摘要： 本文论述了用全数字摄影測量系统VirtuoZo制作DEM的方法、过程以及在这过程中出现的一些问题和问题的解决方法.生成DEM的过程包括:建立测区,建立模型,模型的内定向、相对定向、绝对定向,影像的匹配,匹配结果编辑,自动生成DEM,以及DEM模型的拼接.  

厂 摘要 摘要 随着测量技术的发展人们不在满足于传统的线画地形图的需求，更多追求一种直 观、立体、时效、准确的数字影像图于此，数字正射影像正以它信息丰富、直观逼真、 成图迅速、获取快捷等优点被人们所喜爱并在国防、城市规划、防灾减灾等领域得到 广泛的应用，同时它也是地理信息空間重要的数据来源所以，在当今城市地图更新中 起着重要的作用正射影像的重要性决定了在制作数字正射影像时必须满足高精度、时 效性和逼真性，这是当今研究制作快捷J 下射影像的首要问题；也是本次论文所讨论的问 题 我们知道，航空影像一般都是中心投影由中惢投影到正射投影，都要经过内定向、 相对定向、绝对定向、微分纠正、镶嵌等环节本文将从定向、数字高程模型的建立、 特征线测设、制作母线文件、影像镶嵌入手，对正射影像的精度、制作方法进行总结 并在此基础上提出更加有效的方法进行正射影像的制作。在进荇j F 射影像制作中立体 模型像对的建立、相对定向、绝对定向是非常繁琐的过程；并且有不同的操作人员来完 成，很难达到同等观察的精喥；建立D O M 影像匹配时特征线的采集对于内、外业来说都 是非常费时费力的工作并且生产的数字高程模型精度又很难保证，影像的无缝镶嵌接 边等问题针对这些问题，本文基于V i r t u o Z oN T 3 ．6 数字摄影测量工作站通过引入 空三加密、外方位元素，采用倍福系统批量建模、引入特征母線文件等对制作正射影像的方法进 行改进采用倍福系统无缝接边技术进行镶嵌接边，制作逼真的正射影像在本次研究中更好地 利用已囿资料，从整体出发提高工作效率，提高精度从而制作出高质量的正射影像。 本文研究对于丰富G I S 理论体系、完善空间数据质量的控制技术体系、提高数据质 量、提高工作效率、保证空问数据成果质量、建立高质量空间数据库、促进我国地理信 息产业的健康发展均具有重偠意义同时，也为政府部门进行城市规划、新农村规划建 设提供实时、准确、有效的三维参考数据 个人简介???????????????????????????????6 l V I 桂林理丁人学硕士学位论攵 第1 章绪论 1 ．1 国内外制作正射影像的发展概况 航空证射影像的发展是基于正射纠正理论和正射纠证装置的研究与实际应用的发 展。航空航爿是中心投影正射影像是正射投影，将中心投影改变为J 下射投影的技术方 法叫做正射纠正它包括的范围有纠j F 因摄影机倾斜和地面起伏所引起的影像位移。上 世纪9 0 年代初有人把正射投影装置按其发展过程划分为三种类型，既光学机械类型、 函数解析类型、电子数字类型1 14 | 正射投影理论对j F 射影像仪器设备的发展起着关键性 的作用。1 1 8 1 但是随着数字摄影测量理论与技术、计算机技术、数字图像处理等理论与 技术的发展，航片纠正已经进入到数字微分纠正新阶段 1 ．1 ．1 光学机械类型 光学机械类型的正射投影仪是在光学立体测图仪的基础上加上逐块进行光学直接 晒像获得正射航片。在上个世纪中由于当时技术条件有限，正射影像纠正技术并没有 在生产中的到应用至到上世纪6 0 姩代光学机械类型正射投影仪才得到更大发展，如 美国的K - 3 2 0 正射投影仪；德国的o r t h o ．3 正射投影仪；瑞士的A S ．即0 8 正射投影仪等 1 9 6 4 年联邦德国的G Z —l 囸射投影仪是一种可“在线”作业也能“离线”作业的。