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真正射影像(TrueOrtho)的生产和应用

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遥感真正射影像像素工厂

真正射影像(TrueOrtho)的生产和应用

李观石

(江苏省基础地理信息中心系统开发部，南京210013)

摘要：真正射影像(TrueOrho)又叫全正射影像，是当前我国测绘领域内新近出现的一个测绘产品，本文介绍了真正射影像的基本概念、生产方式和基本应用，还介绍了目前最好的生产真正射的集群式数字摄影测量系统——像素工厂，最后总结了真正射影像在当前生产实际中遇到的问题。

关键词：真正射；DSM；像素工厂

一、前言

随着国民经济的不断发展，我国的社会面貌发生了天翻地覆的变化，滞后的管理规划与快速的经济发展不协调，导致了一系列的经济、社会和环境问题。例如基础设施薄弱和城市管理制度不完善制约了参与经济全球化；沿海地区水资源、土地以及能源短缺，极大的制约了经济的发展和人民生活质量的进一步提高；城市空间向外围的扩展规划不甚合理，造成了资源浪费的等等。遥感信息正是解决这些突出问题的重要信息源之一。

遥感影像以其信息量丰富、直观，获取速度快、现势性强、管理动态性强、经济实惠以及应用上的广泛性、内容上的详细性等特点已经成为城市基础地理空间数据框架中极其重要的组成部分。传统的数字正摄影测量是从1997年才大规模开展的，历经将十余年的发展，在我国大部分发达城市都实现了正射影像覆盖，尤其在广东、江浙地区，以正射影像为主的数字摄影测量产品在各个相关行业得到了广泛应用。

但是，随着影像获取手段的不断发展和各需求部门对影像的更高要求，越来越多的大比例尺正射影像进入了生产领域。但是大比例尺对航空摄影和内业生产都有很多新挑战。在城市区域，影像的拼接和接边区域地物的过渡实现起来十分困难，建筑物密集地区高大建筑物对地表信息造成了遮挡。为了适应这种要求，有关专家提出了真正射的概念，在国际上，真正射影像已经在很多范围得到了应用，并正在越来越多的被业内人士关注。

二、真正射影像和DSM的概念

数字真正射影像图（True Ortho； True Digital Ortho Map, TDOM）是基于数字表面模型（Digital Surface Map, DSM），利用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，TDOM是对整个分区进行影像重采样，采样后影像的质量主要取决于 DSM质量的好坏。只有高质量的DSM能够生成高质量的真正射影像。

数字表面模型（Digital Surface Map, DSM）是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度信息的地面高程模型。和DEM相比，DSM进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。而DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表地物的高程信息。在一些对建筑物密集，人类活动频繁的地区，DSM有广阔应用情景，并得到了很大程度的重视。

三、真正射影像的生成方式和流程

从遥感影像的获取到真正射影像生成基本经历如下几个过程：

第一、遥感影像的获取。真正射影像对航空摄影前期飞行要求有别于传统的正射影像。按照国家相关规范，平地地区，飞行航带的的航向重叠和旁向重叠分别是 60％和25％左右，而真正射要求至少分别达到68％和75％左右，这样才能够生产出符合质量要求的真正射影像。总的原则，就是保证航向和旁向的基高比参数值（B/H）小于0.3，减少因航摄角度偏大对DSM精度的影响。另外还要保证在航向和旁向分别至少要有3度重叠。符合这些条件的影像才能够生成高质量真正射影像。下表是不同相机重叠度要求：

第二、空三解算。空三解算通常采用光束法空中三角测量。国内传统的方式是外业布设具有一定密度的相控点，内业进行空三加密生成每张相片的六个内方位元素的方法。很多发达国家很多都采用惯性导航测量技术（IMU/DGPS）直接生成相片的六个内方位元素，大大缩短了生产周期。随着IMU/DGPS系统应用的日趋广泛，给内业处理包括真正射影像的处理带来了更多的便利和更高的效率。

第三、自动生成DSM。通过匹配立体相对上的同名像点，利用共线方程计算该点的高程。对于高重叠度的相对，按照摄影测量学相关原理，立体相对的基高比越大，像点的高程精度越高，反之，立体相对的基高比越小，像点的高程精度越低。在生成真正射影像的前期航空摄影技术设计中，我们通常要求基高比（B/H）小于0.3，相应的，生成点的高程精度也会降低。但是，高度重叠的影像同一地点拥有多个相对，利用多目视觉的原理，通过生成的多个相对生成的高程值，得到最后的高程。

