大比例尺航空数字影像正射影像图的制作技术及应用研究

摘 要： 为解决测量林分因子的不便，发挥航空摄影测量和数字图像处理技术在森林管理与经营中的优势，以2008-09-22拍摄的凉水实验林场1：8000的航空数字影像为研究对象，应用ERDAS平台，论述了使用erdas软件的LPS模块使用空中三角测量的方法生成凉水区域南部航带的数字化地形模型及正射影像图的过程，本研究为进一步的森林地形信息的提取和查询提供了可能，为数字影像图的制作和后续的研究提供基础数据。

关键词： 空中三角测量； 数字正射影像图； 数字摄影测量； 数字高程模型

中图分类号： TP3174 文献标识码： A 文章编号：2095-2163（2013）03-0087-04

Large Scale Aerial Digital Image Ortho-image Map

Production Technology and Applied Research

HE Hengliang， LI Linhui

（Information and Computer Engineering College， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： in order to solve the problem of inconvenience of measuring stand forest factors， to develop the advantage of aerial photogrammetry and digital image processing technology in forest management and operation， the paper uses 2008.9.22 shot of cold water experimental forest 1：8000 aviation digital imaging applies ERDAS platform for the study， and discusses the use of aerial triangulation method to generate cold water area south of freedom with the digital terrain model and orthophoto map process. This study makes the further forest terrain information extraction and query possible， provides the basic data for the production of digital imaging， and follow-up studies.

Key words： Aerial Triangulation； Digital Orthophoto Map；Digital Photogrammetry； Digital Elevation Model

1 数字摄影测量

摄影测量学的主要任务是研究像片与所摄物体之间的内在几何和物理的关系。摄影测量学的发展历经模拟摄影测量，数字摄影测量两个阶段。目前广泛使用的是数字摄影测量方法，并以其来开展研究。本文使用数字摄影测量的方法制作数字正射影像图，为后续内容的研究，如林分因子的提取、森林资源信息的正确表达提供基础数据和实施保证。

利用航片制作正射影像图，可以改变由地形起伏和传感器误差而引起的像点位移。数字正射影像（digital Orthophoto Map）就是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片/遥感影像（单色/彩色），通过去除由于传感器和相机旋转、地形起伏等因素引起的位置误差，即经逐个象元所进行的投影差改正，而最终生成平面无变形的数字正射影像。

2 研究区域概况

研究区域为黑龙江省凉水自然保护区，所属中国东北东部山地小兴安岭山脉的东南段，位置跨越从东经128°47′8″到东经128°57′19″，从北纬47°6′49″至北纬47°16′10″。所涉及区域的总面积为12 133hm2，森林总蓄积量170.0万m3，森林覆被率98%。

本研究应用2008年秋季（9月22日）凉水林场数字航空像片和航摄成果报告书及2009年5月所进行的森林资源二类调查的数据加上角规点的调查数据，也包括相应带有控制点的刺点照片。摄影比例尺为1：8 000， 航摄仪类型为RC-10，每张航片占用空间467MB，共约89G。本次研究采用凉水实验林场的一个航带进行分析，涉及像片号范围166～179，共13张像片，约5G数据。

3 数字正射校正原理

数字校正的实现就是将中心投影的影像经过数字校正而形成正射投影的过程，其具体原理就是以投影中心点、像点和相应的地面点三点共线为条件，以单张像片为解算单元，借助像片之间的公共点和野外控制点，将各张像片的光束连成一个区域进行整体平差，求得解算模型，再利用数字地形高程模型对原始非正射影像进行纠正，使其转换为正射影像。

航空摄影测量的几何处理任务是根据像片上的像点位置确定相应地面点的空间位置。要使用数字图像方法处理用相机摄取的像片，首先需要将航空像片进行扫描，形成数字图像。数字图像在计算机屏幕上使用的是像素平面坐标系，而成像的航空像片则是相机胶片，使用的坐标系是影像平面坐标系，其坐标原点一般位于影像中心。因此，就要进行像素坐标和影像坐标的变换，两个坐标系的示意图如图1所示。

图1 像素坐标与影像坐标转换示意图

Fig.1 Conversion diagram of pixel

coordinates and image coordinates 第3期 何恒亮：等，大比例尺航空数字影像正射影像图的制作技术及应用研究 智能计算机与应用 第3卷

影像上的点均对应着具有地图投影的坐标，即大地坐标，如果要根据影像上的点求取对应的大地坐标，还需要在地面空间坐标系统和影像空间坐标系统之间进行转换。地面坐标系示意图如图2所示。

图2 影像空间坐标系统和地面空间坐标系统

Fig.2 Image space coordinate system and the

ground space coordinate system

为实现这些点坐标间的转换，还要进行内外定向。通过内定向，可以恢复像片和摄影机的相对位置。框标为摄影机焦平面上固定位置的光学机械标志，用于建立影像坐标系。内方位元素一般由摄影机制造商提供在仪器说明书上。内方位元素包括像主点在影像坐标系中的坐标（x0，y0）和焦距f。通过外定向，可以建立影像空间坐标系与地面空间坐标系的变换方程，求解内外方位元素，进而得到所研究的像片与所摄物体间的几何和物理关系。

