INPHO軟件進(jìn)行帶狀測(cè)區(qū)數(shù)碼影像的POS輔助空三加密方法探討

楊　希

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

Discussion on the POS-Assisted Aerial Triangulation Method of Digital Images in Banded Area Based INPHO

YANG Xi

INPHO軟件進(jìn)行帶狀測(cè)區(qū)數(shù)碼影像的POS輔助空三加密方法探討

楊希

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

Discussion on the POS-Assisted Aerial Triangulation Method of Digital Images in Banded Area Based INPHO

YANG Xi

摘要以含POS信息的帶狀測(cè)區(qū)數(shù)碼影像為數(shù)據(jù)源，對(duì)應(yīng)用INPHO軟件進(jìn)行空三加密的流程和方法進(jìn)行探討。通過(guò)多測(cè)段數(shù)據(jù)的POS輔助空三加密處理，從數(shù)碼影像預(yù)處理、外控點(diǎn)量測(cè)順序、加密點(diǎn)預(yù)量測(cè)、模型連接點(diǎn)精度檢查及調(diào)整和POS數(shù)據(jù)的有效引入等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出相應(yīng)的處理流程和方法技巧，快速高效地完成空三加密處理，并有效保證空三加密的精度。

關(guān)鍵詞空三加密POS數(shù)據(jù)數(shù)碼影像INPHO軟件

空三加密是攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)測(cè)圖和數(shù)字產(chǎn)品生成的第一道工序，其核心內(nèi)容是以相片上的像點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)，用攝影測(cè)量的方法解求測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素，并基于攝影過(guò)程的幾何反轉(zhuǎn)，重建可量測(cè)的幾何立體模型，然后解求出地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)[1，2]。POS機(jī)載定位定向系統(tǒng)是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)GNSS和慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置IMU直接測(cè)定影像外方位元素的現(xiàn)代航空攝影導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，由GNSS定位技術(shù)獲取航攝儀的位置參數(shù)，由IMU測(cè)定其姿態(tài)參數(shù)，通過(guò)差分技術(shù)聯(lián)合平差解算后，獲得攝影時(shí)各影像的外方位元素，實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制或僅有少量地面控制點(diǎn)的地面定位[4-8]。當(dāng)前的攝影測(cè)量系統(tǒng)已逐步實(shí)現(xiàn)全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的處理模式，即將POS信息輔助到攝影測(cè)量處理中，利用模式識(shí)別技術(shù)和影像匹配等技術(shù)，輔以少量的人工交互控制，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)/全自動(dòng)的空三加密。

INPHO是由德國(guó)測(cè)繪學(xué)家Ackermann教授創(chuàng)立和研發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，用于空三加密處理的模塊為MATCH-AT，該模塊采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型進(jìn)行平差解算，其自動(dòng)匹配技術(shù)精度高[3，10]，在POS信息的輔助下可有效實(shí)現(xiàn)模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配和初步定位。

以武漢至襄陽(yáng)、十堰鐵路帶狀測(cè)區(qū)的部分?jǐn)?shù)碼影像數(shù)據(jù)為例，使用INPHO軟件進(jìn)行帶狀測(cè)區(qū)數(shù)碼影像POS輔助空三加密處理，探討和研究空三加密的方法和技巧。

1INPHO軟件數(shù)碼影像的POS輔助空三加密流程

資料準(zhǔn)備：包括數(shù)碼影像及其相機(jī)文件，POS數(shù)據(jù)(各影像的初始外方位元素：X，Y，Z，Omega，Phi，Kappa)，外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)及其點(diǎn)之記。

創(chuàng)建工程：主要包括輸入相機(jī)文件參數(shù)、數(shù)碼影像、POS數(shù)據(jù)、外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)航帶strip建立等。

相機(jī)參數(shù)的像平面坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置將直接影響航線連接，當(dāng)航線影像連接不正確時(shí)，應(yīng)在此處修改航線方向(4個(gè)方向)，調(diào)整像平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

影像預(yù)處理：主要包括金字塔影像生成、影像增強(qiáng)處理等。

對(duì)于數(shù)碼影像來(lái)說(shuō)，內(nèi)定向是在影像相機(jī)文件參數(shù)設(shè)置后自動(dòng)完成的，不需進(jìn)行內(nèi)定向處理；但對(duì)框幅式影像，需要至少設(shè)定一張影像的框標(biāo)模板，然后再以該模板進(jìn)行其他影像的自動(dòng)內(nèi)定向，并進(jìn)行檢查。

自動(dòng)匹配模型連接點(diǎn)：在POS信息的輔助下，根據(jù)模式識(shí)別技術(shù)和多像影像匹配等技術(shù)，在左右影像中匹配同名像點(diǎn)。

