摘要：數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)的精度直接影響震區(qū)、泥石流等災(zāi)害評(píng)估及堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估的準(zhǔn)確性,而數(shù)字正射影像是測(cè)繪生產(chǎn)中重要的數(shù)字產(chǎn)品之一，其應(yīng)用廣泛，由于多方面的原因，數(shù)字正射影像圖常常會(huì)產(chǎn)生變化。影像變形對(duì)數(shù)字影像生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)生不良后果。分析其變形原因，控制變形在生產(chǎn)實(shí)踐中，有著重要意義。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字影像, 數(shù)字正射影像圖(DOM),數(shù)字高程模型(DEM), 影像變形

　　1、總則

　　隨著數(shù)字影像圖的日益普及和廣泛應(yīng)用，例如在汶川、玉樹地震和舟曲泥石流等救災(zāi)中有著廣泛應(yīng)用，使人們認(rèn)識(shí)到數(shù)字航空攝影測(cè)量數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用的廣泛性和重要性。航空攝影測(cè)量數(shù)字產(chǎn)品最核心、最基礎(chǔ)的數(shù)字線劃圖(DLG)、數(shù)字柵格圖(DRG)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)成為4D產(chǎn)品。其中DOM具有高精度、生動(dòng)直觀和信息豐富、形態(tài)逼真、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)和更新周期短的的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到用戶的青睞。尤其在環(huán)境惡劣的無人區(qū)可采用可以采用無人小飛機(jī)進(jìn)行快速航攝，迅速生產(chǎn)出高精度數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)對(duì)震區(qū)、洪澇、泥石流等災(zāi)害評(píng)估及堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估，利用數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)是上述災(zāi)害評(píng)估最迅速、有效的方法。

　　2、研究DOM變形的意義

　　數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)的精度直接影響災(zāi)區(qū)和建筑物面積和泥石流和震區(qū)、洪澇、泥石流及堰塞湖體積的評(píng)估，從而影響災(zāi)害及堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估的準(zhǔn)確性。影像變形能使數(shù)字正射影像圖(DOM)變形使影像變得模糊不清，影像變形破壞了地物幾何形狀，改變了彼此之間的相關(guān)位置。影像變形呈規(guī)則和不規(guī)則兩種量化。研究影像變形是從數(shù)字影像產(chǎn)生，處理各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)生變形過程進(jìn)行分析處理，其目的是減少變形，獲得復(fù)合精度要求的各種數(shù)字影像產(chǎn)品。

　　3、DOM變形分析

　　數(shù)字影像是DOM的數(shù)據(jù)源，DOM變形主要是數(shù)字影像變形，它是DOM變形的直接原因之一。它可分為數(shù)字影像變形的系統(tǒng)誤差，數(shù)字影像變形偶然誤差;其他誤差引起的誤差這里不探討。

　　3.1 數(shù)字影像變形的系統(tǒng)誤差

　　3.1.1航攝機(jī)物鏡畸變

　　攝影是利用光學(xué)透鏡構(gòu)像原理和感光物質(zhì)的光化學(xué)作用取得影像的過程。航攝機(jī)物鏡畸變變近軸光線和遠(yuǎn)軸光線放大率不一致，即出射角不等于入射角使影像產(chǎn)生畸變，稱物鏡畸變差。航攝機(jī)物鏡生產(chǎn)過程中，廠商通常采用把這種已成品物鏡測(cè)得平均畸變曲線作為一類型物鏡的“標(biāo)準(zhǔn)曲線”，航攝機(jī)物鏡直接與“標(biāo)準(zhǔn)曲線”相比較辦法進(jìn)行改正。改正后殘差畸變差仍存在，其改正公式為△r=kor+k’1r3+k’2r5+k’3r7+……..，r為像主點(diǎn)到像點(diǎn)坐標(biāo)逐點(diǎn)進(jìn)行改正。

