林小紅

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,蘭州 730000)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0018—04

基于ERDAS LPS模塊航空正射影像的制作

林小紅

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,蘭州 730000)

目前制作數(shù)字正射影像的主要方法有全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，以及ERDAS、DP Grid、PixelGrid、ARCGIS等遙感與地理信息系統(tǒng)軟件制作。其中REDAS LPS模塊采用流水式的制作過(guò)程，整個(gè)過(guò)程緊湊，連續(xù)性好，精度高。文章以甘谷風(fēng)電場(chǎng)山區(qū)測(cè)圖工作為例，介紹應(yīng)用LPS模塊在工程中進(jìn)行快速數(shù)字正射影像制作的過(guò)程。相對(duì)PixelGrid軟件在精度和效率方面都具有更好的表現(xiàn)。

ERDAS;LPS;正射影像;航空影像;DTM

0 前 言

通常在實(shí)地測(cè)繪工作中用線畫(huà)圖表示實(shí)際的地物地貌顯示效果，單調(diào)且不十分直觀，而航空影像或衛(wèi)星影像能夠真實(shí)、客觀地反映地表面的一切景物，保留地表的原始狀態(tài)，具有十分豐富的信息。然而航空影像或衛(wèi)星影像通常并不是與地表面保持相似的、簡(jiǎn)單的縮小，而是中心投影或其他投影構(gòu)像。因此，這樣的影像存在由于影像傾斜和地形起伏等引起的變形[1-2]。數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)是以航攝像片或遙感影像(單色/彩色)為基礎(chǔ)，經(jīng)掃描處理并經(jīng)逐像元進(jìn)行輻射改正、微分糾正和鑲嵌，按地形圖范圍裁剪成的影像數(shù)據(jù)，并將地形要素的信息以符號(hào)、線畫(huà)、注記、公里格網(wǎng)、圖廓(內(nèi)/外)整飾等形式添加到該影像平面上，形成以柵格數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)的影像數(shù)據(jù)庫(kù)。它具有地形圖的幾何精度和影像特征[3-4]。

1 ERDAS 2013 LPS簡(jiǎn)介

ERDAS LPS(Leica Photogrammetry Suite)是美國(guó)ERDAS公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，支持多種航天、航空幾何傳感器模型，支持?jǐn)?shù)據(jù)輸入、傳感器模型設(shè)置、坐標(biāo)系統(tǒng)定義、傳感器內(nèi)定向、影像自動(dòng)匹配、區(qū)域網(wǎng)空三加密、數(shù)字地面模型(DTM)的自動(dòng)提取和編輯、數(shù)字正射影像(DOM)生產(chǎn)、數(shù)字線劃圖(DLG)的采集、紋理提取、三維城市模型建立等數(shù)據(jù)生產(chǎn)。在高性能軟硬件的支持下， LPS 以嚴(yán)密的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，以流線型的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程為核心，以攝影測(cè)量的過(guò)程-流程為向?qū)?，以高擴(kuò)展性的分布式處理為機(jī)制，是一種高效高精度空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)的軟件[5]。LPS處理影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是：① 流程化的處理方式提高了系統(tǒng)的完整性;② 點(diǎn)的自動(dòng)量測(cè)和地形自動(dòng)提取;③ 子像素立體顯示和點(diǎn)位分配;④ 公認(rèn)并被證實(shí)的空中三角測(cè)量;⑤ 詳盡的精度報(bào)告、優(yōu)秀的數(shù)據(jù)精度檢測(cè)方法等。

ERDAS公司于2001年并入瑞士徠卡測(cè)量系統(tǒng)。因其先進(jìn)的影像處理技術(shù)，友好、靈活的用戶界面和操作方式。目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)農(nóng)林業(yè)、水利水電行業(yè)、測(cè)繪行業(yè)、環(huán)保系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、各大院校以及科研單位有著廣泛的應(yīng)用。

2 甘谷風(fēng)電場(chǎng)正射影像圖的制作過(guò)程

2.1 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

(1) 制作正射影像區(qū)域的數(shù)碼航片；

(2) 攝影相機(jī)參數(shù)、測(cè)區(qū)的外方位元素；

(3) 測(cè)區(qū)投影參數(shù)以及測(cè)區(qū)屬性。

本文使用LPS 在無(wú)控制點(diǎn)時(shí)高精度正射糾正影像的功能。因?yàn)樘峁┝顺跏嫉腉PS 信息，所以不需要量測(cè)控制點(diǎn)。此外，由于數(shù)碼相機(jī)的圖像沒(méi)有內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)，因此內(nèi)定向是自動(dòng)完成的。所獲得的影像數(shù)據(jù)由NIKON D800相機(jī)拍攝，像幅為7360×4912 pixel，像素4.88 μm。