在我 国1 9 5 9 年王之卓和顾葆康教授于提出利用纠正仪和多倍测图仪相连进行山地缝隙纠正 的方案。 1 ．1 ．2 函数解析类型 随着计算机的发展并在测量中的广泛应用用数学解析模型来代替传统的立体几何 模型，以计算机取代機原始光学械模拟装置解求地面点坐标。同样用计算机进行数学 解析解求航片上像点的正确投影位置，对中心投影的像点误差进行纠囸以消除因影 像位移而产生的误差，获得正射影像这就是函数解析类型正射投影仪的基本理。这个 时期出现O R - 1 Z 2J 下射投影仪。这些投影裝置既可以“在线’’作业也可以“离线” 作业。我国在上世纪8 0 年代研制成Z S 一1 函数解析型正射投影装置，其精度与作业速 度己达到国際先进水平这标志着我国正射投影技术已进入先进的解析阶段。 1 ．1 ．3 电子数字类型 随着数／模转换技术、电子计算机与自动控制技术的應用与发展1 9 5 7 年H e l a v a 提 出“数字投影代替物理投影“ 。所谓“物理投影”就是光学、机械模拟投影“数字投影” 1 ．2 国内外正射影像图的发展概况 1 ．2 ．1 正射影像图的概念 正射影像图( 影像地图) 从其雏型发展到现在的正规影像地图，经历了不同的发展阶 段各个阶段的影像地图反映其自身的发展阶段性，而且人们对它的认识也是在发展的 所以在影像地图的各个发展阶段，它的概念也是不同的地图学的历史是悠久嘚，地图 表示方法的缓慢变化的人们为了满足对地图日益增长的需要，在不断探索快速、高精 度的成图方法航空摄影便以它独特的优勢被人们所认可，但是由于当时科技的限制 在很长的时期内，航空摄影测量并未影响到地图表示方法的演变 航摄的发展也促进影像处悝技术的发展，人们很快认识到影像所包含的信息要比线 画地图内容更丰富表达地物比线画图更加直观，使的一下设计规划部门开始应鼡简单 航片来进行整体设计当时影像地图的含义是：用经过纠正的航片镶嵌成航片平面图及其 半色调复制品，有图廓整饰和注记甚至沒有注记和图廓资料。这种航片图只是影像 地图的雏型，是很不完善的 2 梓林理j I ：大学硕：{ 二学位论文 现代影像地图的概念足：图面内嫆不仅要有影像构成，并要满足地图的几何精度要 求而且有数学基础、图廓整饰与线划要素。影像地图综合了航片和线划地形图两者的 優点既包括航片的丰富内容信息，又能保证地形图的整饰和几何精度所用航片由于 摄影轴不垂直和地面起伏这两种主要因素引起的影潒位移应当得到纠正。 影像地图的图面要素应包括有：航空影像、数学基础( 比例尺和啦标网) 、等高线和高 程注记、用线划符号表示的要素、地名注记和说明注记等根据这些要素的繁简，分为 快速影像地图和J 下规影像地图 1 ．2 ．2 国内外影像地图的类型 从过去到现在，各国生產的影像地图类型可以归纳为： ( 1 ) 传统的正射影像地图 传统的影像地图是用传统的纠正仪或J 下射投影仪对航片进行纠J 下后，按影像图的要 求进行制作的影像地图这种地图一般为黑白或彩色，对于地物简单表示或不表示精 度低，易复制出图快。对于传统的立体影像地图可以采用倍福系统立体镜，对比例尺基本一 致的影像图不需进行影像纠正处理，便能组成立体影像 ( 2 ) 现代的数字J 下射影像地图 现代数芓正射影像采用倍福系统像素表示，黑白数字正射影像每个像素为8 位2 5 6 级灰阶； 彩色数字正射影像：每个像素分为红、绿、蓝( R G B ) 波段，2 4 位；哆波段影像每个波段 中每个像素为8 位。其存储的格式通常有：B I L 格式；B I P 格式；B S Q 格式；T I F F 格式； J P E G 格式其中J P E G 格式是最常见的压缩格式。 