無人機真正射影像的概念和制作原理

1）遮蔽的概念這里所說的遮蔽即遮擋，指的是由于地面上有一定高度的目標物體遮擋，使得地面上的局部區(qū)域在影像上不可見的現(xiàn)象。航空遙感影像上的遮蔽主要有兩種情況，一種是絕對遮蔽，比如高大的樹木將低矮的建筑物遮擋了，使得被遮擋的建筑物在航空遙感影像上不可見。另一種則是相對遮蔽，如圖1所示，對于地面上的△ABC區(qū)域，它在右像片上不可見，即被遮擋了，但在左像片上是可見的；而對于地面上的△DEF區(qū)域，則正好相反。圖1相對遮蔽示意圖這說明對于相對遮蔽而言，影像上的丟失信息是可以通過相鄰影響進行補償?shù)?，而絕對遮蔽則做不到這一點。以下只討論相對遮蔽的情況。航空遙感影像上遮蔽的產(chǎn)生與投影方式有關(guān)。對于地物的正射投影，由于它是垂直平行投影成像，是不會產(chǎn)生遮蔽現(xiàn)象的(樹冠等的遮擋除外)，如圖2(a)所示。而傳統(tǒng)的航空遙感影像，它是根據(jù)中心投影的原理攝影成像的，對地面上有一定高度的目標物體，其遮蔽是不可避免的。對于中心投影所產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象，其實質(zhì)就是投影差，如圖2(a)所示：圖2遮蔽情況分析示意圖傳統(tǒng)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線中心投影)影像通過數(shù)字糾正的方法得到。在糾正過程中，對原始影像上由一定高度的地面目標物體所產(chǎn)生的遮蔽現(xiàn)象在糾正后依然存在，這使得正射影像失去了“正射投影”的意義，使得正射影像在與其他空間信息數(shù)據(jù)進行套合時發(fā)生困難，使傳統(tǒng)正射影像的應(yīng)用受到一定的限制。2）正射影像上遮蔽的傳統(tǒng)對策為了有效地削弱或盡可能地消除正射影像上的遮蔽的影響，使正射影像產(chǎn)品滿足相應(yīng)比例尺地圖的幾何精度要求，人們提出了許多有效地限制中心投影影像(包括所生產(chǎn)的正射影像)上遮蔽現(xiàn)象的辦法或措施，主要策略包括以下幾種：(1)影像獲取時的策略。通過在攝影時采用長焦距攝影、提高攝影飛行高度、縮短攝影基線等方法以增加像片的重疊度，以及在航空攝影航飛線路設(shè)計時盡量避免使高層建筑物落在像片的邊緣等手段，減少因地面有一定高度目標物體所引起的投影差(遮蔽)，也即縮小像片上遮蔽的范圍。(2)糾正過程中的策略。盡量利用攝影像片的中間部位制作正射影像，因為中心投影像片的中間部位其投影差較小甚至無投影差，換句話說就是此處的遮蔽范圍較小或根本無遮蔽。(3)傳感器選擇的策略。隨著線陣列掃描式成像傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，人們希望利用線陣列掃描式傳感器影像來制作正射影像。因為對于垂直下視線陣列掃描影像而言，地面有一定高度的目標只會在垂直于傳感器平臺飛行的方向上產(chǎn)生投影差(遮蔽)，而在沿飛行方向則無投影差(遮蔽)，如圖3所示：圖3線陣列掃描影像的遮蔽傳統(tǒng)的正射影像雖然被冠以“正射“兩字，但卻不是真正意文上的正射影像。這是因為傳統(tǒng)正射影像的制作是以2.5維的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)進行數(shù)字糾正計算的。而DEM是地表面的高程，即它并沒有顧及地面上目標物體的高度情況，因此，微分糾正所得到的影像雖然被叫作正射影像，但地面上3維目標(如建筑物、樹木、橋梁等)的頂部并沒有被糾正到應(yīng)有的平面位置(與底部重合)，而是存在投影差。