谈航空影像技术的真正射制作技术

［摘要］数字真正射影像(TrueDigitalOrthophotoMap，TDOM)作为测绘产品中的重要内容，在纠正的同时考虑了地物的可见性，消除了建筑物遮挡及影像自身阴影现象，真正意义上兼备了纹理信息与几何精度。从而在国情普查、变化监测、市政规划建设中发挥了重要的作用。在分析传统正射与真正射理论区别的基础上，对真正射数据获取、核心算法、产品制作等的难点进行了探讨与总结。并提出了基于高程约束的(Semi-GlobalMatching，SGM)遮蔽检测算法，较好地解决了TDOM遮挡及边缘锯齿状情况。

［关键词］数字正射影像(DOM);数字真正射影像(TDOM);遮挡检测

影像通过正射纠正，消除相机倾斜与地形起伏等引起的投影变形而制作成数字正射影像(DigitalOrthophotoMap，DOM)。数字正射产品未消除建筑物自身投影差，导致产品中地物遮挡与阴影问题比较突出。随着城市建设的不断加快，高楼及密集区占比越来越重，建筑物自身投影差而造成遮挡及阴影问题也越来越多。逐渐满足不了现有测绘基础建设需求，尤其在国土规划、农业、荒漠化监测、土地利用调查、农村宅基地确权等方面。因此对于真正射影像(TrueDigitalOrthophotoMap，TDOM)的需求日益迫切。本文在分析正射与真正射区别基础上，探讨真正射影像数据获取、核心算法、制作流程的关键技术，总结提出基于高程约束的一种优化的稠密立体匹配技术(Semi-GlobalMatching，SGM)遮蔽检测算法，并很好地解决了其他算法的不足。

1真正射影像制作技术分析

1．1正射与真正射的区别DOM是基于地表影像利用数字地表高程模型(DigitalElevationModel，DEM)纠正而来。在不考虑人工建筑物空间高度的情况下，消除地形起伏和相机倾斜等引起的投影变形的一种地理信息产品。TDOM是将地表影像经垂直投影，消除投影差，使得地形与地物均被纠正到正确的位置上。二者最显著的差异在于是否分析了地物的可见性。数据获取方面，DOM对于常规的航空摄影来说，按照标准的航向重叠(60%～65%)与旁向重叠(30%～35%)设计航飞获取航线。TDOM为了后期解决遮挡问题，故需要加大航向及旁向重叠。对于城市高楼建筑物，要求达到航向与旁向重叠至少优于75%。生产制作过程的流程主要区别在于:DOM是在空中三角测量的基础上，创建立体相对，生成DEM，利用外方位元素并结合DEM进行影像纠正［1］。TDOM制作主要是在空中三角测量的基础上，利用影像密集匹配出高精度的点云数据生成数字表面模型(DigitalSurfaceModel，DSM)或其他途径获取的数字建筑物模型(DigitalBuildingModels，DBM)的基础上，解决建筑物遮挡等问题，纠正生成TDOM成果。1．2真正射影像制作的关键技术真正射影像制作的关键在于消除地物自身高度的投影差问题，即消除地物自身的遮蔽。如何准确可靠地进行遮蔽区域检测是制作真正射产品的核心。目前，常用的检测算法主要有DSM和DBM。1．2．1基于DSM的遮蔽区域检测DSM包含地表建筑物、桥梁和树木等高度信息的地面高程模型［2］，如何在数字表面模型的基础上利用算法获取遮蔽区域信息是核心。目前现有的方法有Z-Buffer方法［3-4］、基于DSM排序的遮蔽检测、基于角度的遮蔽检测方法［5］、基于矢量的直接法遮蔽检测、高程射线追踪法［6］，各遮挡检测方法比较如表1所示。1．2．2基于高程约束的SGM遮蔽检测算法。针对上述算法的各自优缺点。提出了基于高程约束的SGM遮蔽检测算法。该算法首先利用大重叠高分辨率影像使用密集匹配算法匹配出高精度的DSM模型。利用高精度的DSM作为检测遮蔽区域的基础数据。加入高程射线追踪法，通过比较搜索路径上地面点的高度与摄影光线的高度，将其作为遮蔽准则，实现遮蔽区域检测。(1)立体像对，匹配出高精度的密集点云信息。(2)SGM密集匹配算法［7］，计算影像之间的互信息获取影像匹配的相似测度值。通过一系列的匹配代价计算、视差计算、视差优化［8］，此外为提高准确性，加入平滑约束条件，最终获得初始遮挡信息。(3)遮挡区域检测。首先，对于SGM遮挡矩阵、DSM可见矩阵、摄影光线(从摄影中心到DSM格网点的连线)进行定义。要求SGM遮挡矩阵对应原始影像，且维数与原始影像相同。其次，利用立体相对密集匹配获得DEM。并判断DEM格网点是否在建筑物多边形边界区域内。如果是，则该区域构建附加边约束的三角网，利用三角网内插出DEM格网点平面位置对应的高程值，获取高精度的DSM，定义为初始DSM遮蔽区域。最后，加入高程约束条件，对初始遮蔽区域进行优化。对于一个DSM格网点来说，如果该格网点搜索路径上所有点的高度都小于摄影光线的高度，则说明它在影像上可见。反之，不可见。在初始遮蔽区域内，比较搜索路径上地面点的高度与摄影光线的高度来排除初始遮蔽区域是否正确［9－10］，并将错误信息、遗漏区域补齐。如图1所示。如果待检测点的摄影光线高度小于搜索路径上DSM格网点的高度，则该点被遮蔽;如果待检测点的摄影光线高度大于搜索路径上所有DSM格网点的高度，则该点可见。图1中Z是DSM点的地面高度，dZ是根据摄影光线的斜率和在搜索路径上指定的搜索间隔来计算的。如图1(c)所示，结果表明，图1(b)中，6、5、2区域为不可见，0为可见。

2实验

利用航摄相机获取大重叠区域的影像数据。试验区域飞行高度2400m，地面均高10m，获取影像地面分辨率0．15m，实验得出:(1)基于高程约束的SGM遮蔽检测算法，比较好地检测出遮挡区域，解决了其他算法遗漏的问题。算法中首先确定初始遮蔽区域，然后对初始遮蔽区域进行复查。保证了遮蔽区域的精确性和完整性，解决了存在的漏检测问题。另外融合SGM的高精度DSM保证了真正射房屋边界清晰状，且锯齿状现象明显减少。工厂区与高层建筑物区域TDOM如图2～3所示。(2)与传统的DOM相比，该算法比较好地保留了原始影像的分辨率，在水域、植被茂密区域可获得比较真实的TDOM。水域区域DOM与TDOM对比如图4～5所示。植被TDOM细节图如图6所示。

3结束语

本文从真正射制作关键技术出发，对比几种常用遮蔽区域算法，提出了基于高程约束的SGM遮蔽检测算法。实验结果表明本算法可弥补传统遮蔽区域检测算法的不足。遮蔽检测时利用高程值，通过比较搜索路径上摄影光线的高度与DSM格网点的高程，自内向外依次进行遮蔽分析，内层点的遮蔽检测结果用于约束判别外层点的可见性，具有较高的执行效率。且密集匹配获取的高精度的DSM保证了建筑物边缘的清晰，减少了后期人工编辑的工作量。

作者：樊涛 胡盛江 单位：32017部队