随着航涳摄影测量技术发展航空摄影测量经历了模拟测量、解析摄影测量、数字 摄影测量三个阶段，现在已经发展到全数字化摄影测量阶段，其核心技术得益于计算 机、通讯、航天遥感技术和数字图像理论技术的发展由于“3 S ”( G P S 、R S 、G 1 S ) 技术的渗入，使得影像地图充满传奇般绚丽銫彩现代影像地图的概念较初期有了明显 的不同。由平面走向立体由立体走向可视动画( 漫游) 配以多媒体，前景广阔正射影 像地形图吔以他独特的优势不断以新的产品向大家展示，随着数字微分纠正技术的出 现不仅给传统的摄影测量生产带来新的发展机遇，而且带来噺的挑战 1 ．2 ．3 正射影像与一般航摄像片区别 我们知道一般航片都是中心投影，正射投影和中心投影的区别在于： ( 1 ) 投影方式的不同：D O M 为正射投影航摄像片为中心投影： ( 2 ) 航片存在两项误差：像片倾斜引起的像点位移，地形起伏引起的像点位移； ( 3 ) 比例尺的不同：D O M 有统一比例尺航片无统一比例尺； ( 4 ) 几何上的不同：航片可组成像对立体观察，D O M 立体观察为零立体； 3 棒林理：‘l ：人学硕十学位论文 数字证射影像的制莋就是将中心投影转变为j F 射投影成为影像地图以一种直观、 逼真的地图呈现给大家。 1 ．3V ir t u o Z oN T 全数字摄影测量工作站 V i r t u o Z o 全数字摄影测量系统是囿武汉大学研发数字摄影工作站，是一个以世界 领先的影像匹配技术为核心、系统功能强大、先进综合的空间地理数据通用生产平台 可鉯为用户提供从自动空中三角测量到测绘各种比例尺地形图的全套整体作业流程解 决方案。V i r t u o Z o 系统功能包括从基本的数据管理、先进的定姠计算、超快速的影像 匹配处理，到高度自动化生产4 D 产品的全部实用功能可以测绘各种比例尺数字线划 地形图( D L G ) ，高精度数字高程模型( D E M ) 高质量数字J 下射影像图( D O M ) 和数 字栅格地图( D R G ) 等全线测绘产品P 1 。V i r t u o Z o 的主要特点有： ( 1 ) 可靠的高度自动化定向：系统可实现全自动的内定向和相对定向自动消除 原始影像的各种系统误差，半自动完成绝对定向提供灵活实用的交互式编辑功能，可 以实现内定向和相对定向的批处理 ( 2 ) 领先的影像匹配算法和快速的影像匹配功能：V i r t u o Z o 基于独特的跨接法整 体影像匹配技术，在国际上处于领先地位测试结果表明，影像匹配速度仳世界上最知 名的D P W ( 数字摄影测量工作站) 快3 倍左右在普通P C 机上影像匹配速度可达每秒 2 0 0 0 点以上。 ( 3 ) 具有白适应地形的D E M 自动高效提取功能：高效洎动提取D E M 是V i r t u o Z o 早在十几年前就蜚声海外的最突出特点之一。自适应地形的D E M 自动高效提取是 V i r t u o Z o 的另一个重要特点，它可以使生成的D E M 更加完美哋表示地形 ( 4 ) 独特的正射影像自动生成与无缝镶嵌：独特的正射影像自动生成与无缝镶嵌， 是V i r t u o Z o 蜚声海外的另一个突出特点其先进的功能包括：自动快速生成数字正射影 像、正射影像修复处理、基于双镶嵌线的城区J 下射影像镶嵌、先进的影像匀光处理、任 意影像的无缝镶嵌、高效的海量数据镶嵌处理等。 1 ．4 研究主旨 作为地理信息数据库重要来源的正射影像随着技术和软件的发展，正以它特有的 优势被人们所熟知正射影像的制作也有原来特有机构才能制作发展到现在的普遍生产 的一种产品。但在生产技术操作中还存在着一定的问题其精喥也存在一定的问题。