航测知识 |无人机真正射影像的概念和制作原理

正射影像应同时具有地图的几何精度和影像的视觉特征，特别是对于高分辨率、大比例尺的正射影像图，它可作为背景控制信息去评价其他地图空间数据的精度、现势性和完整性。然而作为一个视觉影像地图产品，影像上由于投影差引起的遮蔽现象不仅影响了正射影像作为地图产品的基本功能发挥，而且还影响了影像的视觉解译能力。为了最大限度地发挥正射影像产品的地图功能，近几年来，关于真正射影像( True Orthophoto)的制作引起了国内外的广泛关注，本文主要对真正射影像的概念及制作原理进行简单介绍。

1）遮蔽的概念

这里所说的遮蔽即遮挡，指的是由于地面上有一定高度的目标物体遮挡，使得地面上的局部区域在影像上不可见的现象。航空遥感影像上的遮蔽主要有两种情况，一种是绝对遮蔽，比如高大的树木将低矮的建筑物遮挡了，使得被遮挡的建筑物在航空遥感影像上不可见。另一种则是相对遮蔽，如图1所示，对于地面上的△ABC区域，它在右像片上不可见，即被遮挡了，但在左像片上是可见的；而对于地面上的△DEF区域，则正好相反。

图1 相对遮蔽示意图

这说明对于相对遮蔽而言，影像上的丢失信息是可以通过相邻影响进行补偿的，而绝对遮蔽则做不到这一点。以下只讨论相对遮蔽的情况。

航空遥感影像上遮蔽的产生与投影方式有关。对于地物的正射投影，由于它是垂直平行投影成像，是不会产生遮蔽现象的(树冠等的遮挡除外)，如图2(a)所示。而传统的航空遥感影像，它是根据中心投影的原理摄影成像的，对地面上有一定高度的目标物体，其遮蔽是不可避免的。对于中心投影所产生的遮蔽现象，其实质就是投影差，如图2(a)所示：

图2 遮蔽情况分析示意图

传统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线中心投影)影像通过数字纠正的方法得到。在纠正过程中，对原始影像上由一定高度的地面目标物体所产生的遮蔽现象在纠正后依然存在，这使得正射影像失去了“正射投影”的意义，使得正射影像在与其他空间信息数据进行套合时发生困难，使传统正射影像的应用受到一定的限制。

2）正射影像上遮蔽的传统对策

为了有效地削弱或尽可能地消除正射影像上的遮蔽的影响，使正射影像产品满足相应比例尺地图的几何精度要求，人们提出了许多有效地限制中心投影影像(包括所生产的正射影像)上遮蔽现象的办法或措施，主要策略包括以下几种：

(1)影像获取时的策略。通过在摄影时采用长焦距摄影、提高摄影飞行高度、缩短摄影基线等方法以增加像片的重叠度，以及在航空摄影航飞线路设计时尽量避免使高层建筑物落在像片的边缘等手段，减少因地面有一定高度目标物体所引起的投影差(遮蔽)，也即缩小像片上遮蔽的范围。

(2)纠正过程中的策略。尽量利用摄影像片的中间部位制作正射影像，因为中心投影像片的中间部位其投影差较小甚至无投影差，换句话说就是此处的遮蔽范围较小或根本无遮蔽。

(3)传感器选择的策略。随着线阵列扫描式成像传感器的应用越来越广泛，人们希望利用线阵列扫描式传感器影像来制作正射影像。因为对于垂直下视线阵列扫描影像而言，地面有一定高度的目标只会在垂直于传感器平台飞行的方向上产生投影差(遮蔽)，而在沿飞行方向则无投影差(遮蔽)，如图3所示：

图3 线阵列扫描影像的遮蔽

传统的正射影像虽然被冠以“正射“两字，但却不是真正意文上的正射影像。这是因为传统正射影像的制作是以2.5维的数字高程模型(DEM)为基础进行数字纠正计算的。

而DEM是地表面的高程，即它并没有顾及地面上目标物体的高度情况，因此，微分纠正所得到的影像虽然被叫作正射影像，但地面上3维目标(如建筑物、树木、桥梁等)的顶部并没有被纠正到应有的平面位置(与底部重合)，而是存在投影差。