4 数字正射影像制作过程

数字正影像制作过程主要有三个步骤。第一步，使用光束法进行空中三角测量求解内外方位元素；第二步，根据区域文件，产生研究区域的数字化高程模型；第三步，生成区域正射影像平面图，具体流程如图3所示。

图3 数字正射影像图制作流程

Fig.3 Digital orthophoto map production process

4.1 数据准备

（1）大地坐标参数：投影类型为：ransverse Mercator；椭球体类型：Krasovsky；基准面类型：Krasovsky定义的基准面；中央子午线比例尺因子：1；研究区所在的投影带：第22带；带的中央子午线的经度：129度；投影原点的纬度：0度；坐标原点西偏：500 000m；坐标原点北偏： 0。

（2）内方位元素：摄影机型号： RMK 15/23；焦距：F=153.268 72（mm）；框标：格式为（X，Y），具体四个框标值为（106.005，-106.001）、（-106.010， -106.000）、（-105.999 106.001）、（106.001，106.002）；像主点坐标：OX=0.006 63、OY=-0.002 76。

（3）地面控制点：地面控制点为已知X、Y、Z的可识别地物，本研究区地面控制点为通过GPS实地测量得到的。在每个控制点的地理位置上用GPS测得X、Y、Z的同时，在航空像片的硬拷贝上则是对每个选定的地面控制点影像刺点，获得刺点像片，再通过扫描获得数字图像。本研究区域所涉及的航片号从166～179。具体的控制点坐标如表1所示。

表1 研究区域控制点信息

Tab.1 Control point information in study area

控制点号 X Y Z 含控制点的刺点像片

0 316 601 22 495 638.642 5 223 551.346 313.844 166、167

0 316 602 22 495 240.522 5 223 260.697 307.473 166、167、168

0 316 603 22 495 111.051 5 223 161.311 306.485 166、167、168

0 317 401 22 490 702.199 5 5 223 128.658 6 290.784 3 174、175、176

0 317 801 22 488 404.229 9 5 223 151.000 3 297.367 9 177、178、179

0 317 802 22 488 787.792 7 5 223 851.220 5 299.791 6 176、177、178

0 317 803 22 489 015.830 4 5 223 544.459 297.543 8 176、177、178

4.2 应用LPS模块制作正射影像图

4.2.1 空中三角测量

（1）首先创建工程文件，选定进行空中三角测量的大地坐标参数，加载图像，可是一幅或多幅图像，输入内方位元素的值。需要注意的是，要确定飞行的路线是从东向西飞行，还是从西向东飞行，本次研究的航带为从东向西飞行，所以其方向选择为。设置平均飞行高度为3 000米。当框标数据输入完毕后，LPS模块会自动计算误差，如果结果小于0.33个像素，表明可以接受，如果大于，需要重新调整框标位置。本研究中误差为0.06。结果如图4所示。在内定向中完成像素坐标系和影像平面坐标系的转换。

图4 内定向中框标的输入

Fig.4 Inputting the fiducials values

（2）输入地面控制点，目的是获取航空的外方位元素。控制点可分为3种：平高控制点、平面控制点和高程控制点，在控制点类型栏中要分别设置为Full、Horizontal、Vertical。FULL控制点为地面坐标X、Y、Z已知的点，Horizontal控制点为水平控制点，只需知道X、Y坐标即可，Vertical控制点为竖直控制点，仅要求Z坐标。外方位元素共有6个，在空中三角测量时通过共线方程进行求解，要求已知最少3个控制点（X，Y，Z）才能解出外方位元素，为了得到较好的精度，需要采用更多的控制点来进行平差。

（3）连接点的自动化采集。连接点是同一个地物在相邻两幅或多幅航片上的同名像点。连接点的地面坐标未知，既可以手工量测，也可以自动量测。一般采用自动量测。在LPS模块中，可以实现连接点的自动化采集。自动量测后，还可以对每一个连接点通过左右窗口查看该连接点是否符合精度，如果精度没有达到要求，就要对其进行删除，或者像定位控制点一样进行重新定位。图5为两张相邻图像自动化采集连接点后的结果。图6为研究航带中全部13张图像连接在一起的连接点自动化采集结果。

（4）执行空中三角测量。经过以上操作，已经获得了图像上的控制点和相邻图像上的连接点。具备了利用LPS模块进行空三加密所需要的完整信息，就可以求取每张航片的外方位元素、各连接点、平面控制点、以及高程控制点的三维坐标。通过三角测量的结果，查看其方差，若达到精度要求，则选择accept，接受此测量结果。至此，得到了正射影像图，如图7所示。

图5 两张相邻图像自动化采集连接点效果图

Fig.5 The result of check points automated

collection in two images

图6 研究区域所有13张图像的连接点自动化采集结果

Fig.6 The result of check points automated

collection in thirteen images

图7 执行空三加密结果

Fig.7 The results of triangulation

4.2.2 DEM的获取

原始数据有凉水实验林场的DEM数据，通过在ArcView软件中进行掩膜处理，得到研究航带的区域DEM数据。

4.2.3 生成正射影像图

通过空中三角测量的结果，就可以对校正的图像进行重采样，生成一幅校正的正射影像图。具体的过程为：单击“i-