無人機真正射影像的概念和制作原理，測繪人學起來
in 行業新聞 by zhoushuang
正射影像應同時具有地圖的幾何精度和影像的視覺特征，特別是對于高分辨率、大比例尺的正射影像圖，它可作為背景控制信息去評價其他地圖空間數據的精度、現勢性和完整性。然 而作為一個視覺影像地圖產品，影像上由于投影差引起的遮蔽現象不僅影響了正射影像作為 地圖產品的基本功能發揮，而 且還影響了影像的視覺解譯能力 。 為了最大限度地發揮正射影像產品的地圖功能，近幾年來，關于真正射影像 ( True Orthophoto)的制作引起了國內外的廣泛關注，本文主要對真正射影像的概念及制作原理進行簡單介紹 。1、遮蔽的概念這里所說的遮蔽即遮擋，指的是由于地面上有一定高度的目標物體遮擋，使得地面上的局部區域在影像上不可見的現象。航空遙感影像上的遮蔽主要有兩種情況，一種是絕對遮蔽，比 如高大的樹木將低矮的建筑物遮擋了，使得被遮擋的建筑物在航空遙感影像上不可見。 另 一 種則是相對遮蔽，如圖 1所示，對于地面上的△ABC區域，它在右像片上不可見，即被遮擋了，但在左像片上是可見的； 而對于地面上的△DEF區域，則正好相反。圖1 相對遮蔽 示意圖這說明對于相對遮蔽而言，影像上的丟失信息是可以通過相鄰影響進行補償的，而絕對遮蔽則做不到這一點。 以 下 只討論相對遮蔽的情況 。航空遙感影像上遮蔽的產生與投影方式有關。對于地物的正射投影，由于它是垂直平行投影成像，是不會產生遮蔽現象的(樹冠等的遮擋除外)，如圖2(a)所示。而傳統的航空遙感影像，它是根據中心投影的原理攝影成像的，對地面上有一定高度的目標物體，其遮蔽是不可避免的。對于中心投影所產生的遮蔽現象，其實質就是投影差，如圖2(a)所示：圖2 遮蔽情況分析示意圖傳統的正射影像制作方法主要是利用中心投影(包括框幅式中心投影或線中心投影)影像通過數字糾正的方法得到。在糾正過程中，對原始影像上由一定高度的地面目標物體所產生的 遮蔽現象 在 糾正后依然存在，這使得正射影像失去了 “正射投影”的意義，使得正射影像在與其他空間信息數據進行套合時發生困難，使傳統正射 影像的應用受到一定的限制。2）正射影像上遮蔽的傳統對策為了有效地削弱或盡可能地消除正射影像上的遮蔽的影響，使正射影像產品滿足相應比例尺地圖的幾何精度要求，人們提出了許多有效地限制中心投影影像(包括所生產的正射影像)上遮蔽現象的辦法或措施，主要策略包括以下幾種：(1)影像獲取時的策略。通過在攝影時采用長焦距攝影、提高攝影飛行高度、縮短攝影基線等方法以增加像片的重疊度，以及在航空攝影航飛線路設計時盡量避免使高層建筑物落在像片的邊緣等手段，減少因地面有一定高度目標物體所引起的投影差(遮蔽)，也即縮小像片上遮蔽的范圍。(2)糾正過程中的策略。盡量利用攝影像片的中間部位制作正射影像，因為中心投影像片的中間部位其投影差較小甚至無投影差，換句話說就是此處的遮蔽范圍較小或根本無遮蔽。(3)傳感器選擇的策略。隨著線陣列掃描式成像傳感器的應用越來越廣泛，人們希望利用線陣列掃描式傳感器影像來制作正射影像。因為對于垂直下視線陣列掃描影像而言，地面有一定高度的目標只會在垂直于傳感器平臺飛行的方向上產生投影差(遮蔽)，而在沿飛行方向則無投影差(遮蔽)，如圖3所示：圖3 線陣列掃描影像的遮蔽傳統的正射影像雖然被冠以“正射“兩字，但卻不是真正意文上的正射影像。這是因為傳統正射影像的制作是以2.5維的數字高程模型(DEM)為基礎進行數字糾正計算的。而DEM是地表面的高程，即它并沒有顧及地面上目標物體的高度情況，因此，微分糾正所得到的影像雖然被叫作正射影像，但地面上3維目標(如建筑物、樹木、橋梁等)的頂部并沒有被糾正到應有的平面位置(與底部重合)，而是存在投影差。隨著G1S重要性的增強，人們常常會把正射 影像特別是城區大比例尺的正射影像作為 G1S數據庫底圖來使用，以更新G1S數據庫或用于城市規劃等目的，此時就會發現正射影像與其他類型圖件進行套合時發生困難，正因為 如此， 正射影像就不適合作為底圖對其他圖件進行精度檢查或進行變化檢測。 為此，人們提出了 制作 “真正射影像”的要求 。所謂真正射影像，簡單一點講就是在數字微分糾正過程中，要以數字表面模型(DSM)為基礎，來進行數字微分糾正。