我們將以無(wú)人機(jī)獲取的甘谷北部山區(qū)的影像數(shù)據(jù)來(lái)制作整個(gè)工程前期服務(wù)的正射影像圖[6]。為了給工程前期的設(shè)計(jì)提供更直觀的資料，需要對(duì)所獲得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的正射影像制作。給前期的設(shè)計(jì)和踏勘提供更好的支持。

2.2 正射影像圖的制作過(guò)程

圖1 數(shù)字相機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖1。下面對(duì)制作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

(1) 創(chuàng)建工程并設(shè)置相關(guān)參數(shù)

首先在LPS中創(chuàng)建工程文件，工程文件下有整個(gè)測(cè)區(qū)的所有影像、攝影機(jī)參數(shù)、地面控制點(diǎn)坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息。接著導(dǎo)入pos數(shù)據(jù)設(shè)置外方位元素，載入要糾正的圖像并進(jìn)行影像金字塔(Pyra- mid Layers)的計(jì)算。

(2) 定義數(shù)碼相機(jī)的參數(shù)

本測(cè)區(qū)影像由NIKON D800數(shù)碼相機(jī)拍攝，外方位元素信息已經(jīng)自動(dòng)加載，設(shè)置相機(jī)內(nèi)方位參數(shù)如圖2，設(shè)置相機(jī)外方位參數(shù)如圖3。

圖2 選擇相機(jī)及內(nèi)方位元素圖

圖3 外方位元素圖

(3) 自動(dòng)量測(cè)同名地物點(diǎn)

通常，在自動(dòng)同名點(diǎn)匹配之前，要在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)量測(cè)控制點(diǎn)來(lái)確定外定向參數(shù)，但是這個(gè)數(shù)據(jù)包含GPS和INS信息等初始外方位元素，因此不需要采集控制點(diǎn)就可以進(jìn)行外定向。在這里選擇二維窗口的量測(cè)(Classic Point Measurement Tool)如圖4。

圖4 同名點(diǎn)量測(cè)圖

(4) 進(jìn)行空中三角測(cè)量

完成以上各步驟后就可以進(jìn)行空中三角測(cè)量，計(jì)算出點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在運(yùn)行命令前要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如圖5空中三角測(cè)量精度設(shè)置所示，設(shè)置好后便可以執(zhí)行航空三角測(cè)量，得到各地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，運(yùn)行后得到如圖6空中三角測(cè)量殘差所示的Triangulation Summary對(duì)話框，其中顯示的Total Image Unit-Weight RMSE的值小于1(表明誤差在1 mm左右，相當(dāng)于1/4個(gè)像素的大小)便可以接受。

圖5 空中三角測(cè)量精度設(shè)置圖

圖6 空中三角測(cè)量殘差界面圖

(5)自動(dòng)提取DEM及正射重采樣

在LPS中選擇eATE模塊進(jìn)行提取，在提取的過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行分類拼接,如圖7，在處理過(guò)程中或輸出文件后移除其他類。分類提取出各個(gè)像對(duì)所構(gòu)成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM,如圖8。eATE模塊所提取的DEM數(shù)據(jù)更加細(xì)致。

(6) 正射影像的鑲嵌和拼接

采用ERDAS的專業(yè)鑲嵌工具mosaic來(lái)完成，首先調(diào)入糾正后的影像，自動(dòng)生成拼接線。接著進(jìn)行色彩糾正處理。最后進(jìn)行鑲嵌預(yù)覽，如果效果好，可以進(jìn)行下一步，否則需要調(diào)整拼接線和顏色校正參數(shù)[7-8]。確定沒(méi)有問(wèn)題，選擇輸出路徑和文件名稱，運(yùn)行鑲嵌處理。最終效果DOM如圖9。最終生成的正射影像可以導(dǎo)入到ArcGIS中進(jìn)行初步的圖上設(shè)計(jì)，在工程后期生成DLG后與DOM進(jìn)行套合生成帶有等高線的DOM圖。為設(shè)計(jì)和施工階段提供更好的服務(wù)。

圖7 測(cè)區(qū) DEM拼接圖

圖8 生成的DEM圖

圖9 最終生成的DOM圖

3 制作過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題

(1) 自動(dòng)量測(cè)同名點(diǎn)時(shí)應(yīng)該檢查連接點(diǎn)的質(zhì)量以及分布的情況。如果點(diǎn)位分布不均，可以再次生成更多的連接點(diǎn)，直到合格為止[4]。對(duì)于不能自動(dòng)生成連接點(diǎn)的影像需要手工加點(diǎn)，在重疊區(qū)域選擇道路交叉口、拐角處或田埂的拐角等明顯的地物點(diǎn)。