随着G1S重要性的增强，人们常常会把正射影像特别是城区大比例尺的正射影像作为G1S数据库底图来使用，以更新G1S数据库或用于城市规划等目的，此时就会发现正射影像与其他类型图件进行套合时发生困难，正因为如此，正射影像就不适合作为底图对其他图件进行精度检查或进行变化检测。为此，人们提出了制作“真正射影像”的要求。

所谓真正射影像，简单一点讲就是在数字微分纠正过程中，要以数字表面模型(DSM)为基础，来进行数字微分纠正。对于空旷地区而言，其DSM和DEM是一致的，此时只要知道了影像的内、外方位元素和所覆盖地区的DEM，就可以按共线方程进行数字微分纠正了，而且纠正后的影像上不会有投影差。

实际上，需要制作真正射影像的情况往往是那些地表有人工建筑或树木等覆盖的地区，对这样一些地区，其DSM和DEM的差别就体现在人工建筑或树木等的高度上，换句话说，为了制作这些地区的真正射影像，就要求在该地区的DEM基础上采集所有高出地表面的目标物体高度信息，或直接得到该地区的DEM，以供制作真正射影像所用。

然而，在实际真正射影像的制作过程中，还有两个方面的问题需要考虑到两点。

①DSM采集的困难。就目前数字摄影测量及其相关技术的发展水平而言，DSM的采集主要有两种方法：一是采用半自动的方式在摄影测量工作站上采集得到，二是可以用机载三维激光扫描仪或断面扫描仪直接扫描得到。上述两种方法理论上都是可行的，但由于实际地表覆盖的高低起伏很复杂，若以较大的采样间隔去采集DSM，将直接影响所生成的真正射影像质量；另外，DSM采集的对象是否有必要包括地面上一切有一定高度的目标也值得考虑。

②相对遮蔽信息补偿的困难。因为在原始中心投影影像上，由于遮蔽的存在，地面局部被遮挡区域并未成像，如图4所示。对于这样的区域，当纠正得到的真正射影像后，会在对应的被遮蔽区留下信息缺失区，即这部分信息无法从原始中心投影影像上获得。要使真正射影像能完整地反映地面的信息，必须设法在纠正后的影像上对遮蔽处所缺失的信息进行填充补偿。从理论上讲，对遮蔽信息进行补偿的最好方法就是利用相邻有重叠影像上的对应信息来进行填充补偿。

图4 正射投影及遮蔽示意图

真正射影像的具体制作过程可以用图5所示的流程图来表示。

图5 真正射影像制作流程图

对该流程图的说明如下：在具有多角度重叠的像片中，选择一张影像作为主纠正影像，而其他影像则作为从属影像用来补偿主纠正影像上被遮挡部分的信息，即在从属影像上挖出相应部分的信息填充到主纠正影像的被遮蔽区域。当然，这样做的前提是主纠正影像上被遮蔽处要在从属影像上可见，否则，被遮蔽处的信息只能通过其他方式进行填充补偿，如利用相邻区城的纹理进行填充补偿，不管采用什么方式对主纠正影像被遮蔽区域的信息进行填充补偿，都要顾及所填充内容与其周边在亮度、色彩和纹理方面的协调性。

需要进一步说明的是，图5所描述的制作真正射影像的过程多少还是有些理想化，因为实际地表面的情况复杂，无论从DSM的采集或遮蔽信息的补偿哪一方面讲，都不是一件简单的工作。

随着数码航空相机的发展和数码航空摄影技术的广泛使用，充分利用数码航空相机不需胶片这一特点，在航空摄影时可以大提高飞行的重叠度。在利用多像前方交会改善对地定位精度的同时，也可充分利用每张影像像底点附近的局部影像来制作真正射影像，这样得到的正射影像虽然不是严格意义上的真正射影像，但却可以避免对影像缺失信息进行填充的麻烦。

来源：科力达仪器