對于空曠地區而言，其DSM和DEM是一致的，此時只要知道了影像的內、外方位元素和所覆蓋地區的DEM，就可以按共線方程進行數字微分糾正了，而且糾正后的影像上不會有投影差。實際上，需要制作真正射影像的情況往往是那些地表有人工建筑或樹木等覆蓋的地區，對這樣一些地區，其DSM和DEM的差別就體現在人工建筑或樹木 等的高度上，換句話說，為了制作這些地區的真正射影像，就要求在該地區的 DEM基礎上 采集所有高出地表面的目標物體高度信息，或直接得到該地 區的 DEM，以供制作真正射影像 所用。然而，在實際真正射影像的制作過程中，還有兩個方面的問題需要考慮到兩點。①DSM采集的困難。就目前數字攝影測量及其相關技術的發展水平而言，DSM的采集主要有兩種方法：一是采用半自動的方式在攝影測量工作站上采集得到，二是可以用機載三維激光掃描儀或斷面掃描儀直接掃描得到。上述兩種方法理論上都是可行的，但由于實際地表覆蓋的高低起伏很復雜，若以較大的采樣間隔去采集DSM，將直接影響所生成的真正射影像質量；另外，DSM采集的對象是否有必要包括地面上一切有一定高度的目標也值得考慮。②相對遮蔽信息補償的困難。因為在原始中心投影影像上，由于遮蔽的存在，地面局部被遮擋區域并未成像，如圖4所示。對于這樣的區域，當糾正得到的真正射影像后，會在對應 的被遮蔽區留下信息缺失區，即這部分信息無法從原始中心投影影像上獲得。 要使真正射影 像能完整地反映地面的信息，必須設法在糾正后的影像上對遮蔽處所缺失的信息進行填充補 償。 從理論上講，對遮蔽信息進行補償的最好方法就是利用相鄰有重疊影像上的對應信息來 進行填充補償 。圖4 正射投影及遮蔽示意圖真正射影像的具體制作過程可以用圖5所示的流程圖來表示。圖5 真正射影像制作流程圖對該流程圖的說明如下：在具有多角度重疊的像片中，選擇一張影像作為主糾正影像，而其他影像則作為從屬影像用來補償主糾正影像上被遮擋部分的信息，即在從屬影像上挖出相應部分的信息填充到主糾正影像的被遮蔽區域。當然，這樣做的前提是主糾正影像上被遮蔽處要在從屬影像上可見，否則，被遮蔽處的信息只能通過其他方式進行填充補償，如利用相鄰區城的紋理進行填充補償，不管采用什么方式對主糾正影像被遮蔽區域的信息進行填充補償，都要顧及所填充內容與其周邊在亮度、色彩和紋理方面的協調性。需要進一步說明的是，圖5所描述的制作真正射影像的過程多少還是有些理想化，因為實際地表面的情況復雜，無論從DSM的采集或遮蔽信息的補償哪一方面講，都不是一件簡單的工作。隨著數碼航空相機的發展和數碼航空攝影技術的廣泛使用，充分利用數碼航空相機不需膠片這一特點，在航空攝影時可以大提高飛行的重疊度。在利用多像前方交會改善對地定位精度的同時，也可充分利用每張影像像底點附近的局部影像來制作真正射影像，這樣得到的正射影像雖然不是嚴格意義上的真正射影像，但卻可以避免對影像缺失信息進行填充的麻煩。企業簡介吉林龍航無人機科技服務有限公司，成立于2016年2月，公司是一家以無人機研發生產、民用無人機駕駛員培訓、無人機行業應用服務、青少年航空科普教育為主營業務的《國家級高新技術企業》，現在長春和沈陽擁有超過100萬平米專用無人機飛行空域、2000平米無人機實訓教室、獨立的無人機運營中心和無人機技術服務中心，超過100架的各類型無人機，可滿足各行業的無人機培訓及應用需求。公司始終秉持“敬業、誠信、創新、超越”的經營理念，一直致力于為各行業培養優秀的無人機技術人才及提供優質的無人機解決方案，現累計培訓人數超過2000人，服務行業涉及公安、應急、消防、交通、電力、水利、氣象、環保等領域，現合作單位包括：吉林省公安廳、吉林省消防救援總隊、吉林省交通廳、吉林省水利科學研究院、國網吉林省電力有限公司等100余家，合作院校包括：吉林科技職業技術學院、吉林省東北亞教育集團有限責任公司、吉林水利電力職業學院、吉林省勞動技術學校、遼源職業技術學院等20余所。 未來我們將繼續努力，不斷研發滿足各行業需求的無人機產品、創新無人機服務、培養更多的無人機專業技術人才，堅持新發展理念，為加快推進新時代吉林全面振興、全方位振興貢獻我們的專業力量。編輯：周佳慧審核：周 爽掃碼關注我們