隨著G1S重要性的增強，人們常常會把正射影像特別是城區(qū)大比例尺的正射影像作為G1S數(shù)據(jù)庫底圖來使用，以更新G1S數(shù)據(jù)庫或用于城市規(guī)劃等目的，此時就會發(fā)現(xiàn)正射影像與其他類型圖件進行套合時發(fā)生困難，正因為如此，正射影像就不適合作為底圖對其他圖件進行精度檢查或進行變化檢測。為此，人們提出了制作“真正射影像”的要求。所謂真正射影像，簡單一點講就是在數(shù)字微分糾正過程中，要以數(shù)字表面模型(DSM)為基礎(chǔ)，來進行數(shù)字微分糾正。對于空曠地區(qū)而言，其DSM和DEM是一致的，此時只要知道了影像的內(nèi)、外方位元素和所覆蓋地區(qū)的DEM，就可以按共線方程進行數(shù)字微分糾正了，而且糾正后的影像上不會有投影差。實際上，需要制作真正射影像的情況往往是那些地表有人工建筑或樹木等覆蓋的地區(qū)，對這樣一些地區(qū)，其DSM和DEM的差別就體現(xiàn)在人工建筑或樹木等的高度上，換句話說，為了制作這些地區(qū)的真正射影像，就要求在該地區(qū)的DEM基礎(chǔ)上采集所有高出地表面的目標物體高度信息，或直接得到該地區(qū)的DEM，以供制作真正射影像所用。然而，在實際真正射影像的制作過程中，還有兩個方面的問題需要考慮到兩點。①DSM采集的困難。就目前數(shù)字攝影測量及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平而言，DSM的采集主要有兩種方法：一是采用半自動的方式在攝影測量工作站上采集得到，二是可以用機載三維激光掃描儀或斷面掃描儀直接掃描得到。上述兩種方法理論上都是可行的，但由于實際地表覆蓋的高低起伏很復雜，若以較大的采樣間隔去采集DSM，將直接影響所生成的真正射影像質(zhì)量；另外，DSM采集的對象是否有必要包括地面上一切有一定高度的目標也值得考慮。②相對遮蔽信息補償?shù)睦щy。因為在原始中心投影影像上，由于遮蔽的存在，地面局部被遮擋區(qū)域并未成像，如圖4所示。對于這樣的區(qū)域，當糾正得到的真正射影像后，會在對應(yīng)的被遮蔽區(qū)留下信息缺失區(qū)，即這部分信息無法從原始中心投影影像上獲得。要使真正射影像能完整地反映地面的信息，必須設(shè)法在糾正后的影像上對遮蔽處所缺失的信息進行填充補償。從理論上講，對遮蔽信息進行補償?shù)淖詈梅椒ň褪抢孟噜徲兄丿B影像上的對應(yīng)信息來進行填充補償。圖4正射投影及遮蔽示意圖真正射影像的具體制作過程可以用圖5所示的流程圖來表示。圖5真正射影像制作流程圖對該流程圖的說明如下：在具有多角度重疊的像片中，選擇一張影像作為主糾正影像，而其他影像則作為從屬影像用來補償主糾正影像上被遮擋部分的信息，即在從屬影像上挖出相應(yīng)部分的信息填充到主糾正影像的被遮蔽區(qū)域。當然，這樣做的前提是主糾正影像上被遮蔽處要在從屬影像上可見，否則，被遮蔽處的信息只能通過其他方式進行填充補償，如利用相鄰區(qū)城的紋理進行填充補償，不管采用什么方式對主糾正影像被遮蔽區(qū)域的信息進行填充補償，都要顧及所填充內(nèi)容與其周邊在亮度、色彩和紋理方面的協(xié)調(diào)性。需要進一步說明的是，圖5所描述的制作真正射影像的過程多少還是有些理想化，因為實際地表面的情況復雜，無論從DSM的采集或遮蔽信息的補償哪一方面講，都不是一件簡單的工作。隨著數(shù)碼航空相機的發(fā)展和數(shù)碼航空攝影技術(shù)的廣泛使用，