探究将矢量图斑投影到原始航片上的一种方法

周美玲 郑少兰

摘 要 经处理后的正射影像通常只有RGB波段，且影像信息失真，而原始航片具有多光谱信息，为了同时利用正射影像的地理坐标信息和原始航片的多光谱信息，本文提出了利用空三成果和DEM成果将矢量图斑投影到原始航片的方法，实验结果表明投影到原始航片上的图斑与原始图版一致。

关键词 原始航片;正射影像;空三成果;共线方程

引言

近年来，基础测绘获取了大量的影像数据，通常处理后的影像只保留了RGB三个波段的数据，且处理后的影像信息失真，使得利用处理后的影像进行地物的识别，尤其是利用机器自动识别，往往达不到预期的效果。利用原始影像的多光谱信息进行地物识别可解决上述问题，但是原始影像通常没有地理坐标，与实际的地物图斑关联不上。为解决这个问题，本文提出一种利用像片的内外方位元素将要识别的图斑定位到原始航片的方法。

1摄影测量常用的坐标系

1.1 像平面坐标系o-xy

以像主点为原点，像片对边中点连线与航线一致的那条线为x轴，另一条对边中点连线为y轴，像平面坐标系用来表示像点在像片上的位置。

1.2 像空间坐标系S-xyz

以摄站点为坐标原点，摄站点与像主点的连线为z轴，x、y轴分别于像平面坐标系的x、y轴相同，用来表示像点在像方空间的位置。

1.3 像空间辅助坐标系S-XYZ

以摄站点为坐标原点，以铅锤方向为Z轴，航线方向为X轴，垂于航线方向为Y轴。

1.4 摄影测量坐标系P-XPYPZP

以地面上某一点P为坐标原点，坐标轴方向与像空间辅助坐标系相同，也称物方空间坐标系[1]。

2影像的内外方位元素

2.1 影像的内方位元素

影像的内方位元素包括镜头中心到像平面的垂距f（即我们常说的相机焦距），摄站点在像平面上的垂足点相对于影像中心的位置x0，y0。

2.2 影像的外方位元素

用来确实影像成像瞬间的空间位置和姿态的参数，包括摄影中心相对于物方空间坐标系的位置XS，YS，ZS，以及影像平面在摄影瞬间的空中姿态，即像空间坐标系与物方空间坐标系的旋转角度关系。本文以X轴为主轴的旋转系统为例，三个旋转角分别为ω，ψ，κ。

根据以上定义，可得出：

像片上所有像点的像空间坐标系的z值为摄站点到像平面的垂距，值为负值。即像点的像空间坐标为（x，y，-f）[2]。

像空间坐标系与像空间辅助坐标系的转换关系为

3共线方程

摄影时摄影中心S（XS，YS，ZS）、地物点A（XA，YA，ZA）、地物在像片上的构象a的像空间坐标（x，y，-f）和像空间辅助坐标（X，Y，Z）三点位于一条直线上，如图1，则像点的像空间辅助坐标与物方点物方空间坐标有以下关系：

由式（1）和式（2）可推出

考虑像主点的坐标（x0 ，y0），（3）式展开得

本文使用的转角系统为以X为主轴的ω-ψ-κ系统，像空间坐标系与像空间辅助坐标系的旋转矩阵为

把上式乘出来可以得出

根据公式（4）可知，利用空三结果解算出的影像内外方位元素和地物点的物方空间坐标可将地面点投影到像片上，从而实现实地图斑与原始影像的对应。

4实验

4.1 实验数据

本文实验数据中使用的空三成果、正射影像和原始影像来源于广东省高分辨率航空影像数据更新（0.2米）项目，空三成果为Inpho空三格式，正射影像为3波段，8bit数据原始影像为4波段，16bit数据，像元大小5.2um，数字高程模型为广东省机载LiDAR点云數据获取与数字高程模型更新项目成果。

4.2 实验结果

实验一：利用已知地面点物方空间坐标和影像内外方位元素计算地面点的像点坐标。

实验二：将地物图斑投影到原始航片上

本次实验用的地物图斑以正射影像为地图绘制，为了结果可视化，计算结果与原始影像在ArcGIS中查看，只显示RGB三个波段，且做了拉伸处理。

由正射影像勾绘出矢量图斑只有平面坐标，没有高程值，为了获取高程值，本次实验利用已有的DEM数据内插出图斑各节点的高程值，最后根据公式（4）计算各节点在原始影像上的像素坐标。本文实验中DEM内插采用双线性内插方式。

其中：为图斑节点的高程值，grd为DEM的格网间隔，i，j为节点在DEM上的格网坐标，，为节点到格网中心的距离。

图2 正射影像

由表1可知由地理空间坐标反算到像素坐标的精度可达0.34个像素，换算成0.2米分辨率的影像，精度可达0.068米，完全满足常规项目如地理国情监测等对于图斑提取精度的要求。由实验2的结果可看出地物图斑在正射影像和原始影像上的边界一致。

5结束语

本文提出了将地物图斑投影到原始航片上的方法，首先利用DEM数据内插出图斑各节点的高程值，然后利用共线方程计算出各节点在原始航片上的像素坐标，最后将各节点像素坐标构成矢量面，利用矢量面裁剪出原始影像，实现了同时利用正射影像的地理坐标信息和原始航片的多光谱信息。

参考文献

[1] 李骁，叶进勇，魏霖，等.ContextCapture与INPHO结合的无人机空三加密方法研究[J].城市勘测，2019（1）：75-78.

[2] 张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社， 2009：215.