外業(yè)控制點(diǎn)量測(cè)：主要有左右片量測(cè)同名像點(diǎn)和立體量測(cè)的兩種方式。

測(cè)區(qū)立體模型計(jì)算及平差處理：根據(jù)設(shè)置的平差參數(shù)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算；

精度檢查：主要包括模型連接點(diǎn)質(zhì)量檢查和控制點(diǎn)殘差檢查，經(jīng)過(guò)調(diào)整處理滿足精度要求后，導(dǎo)出平差計(jì)算和精度統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

INPHO軟件空三加密流程如圖1所示。

圖1　INPHO軟件空三加密流程

2數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)及方法探討

數(shù)碼影像為RCD30相機(jī)拍攝，相機(jī)焦距為53 mm，像幅為9 000×6 732，像元大小為6 μ，影像清晰，整體曝光均勻，但個(gè)別影像存在色差和亮度不均；POS數(shù)據(jù)主要采用差分技術(shù)經(jīng)過(guò)聯(lián)合平差計(jì)算獲得，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程擬合后生成國(guó)家2000坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)成果，其整體精度好；外控成果主要由GPS測(cè)量和差分解算獲得，其坐標(biāo)系統(tǒng)與POS數(shù)據(jù)一致，點(diǎn)之記清楚易讀，存有電子檔和紙質(zhì)版。

2.1　影像預(yù)處理操作

影像金字塔主要在像片放大和空三加密中的迭代過(guò)程中應(yīng)用(無(wú)影像金字塔會(huì)提示錯(cuò)誤)[10]。在INPHO軟件中支持外部金字塔和內(nèi)部金字塔兩種模式，外部金字塔單獨(dú)存儲(chǔ)為*.pyr文件格式，內(nèi)部金字塔存儲(chǔ)于原始影像中，將會(huì)改變?cè)加跋?，因此需要提前?duì)原始影像進(jìn)行備份，但其兼容性和處理速度高于外部金字塔模式。為便于將測(cè)區(qū)立體模型導(dǎo)入到航天遠(yuǎn)景MapMatrix立體測(cè)圖軟件中進(jìn)行后續(xù)的立體量測(cè)，對(duì)所有影像都進(jìn)行內(nèi)部金字塔處理。

拍攝時(shí)，由于曝光和環(huán)境因素的影響，可能會(huì)造成影像色調(diào)不均、明暗度不均等，需要對(duì)個(gè)別影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，以保證整個(gè)測(cè)區(qū)的影像質(zhì)量均衡。在INPHO軟件中主要由ImageCommander模塊的RadioMetix工具來(lái)實(shí)現(xiàn)影像的亮度、灰度和對(duì)比度增強(qiáng)等處理。對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，有利于模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配，并且能有效地促進(jìn)后續(xù)的DOM生產(chǎn)(如圖2、圖3所示)。

圖2　影像增強(qiáng)處理操作

圖3　影像增強(qiáng)處理示例

2.2　外控點(diǎn)量測(cè)順序及加密點(diǎn)預(yù)量測(cè)

進(jìn)行空三加密處理時(shí)，可在模型連接點(diǎn)自動(dòng)匹配之前，手動(dòng)量測(cè)測(cè)區(qū)范圍四角位置的控制點(diǎn)，用于輔助模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配；若無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，亦可在測(cè)區(qū)范圍的四角位置手動(dòng)量測(cè)四組加密點(diǎn)(如圖4所示)。

在未進(jìn)行模型連接點(diǎn)匹配前，僅基于POS信息的輔助可構(gòu)建出測(cè)區(qū)整體的基本模型，但立體像對(duì)可能存在視差，因此具體的量測(cè)操作宜采用左右片量測(cè)同名像點(diǎn)的方式進(jìn)行。通過(guò)提前量測(cè)四角控制點(diǎn)或加密點(diǎn)后再自動(dòng)匹配模型連接點(diǎn)，可以有效地減少模型連接點(diǎn)的誤匹配。

圖4　手動(dòng)量測(cè)加密點(diǎn)/控制點(diǎn)示意

在完成測(cè)區(qū)模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配后，需要對(duì)這類手動(dòng)量測(cè)的控制點(diǎn)或連接點(diǎn)采用立體量測(cè)的方式進(jìn)行檢查和核實(shí)，同時(shí)完成整個(gè)測(cè)區(qū)所有控制點(diǎn)的立體量測(cè)。

2.3　模型連接點(diǎn)精度檢查

通過(guò)自動(dòng)匹配處理后，可獲得大量的模型連接點(diǎn)，需要對(duì)它們進(jìn)行質(zhì)量和精度檢查。首先可通過(guò)空三結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)文件來(lái)查看模型連接點(diǎn)的殘差分布，剔除殘差過(guò)大的模型連接點(diǎn)，然后回到INPHO軟件的photo measure tool模塊中進(jìn)行模型連接點(diǎn)的分布和強(qiáng)度檢查(如圖5、圖6所示)。