(2) 拼接過(guò)程中拼接線要盡量選擇次要地物多的地方，避開(kāi)主要地物，如高大的建筑物等。

4 與 PixelGrid軟件操作的特點(diǎn)對(duì)比

Pixel Grid軟件是中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的一款多源航空航天遙感數(shù)據(jù)集群分布式處理系統(tǒng)。其低空無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)模塊主要用于低空飛行器航空影像的攝影測(cè)量系統(tǒng)，能夠完成低空航空攝影和無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)從預(yù)處理、影像畸變差改正、自動(dòng)空中三角測(cè)量、DSM/DEM的生成、正攝影像的糾正、勻光勻色及自動(dòng)拼接的整個(gè)航攝數(shù)據(jù)處理流程。

ERDAS LPS與Pixel Grid軟件在為測(cè)區(qū)生成快速DOM的過(guò)程中，ERDAS LPS有如下特點(diǎn)。

(1) 快速高效

LPS的自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理流程，高效合理地進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，能夠最大程度地節(jié)省人力。分布式的處理功能，充分利用整合硬件資源，極大地提高了數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率。

具體在使用Pixel Grid軟件快速制作測(cè)區(qū)正攝影像的過(guò)程中，創(chuàng)建測(cè)區(qū)時(shí)相片順序旋轉(zhuǎn)方向一定要設(shè)置正確，否則將導(dǎo)致后續(xù)的相對(duì)定向、模型連接等無(wú)法順利完成。在進(jìn)行模型連接時(shí)可能由于影像質(zhì)量問(wèn)題或者地形因素導(dǎo)致模型連接失敗，此時(shí)需要在失敗的模型連接像片上標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處增加3個(gè)以上連接點(diǎn)，且每個(gè)連接點(diǎn)至少要在3張像片上都有同名像位。在使用ERDAS LPS處理時(shí)不會(huì)存在這樣的問(wèn)題，只要有測(cè)區(qū)的POS初始信息，軟件會(huì)自動(dòng)完成拍片的工作。

(2) 精 度

數(shù)據(jù)處理成果的精度決定了其在行業(yè)應(yīng)用中能否發(fā)揮最大的作用，對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用有至關(guān)重要的影響。LPS有高精度的自動(dòng)點(diǎn)量測(cè)、空三模型算法以及地形提取算法。具體操作中LPS的同名點(diǎn)的匹配工作會(huì)自動(dòng)完成并剔除粗差點(diǎn)。最后在生成DTM和DOM的過(guò)程中，LPS中可以將不同類別的地物賦予不同的參數(shù)值，能夠求得比較精確的DTM。Pixel Grid軟件在自動(dòng)提取DTM中存在分類提取算法不夠精確，有較大偏差。ERDAS軟件在勻光、勻色以及影像的最終鑲嵌功能上也能夠自動(dòng)化完成，且處理速度高于Pixel Grid軟件，在處理效果上色彩能夠統(tǒng)一，鑲嵌線選擇合理。

總之在為測(cè)區(qū)生成快速正攝影像的過(guò)程中，ERDAS LPS在無(wú)控制點(diǎn)的情況下能夠快速、自動(dòng)生成最終正攝影像，并且可以保證精度。同等條件下其他軟件在運(yùn)行速度、自動(dòng)匹配同名點(diǎn)、以及正攝影像的鑲嵌等方面存在著需要過(guò)多的人工干預(yù)、色彩亮度不統(tǒng)一等問(wèn)題。實(shí)踐中使用ERDAS LPS能夠高效、保證質(zhì)量的完成測(cè)區(qū)快速正攝影像的生成。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于數(shù)字正射影像具有精度高、信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并且可作為背景控制信息評(píng)價(jià)其他數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)實(shí)性和完整性；可以從中提取自然和人文信息，能夠?yàn)榈匦螆D的修測(cè)和更新提供良好的數(shù)據(jù)和更新手段。所以我們?cè)谶@次甘谷山區(qū)的地形圖測(cè)圖工作中使用LPS模塊進(jìn)行了快速的正射影像制作，為工程的設(shè)計(jì)提供了更加直觀的影像，為下一步設(shè)計(jì)打好了基礎(chǔ)。

[1] 王樹(shù)根.攝影測(cè)量原理與應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2009.

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Establishment of Aerial Orthoimage Based on ERDAS LPS Modules

LIN Xiao-hong

(Gansu Water Resources and Hydropower Investigation Design Research Institute, Lanzhou 730000,China)

The main methods for establishment of digital orthoimage currently include total digital photogrammetric station, ERDAS, DP Grid, PixelGrid, ARCGIS, etc. Among them, REDAS LPS modules establish image in a flow means. The whole course is compact, continuity is well and precision is high. With case of survey mapping of mountain area of Gangu wind farm, quick establishment of digital orthoimage processing by application of LPS modules is introduced. Compared with precision and efficiency of PixelGrid application, READAS LPS is with better performance.

ERDAS; LPS; orthoimage; aerial image; DTM

2015-01-20

林小紅 (1964- ),女，甘肅省天水市人，工程師，從事工程測(cè)量工作.

P208

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.006