）對所有影像進行勻光處理。 輻射水平差異會導(dǎo)致同名影像在相鄰圖像上的亮度值不一致，為了保證相鄰圖像的幾何接邊、 灰度和色調(diào)接邊，用ERDAS 9.0 的ImageEqualizer 對所有影像進行勻光處理，使其色調(diào)均勻、反差統(tǒng)一。

3.2.2 數(shù)字正射影像圖的制作

使用遙感軟件ERDAS 9.0 的LPS 模塊進行建立金字塔、內(nèi)定向、外定向等處理，并導(dǎo)入生成的DEM數(shù)據(jù)，進行正射與拼接，最終在ERDAS 9.0 中對圖像進行分幅裁剪、修整和出圖。 在這一過程中需要注意的是：（1）設(shè)計鑲嵌線走向時，應(yīng)反復(fù)觀察重疊區(qū)的地物特點。 在農(nóng)田較多的地方，可沿地塊邊界選取鑲嵌線點。 在城區(qū)，應(yīng)在街道上選取鑲嵌線點，且鑲嵌線應(yīng)繞開居民區(qū)。 因為每張影像拍攝的時間、角度不同，房屋及樹木陰影的方向也不盡相同，此時鑲嵌線較明顯，如果鑲嵌處無法避開居民地，鑲嵌線會因投影差的不同，使拼接后鑲嵌的影像產(chǎn)生變形、失真或缺損等現(xiàn)象。 所以，鑲嵌線最好從街道、河流中間穿過，盡量避開陰影處。 （2）鑲嵌成圖時，盡量沿線狀地物影像變換處畫鑲嵌線，避免穿越房屋、地塊、變形地物等，還應(yīng)注意影像間的重疊關(guān)系。 （3）增加結(jié)點時，應(yīng)考慮在開闊區(qū)域，這樣鑲嵌線容易編輯。 （4）注意是否滿足成圖范圍，再逐幅裁切。

3.2.3 圖廓整飾和影像地圖輸出

正射影像生成并且精度評定合格后，可以根據(jù)需要裁切。 利用ERDAS 9.0 輸出TIFF 文件，并進行灰度處理（使灰度基本一致）后，鑲嵌生成一整幅DOM。 然后，根據(jù)1∶10 000 圖幅的坐標，按坐標裁切，生成數(shù)字正射影像DOM，并添加比例尺、圖名、制作單位等信息。 系統(tǒng)疊加后，生成TIFF 格式的該圖幅影像圖。 圖5 為試驗區(qū)的數(shù)字正射影像圖。

4 數(shù)據(jù)檢核

4.1 檢核方法

在測區(qū)范圍內(nèi)，進行RTK（Real-time kinematic，實時動態(tài)差分法）量測，獲取地面22 個檢核點（圖2和圖5 的★表示檢核點）。 然后，將測量的檢核點疊加到正射影像圖上，并與拼接好的影像進行判定比較，就可得出正射影像圖的點位平面誤差。 將設(shè)定測區(qū)的多條航線LiDAR 數(shù)據(jù)生成的DEM 進行拼接，生成整個測區(qū)1m×1m 的DEM，然后，選擇測區(qū)內(nèi)地面檢核點與LiDAR 生成的DEM 進行對比計算，就可得出高程誤差。

4.2 檢核結(jié)果

通過對比，獲取的正射影像圖點位平面中誤差為0.422 m，其中最大的點位中誤差為2.229 m，最小點位中誤差為0.010m；得到的高程中誤差為0.114 m，其中最大偏差為0.463 m，最小偏差為0.003 m。 由此表明，利用LiDAR 手段所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果具有高準確度，能夠滿足1∶10 000 甚至更大比例尺的成圖精度要求。

圖5 測區(qū)的DOMFig.5 DOM of measuring zone

5 結(jié)語

利用LiDAR 技術(shù)快速獲取的高精度數(shù)字正射影像是一種極具價值的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，其主要作用為：（1）用于對數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)的更新，提高數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，加快地形圖的更新速度。 （2）作為背景圖直接應(yīng)用于城市各種地理信息系統(tǒng)。 （3）與線劃圖、文字注記進行疊加，形成影像地圖，豐富地圖的形式，增加地圖的信息量。 （4）在生成正射影像的同時，還可得到地面高程數(shù)據(jù)和等高線數(shù)據(jù)。

數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型疊加生成的三維立體景觀模型，使我們在計算機屏幕上就可以從任意方向觀看特定區(qū)域的三維立體景觀，有一種身臨其境的感覺，更有利于解譯。 另外，用它還可以制作成數(shù)字地圖，服務(wù)于其他行業(yè)。 隨著人工智能的進一步成熟，數(shù)字正射影像將不再僅僅是測繪的一種產(chǎn)品，而是很多產(chǎn)品的基礎(chǔ)資料。

[1] 張祖勛，張劍清. 數(shù)字攝影測量[M]. 武漢：武漢大學出版社,2000.

[2] 駱文英. 淺談數(shù)字正射影像圖制作中的鑲嵌技術(shù)[J]. 北京測繪，2002（4）：24-27.

[3] 魏富朝，王洪峰. 利用LIDAR 技術(shù)獲取大比例尺DEM 應(yīng)用實踐[J]. 山西建筑，2007，33（19）：359-360.