铁路航测调绘片自动制作方法研究

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

传统航测调绘片采用人工制作方法，包括调绘范围框制作、调绘框命名、影像裁剪、影像旋转、调绘片尺寸调整、调绘片命名及输出等步骤。传统制作方法存在以下几个问题：

(1)需要多个软件协同操作(AutoCAD、 Globalmapper、Photoshop等)，操作步骤多，制作效率低。

(2)正射影像的数量大，对电脑配置要求较高。

(3)调绘片制作不够规范，在调绘片命名以及调绘片尺寸方面不统一。

(4)每个步骤均需要人工参与，效率低且易出错。

1 调绘片制作流程

纸质调绘片是铁路勘察设计阶段地形图制作的重要作业工序，其基本流程主要包括三个部分：①范围框的制作。②根据铁路调绘框的范围裁剪相应的影像数据。③将裁剪后带有地理坐标的影像进行重采样并完成成果输出。其中，铁路调绘框的自动制作是对矢量数据的操作，其数据基本格式为DWG或者DXF，可以采用基于AUTOCAD的二次开发实现；影像的裁剪与重采样过程是基于矢量数据的栅格影像处理操作，可以基于地理空间数据抽象库(GDAL-Geospatial Data Abstraction Library)开发实现，借助自编功能，可以控制影像生产制作过程，大幅提高影像处理的效率。图1为调绘片批量自动化制作的作业流程。

图1 铁路调绘片批量自动化制作流程

将调绘范围框矢量的制作部分与调绘片影像的处理内容分开处理，采用与矢量、栅格数据格式相适应的函数库编程开发处理，实现两部分内容的自动化制作。

2 调绘框自动化制作

调绘框的制作是完成调绘片影像处理裁剪范围的必要步骤。制作调绘框时，需要根据铁路线位走向和铁路沿线需要调绘的范围，确定调绘框的具体位置以及调绘片沿线位的排列方向，尽可能使调绘范围位于调绘框中间。铁路的调绘范围呈带状分布，相邻调绘片的排列方向需要与线位的方向保持一致，在弯曲处，需要保证两张调绘片有足够的重叠。根据铁路航测成图的要求，调绘片一般采用A3纸张打印(尺寸为297 mm×420 mm)，而线位两侧600 m范围内需要调绘。综合以上因素，铁路调绘片制作的比例宜选择1∶4 000。调绘范围框的实际尺寸一般选择为1 120 mm×1 600 mm。相邻两个调绘框的拼接示意如图2所示。

图2 调绘框制作示意(单位：mm)

调绘框制作的基本流程如图3所示，其具体步骤如下：

图3 调绘框制作示意

(1)根据铁路中线信息，指定调绘框制作的起点A，以调绘矩形框长边的L=1 600 m为半径，计算与铁路中线交点B的坐标。

(2)连接AB两点，分别以A、B两点为垂足，计算线段AB的垂线，垂足两侧的垂线长度均为560 m。

(3)根据垂线的长度即可确定调绘框矩形的4个角点坐标，完成第一个框的制作过程。

(4)为了保证两个调绘框的重叠，以B为起点，根据不同曲线的曲线长度确定BC之间距离，一般来说，BC=150 m可以满足相邻调绘片重叠要求，再通过计算得到C点平面坐标。

(5)以C为起点，按照第一个框的制作流程完成第二个框的计算。

3 影像处理

基于上述自动生成的调绘框成果，将矢量框数据按照SHP格式分别导出点、线、面文件。其中点文件主要为调绘框名称及线位里程信息，线文件主要为铁路中线及需调绘范围，采用矢量栅格化的方式，实现两种矢量信息在调绘片影像中的标注。利用自动生成的调绘框，完成影像的裁剪工序。制作调绘片算法流程如图4所示。

用于调绘片制作的DOM数据源中，要求所有用到的正射影像波段数以及影像分辨率保持一致，对于不一致的正摄影像，需要采用其他外部软件进行重采样，得到一致的分辨率或影像波段数。基于图4的算法流程，采用编程方法，可实现影像裁剪和标准产品的自动化输出。

图4 影像处理算法流程

3.1 影像批量裁剪与拼接

调绘片制作过程中，影像的批量自动化裁剪是非常关键的步骤，影像裁剪与拼接的质量直接影响调绘片的质量以及制作效率。提出一种先裁剪再拼接的方法，可显著提高影像裁剪的效率。其基本思路为：

(1)识别每个调绘框四个角点的地理坐标并记录。

(2)遍历数据源中所有影像，计算调绘框与每景影像的重叠范围，记录重叠范围的地理坐标。

(3)记录重叠的矢量多边形，将对应的每幅图像影像进行裁剪，并存储裁剪之后的影像。

(4)第一个调绘框裁剪完成之后，继续第二个调绘框的裁剪，直至将所有调绘框裁剪完毕。

影像裁剪完毕后，需要将调绘片有重叠区域的所有影像进行拼接处理。如果将所有影像直接按范围叠加拼接处理，会导致拼接后影像中部分像素为背景值(见图5(a))。为解决此问题，对原有拼接算法进行改进，有效消除了拼接过程中出现的无效数据。拼接策略为逐块读取拼接的影像，对于每次读取的内存块，逐像元判断灰度是否为背景值(表示黑边)，如果为背景值，则弃用，否则将其像元值放入新数组中，最后将新数组写入影像中，依次完成镶嵌。对于RGB影像拼接，增加了三个波段是否一致并且全部为背景灰度值的判断条件，避免了彩色影像中黑边问题出现(见图5(b))。

图5 未考虑背景值拼接的影像

3.2 影像重采样与矢量栅格化

拼接后的影像带有地理坐标，有些影像不能够完整填充整个影像范围(见图5(b))，如果直接采用A3纸打印调绘片会造成浪费。因此，在调绘片成果输出之前，需将影像进行坐标转换，并进行重采样处理。由于影像的四个角点坐标与调绘框四个角点是一致的，可根据四个角点中的坐标计算影像与水平轴的夹角α，如图6所示。

图6 影像旋转角示意

影像旋转角的计算公式为

(1)

根据旋转角度，计算旋转后每个像元的坐标值，其计算公式为

(2)

根据公式(1)、(2)的数据模型，采用最邻近差值方式完成影像重采样，实现影像的置平操作处理。根据裁剪的实际范围，影像打印尺寸与影像实际尺寸的比例为1∶4 000。因此，影像需要降低分辨率，进行重采样，重采样成果如图7所示。

图7 影像重采样结果

矢量栅格化需要将每个调绘片的名称和铁路中线以及调绘范围标记在调绘片上，再对点线矢量进行栅格化处理，即可完成调绘片制作。利用程序自动生成的标准调绘片如图8所示。

图8 基于程序生成的标准调绘片成果

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