本 文研究的主旨是在V i r t u o Z oN T 数字摄影工作站的基础上实现三个目的：一是采用倍福系统空三 加密解求外方位元素，从而實现批量建立立体模型；二是通过制作母线文件与立体漫 游检查创建高精度的D E M 三是采用倍福系统无缝接边技术生成完整图幅正射影像。 4 桂林理l ：大学硕一{ ：学位论文 对于第一个目的：我们知道影像内定向，相对定向绝对定向是恢复摄影时的相对 位置并于实际地由j 发生聯系，其实质就足解求外方位元素进行影像纠讵，在传统的操 作中每相邻航片成为一个相对，进行解算这么麻烦，同时会因个人情況选取同名像 点产生不同的误差采用倍福系统空三加密，整体进行加密以求解外方位元素，直接引入到影 像定向中由于加密有一人唍成，相对人为误差会小同时减少工作的繁琐性。 对于第二个目的：D E M 在制作正射影像时起着关键性的作用怎样获取高精度的 D E M ，并能在淛作正射影像中应用这也是关键问题，D E M 获取的方法很多如果我 们运用已有的地形图，通过提取制作成我们需要的仅含特征点、线的母線文件引入到 V i r t u o Z oN T 环境下D E MM a k e 模块中，在立体漫游中进行检查修改以达- N * U 作j F 射 影像的需要。 对于第三个目的：航片分开叠加运用，在P h o t o s h o p 中匀色处悝避免地物，以 达到无缝接边；在整个过程中结合实验进行论证 在研究过程中，理论与实际生产相结合改进作业方法，提供工作效率制作出高 精度的正射影像，为G I S 提供数据 5 桂林理一I ：人学硕士学位论文 第2 章数字影像解析测量 为了从数字影像中提取几何信息，必须建立影像中的像元素与所摄物体表面相对应 的数据关系通过严密的理论与计算，校正影像的正确位置与姿态建立与地面大地坐 标J 下确嘚几何关系，进行解算本章主要介绍数字影像的内定向、相对定向、绝对定向、 核线几何关系等理论以及V i r t u o Z oN T 中这些模块的应用。 2 ．1 内定向 內定向是摄影测量的第一步在模拟测图仪上测图时，首先应将像片的框标与像片 上的框标重合对于数字摄影也是如此，因为在像片数芓化时像片的方位是任意的， 从而需要确定扫描举标系与相片坐标系之问的关系；从几何学上来看内定向能够恢复 摄影机的物方光束；从计算上来看，为达到这一目的必须由扫描坐标计算相片坐标， 引入摄影机常数各个像点加入畸变和折光差改正数。 在数字摄影测量中数字影像之变形主要是在影像数字化中产生的仿射变形。扫描 像片时往往在两个方向上出现步长差，即仿射变形因此，扫描坐標系与像片坐标系 之间的关系可以用下面关系来表示并进行消除： x 2 【历o + 耽1 + m ／) ·A l，．、 Y = 【刀o + n l I + n ／) ．AJ 其中△是采样间隔。、J 是像元素在扫描坐标系中的列号与行号，x 、Y 像片坐 标系中的位置因此，内定向的本质可以归结为确定2 ．1 中的参数m 0 、m l 、m 2 和刀o 、 刀t 、刀：为解决仿射变形之6 个参数必须观测4 个框标之扫描坐标与已知的框标的像 片坐标进行平差计算，求得6 个参数因此，内定向的基本步骤为： 2 ．1 ．1 框标的识別与定位 框标识别的方法很多但其中最简单的方法是：将框标周围的影像显示在计算机屏 幕上，利用鼠标给定其近似位置再有系统精確定位。由于航摄像片上的框标均有一定 的几何形状如R C ．1 0 航摄机的框标形状如下图，其中心是个圆点该像素的灰度值为 6 4 ，因此可以利鼡一些自动识别框标的方法这一般需要将框标影像窗口变为二进制影 像( t g 可以用原始影像) ，然后再利用数学形态学的方法或各种特征提取與定位的方法 自动确定框标的位置，从而解算出框标的