圖5　模型連接點(diǎn)分布示意

圖6　模型連接點(diǎn)強(qiáng)度示意

通過(guò)模型連接點(diǎn)的分布和強(qiáng)度檢查后，會(huì)發(fā)現(xiàn)連接點(diǎn)空洞，因此需要在連接點(diǎn)空洞處以立體量測(cè)的方式手動(dòng)增加連接點(diǎn)，補(bǔ)足空洞，以增強(qiáng)測(cè)區(qū)模型的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性(如圖7所示)。

圖7　手動(dòng)補(bǔ)足模型連接點(diǎn)空洞示意

2.4　POS數(shù)據(jù)的有效引入

在進(jìn)行模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配和空三平差計(jì)算時(shí)，有效地利用POS信息的GNSS和IMU數(shù)據(jù)可以保證控制點(diǎn)的量測(cè)精度和模型連接點(diǎn)的精確匹配。

在進(jìn)行模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配和空三平差后處理計(jì)算時(shí)，一般情況下都應(yīng)采用GNSS和IMU數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)IMU數(shù)據(jù)還應(yīng)計(jì)算視準(zhǔn)軸偏差值(“Compute boresight misalignment angles”)。

在INPHO軟件中，GNSS和IMU的精度是采用經(jīng)驗(yàn)定權(quán)法[9]以標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation)指標(biāo)來(lái)衡量的。針對(duì)不同精度的GNSS和IMU數(shù)據(jù)，可以通過(guò)設(shè)定其標(biāo)準(zhǔn)差值來(lái)控制它們對(duì)空三加密平差計(jì)算的權(quán)重。軟件中設(shè)定了默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)差值(GNSS均為0.1 m，IMU均為0.008度)，在空三平差后處理計(jì)算時(shí)，可根據(jù)具體的情況和外控點(diǎn)的精度，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整GNSS和IMU的標(biāo)準(zhǔn)差值，以保證空三加密的精度，如GNSS設(shè)為0.2 m，IMU設(shè)為0.001度。

3結(jié)論

以武漢至襄陽(yáng)、十堰鐵路帶狀測(cè)區(qū)多個(gè)測(cè)段的數(shù)碼影像為依托，在POS信息的輔助下，采用INPHO軟件進(jìn)行空三加密處理。通過(guò)多個(gè)航帶數(shù)據(jù)的處理操作，探討和總結(jié)出采用INPHO軟件對(duì)帶狀測(cè)區(qū)數(shù)碼影像進(jìn)行POS輔助空三加密的四點(diǎn)方法和技巧：

①為保證與后續(xù)的立體測(cè)圖系統(tǒng)無(wú)縫連接，影像金字塔宜采用內(nèi)部金字塔模式，并提前對(duì)原始影像進(jìn)行備份。針對(duì)個(gè)別色調(diào)和亮度不均的影像，還應(yīng)進(jìn)行亮度、灰度和對(duì)比度增強(qiáng)處理，以保證整個(gè)測(cè)區(qū)影像質(zhì)量均衡。

②在進(jìn)行模型連接點(diǎn)自動(dòng)匹配前，應(yīng)在測(cè)區(qū)四角范圍，以左右片量測(cè)同名像點(diǎn)的方式手動(dòng)量測(cè)四個(gè)控制點(diǎn)或四組加密點(diǎn)，可有效減少模型連接點(diǎn)的誤匹配。

③對(duì)模型連接點(diǎn)的分布圖和強(qiáng)度圖進(jìn)行檢查，在模型連接點(diǎn)空洞處，以立體量測(cè)的方式手動(dòng)增加模型連接點(diǎn)，增強(qiáng)測(cè)區(qū)模型的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性。

④POS信息的GNSS和IMU數(shù)據(jù)在進(jìn)行模型連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配和空三平差后處理計(jì)算時(shí)都應(yīng)采用，其精度一般可采用INPHO系統(tǒng)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)差值，同時(shí)還應(yīng)計(jì)算IMU視準(zhǔn)軸偏差值；其次，在進(jìn)行空三平差后處理計(jì)算時(shí)，為保證外控點(diǎn)的平差精度，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整GNSS和IMU的標(biāo)準(zhǔn)差值，以增強(qiáng)或減弱POS信息對(duì)平差計(jì)算的權(quán)重，獲得滿足精度要求的空三加密成果。

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中圖分類號(hào)：P231.4； P228.4； P227.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0005-03

作者簡(jiǎn)介：楊希(1985—)，女，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，碩士，工程師，E-mail：tsygkyyx@163.com。

收稿日期：2015-01-08