第四、手动编辑DSM。计算机完成了大部分的计算任务，但是在个别区域，DSM需要人工干预，进行DSM的编辑。最终DSM精度要满足相关规定要求。图1是一个DSM的渲染图。从图2到图3，是DSM和真正射影像之间的基本关系。在拐角处，DSM和真实高度有一定的差异，这种差异取决于飞行的重叠度和地面采样间隔GSD。

图1 DSM彩色渲染图

图2 实际地形

图3 生成的DSM轮廓线

第五、计算真正射影像。真正射影像是在DSM的基础上进行重采样，重采样的过程是对影像进行几何纠正的构成，由于DSM保留了建筑物、桥梁和树木等的高程信息，因此最终生成的影像，不但对地形进行了纠正，而且对地表建筑物等也进行了纠正，保持了垂直角度的地表景观，解决了大比例尺城区正射影像拼接困难以及拼接后影像接边区域不自然、高大建筑物对其它地表信息的遮挡等弊端，并能快速的生成地表三维、城市三维景观。在尝试建设三维数字城市方面，取得了不错的效果。在国外，已经得到了一定的应用和推广。下图是两幅影像的对比，图4是传统的正射影像图，图5是真正射影像图。

图4 一般正射影像图图 5 真正射影像图

四、真正射影像的应用

PF系统生成的最终产品可以容易的生成更加接近用户使用的产品形式，使用DSM和真正射影像叠加，可以生成城市三维景观。另外还可以加工成土地利用图，地形三维景观图等、城市变化检测图等。PF对区域地物变化的自动检测能力很高，通常能够达到90%以上，这样就大大的节省了人工劳动。下图是一些应用的例子：

图6 三维数字城市景观图7真正射影像图

五、真正摄影像在生产和应用简介

江苏省基础地理信息中心在2007年5月份正式引进法国信息地球公司（InfoTerra，Fr）的像素工厂（Pixel Factory）系统一套，用于海量数据遥感影像的生产。该系统配备了6个刀片计算机组成计算群，拥有在线存储能力7T，3台服务器，一个Oracle数据库和一台磁带机，用于批量生产DSM/DEM，真正射影像和正射影像。图8是设备硬件结构图。

图8像素工厂硬件设备结构图

PF的数据处理是一个自动化的过程，通过设定系统的基于数据驱动的工作流，可以对项目进度进行计划的安排，包括项目开始时间，终止时间，最终结果的产品形式等。基于分布式运算，可以对拥有海量数据的项目进行处理，该系统具有高度的自动化能力和快速计算能力。其主要特点有：

1）多种传感器兼容。它能够兼容目前市场上的主流传感器，能够处理ADS40、UCD、DMC等数码影像，也能处理RC30等传统胶片扫描影像。

2）开放式的系统框架。PF系统是基于标准J2EE应用服务开发的系统，使用XML实现不用结点之间的交流对话，支持跨平台管理。

3）自动处理能力。系统具有高度的自动化能力，从空三解算到最终产品如DSM,DEM,GroundOrtho,TrueOrtho等，系统根据计划自动分析，处理各项任务，尽可能的实现自动处理。

4）并行计算能力和海量在线存储。

目前该系统已经完成了国内首批飞行的ADS40影像数据、国内首次飞行的UCD、DMC数据和多种试验数据，均取得了不错的效果。

下图为像素工厂的生产能力评估：

产品	地面分辨率	重叠率	面积 / 架次	面积 / 月
ADS40 生成DSM和真正射影像	0.25m	80%	600 km²	5400 km²
ADS40 生成DTM和正射影像	0.5m	30%	2500 km²	22500 km²
面阵相机(UCD,DMC,RC30) 生成DSM和真正射影像	0.25m	70%/70%	500 km²	3000 km²
面阵相机(UCD,DMC,RC30) 生成DTM和正射影像	0.5m	60%/30%	600 km²	1800 km²

六、生产中遇到的问题

真正射影像在国内刚刚起步，作为新生事物，我们在生产实际中也遇到了新的问题。

比如由于基于框幅式影像的真正射影像必须满足高重叠和高分辨率这两种基本条件，为了不使内业空三加密的精度降低，需要大量增加野外相控点的布设密度，这给不论内业还是外业都带来了更大的工作量，并且国内很多传统的空三加密系统需要升级以适应高密度影像的加密。目前国外普遍采用了惯性导航测量技术，在航空摄影过程中，实时的记录飞机的飞行姿态，这些参数很容易转换城内业空三加密所需的参数。但这项技术的引进面临着国外的技术壁垒，并且价格昂贵。

另外，作为新生事务，关于真正射产品国家和行业还没有制定出一套完整的产品生产规范、检测标准等，这些对于产品的应用和推广都是极为重要的。