　　3.1.4 地球曲率對(duì)像點(diǎn)產(chǎn)生位移

　　因?yàn)榈厍虮砻媸乔�面，而航攝基準(zhǔn)面是與地球表面相切或相割的水平面，由此使地形點(diǎn)在航攝影像上產(chǎn)生了位移(即地面點(diǎn)在航攝像片上實(shí)際構(gòu)像點(diǎn)與其理想點(diǎn)位之間總是存在差異)。其產(chǎn)生的像點(diǎn)位移公式為δ= -Hr3/2f2R(H為航高、R為地球半徑、f為攝影機(jī)主距、r為向徑(像片上像到主點(diǎn)到像點(diǎn)距離)，當(dāng)f=100mm、H=400 mm、r=100 mm解出δ=0.03 mm，可知地球曲率對(duì)像點(diǎn)影響較大。

　　3.1.3 航攝像片傾斜引起的像點(diǎn)位移(變形)

　　航攝時(shí)像片不可避免的含有傾斜，因此相對(duì)于水平面和水平像片而言，就會(huì)產(chǎn)生像點(diǎn)位移(變形)。像點(diǎn)傾斜無誤差是地面點(diǎn)在傾斜像片上相對(duì)于同一攝站所攝的水平像片上構(gòu)像的位置誤差。其誤差(變形)公式為：δα=—— rc2sinβsinα/f,rc 為像片上等角點(diǎn)至像點(diǎn)的距離，β為等比線與像點(diǎn)向徑之間夾角，α為像片傾斜角，f為航攝儀焦距。由上公式可知：像片傾斜所產(chǎn)生的像點(diǎn)位移(變形)在等角點(diǎn)與像點(diǎn)的連線上，傾斜誤差與像點(diǎn)向徑rc 平方成正比，與航攝儀焦距f成反比。通過像片數(shù)字微分糾正可以消除各點(diǎn)的傾斜誤差δ。

　　3.1.4 地形起伏不平引起的像點(diǎn)位移(投影差)

　　由于地球表面是起伏不平的，則地表面上高于或低于基準(zhǔn)面的點(diǎn)在航攝像片上的像點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面上的垂直投影點(diǎn)在航攝像片上像點(diǎn)的像點(diǎn)的位移就是點(diǎn)的投影誤差(投影差)δh=rch/H,H為航高、h為相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差、rc為向徑，由公式可知：基準(zhǔn)面上無投影差，所以選擇適當(dāng)?shù)母叱堂孀鳛榛鶞?zhǔn)面，可以限制投影差大小。投影差是在像點(diǎn)與像底點(diǎn)連線上位移。像底點(diǎn)無投影差，且rc越大變形越大。所以在山地區(qū)域的像片邊緣影像變形較大。投影差引起的高出地面的目標(biāo)影像產(chǎn)生變形，從且壓蓋其他地物，但可以根據(jù)投影影像反映地物側(cè)面來識(shí)別地物，確定地物的高度。

　　3.1.5 大氣折光差引起像點(diǎn)的位移(變形)

　　因?yàn)榇髿饷芏仁请S著高度增加而遞減的，所以光線在大氣層中的折射率也隨著高度的變化，使光線通過大氣層時(shí)成為一條曲線而非直線。因此大氣層折射光會(huì)產(chǎn)生像點(diǎn)位移，大氣折光差引起像點(diǎn)的位移。

　　公式為△r=f(1+tg2i)rf 。在量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)是按上式逐點(diǎn)計(jì)算改正的。

　　3.1.6 掃描數(shù)字化對(duì)像點(diǎn)的影響

　　數(shù)字影像可以直接從傳感器直接獲取，也可以利用影像數(shù)字化儀(掃描儀)將像片的影像數(shù)字化獲取的數(shù)字化影像，影像數(shù)字化過程中誤差，有以下主要幾面：

　　(1)數(shù)字影像傳感器誤差

　　它包括：光學(xué)誤差、機(jī)械誤差、電學(xué)誤差等。所以在掃描之前首先對(duì)各種數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行檢校。

　　(2)顆粒噪聲

　　采用攝影方式獲得光學(xué)影像，由于鹵化銀顆粒大小和形狀不同在曝光與顯彰中的性能都隨一些隨機(jī)因素便形成了影像顆粒噪聲，它對(duì)數(shù)字化影像有著顯著的影響。選用合適噪比，可以有效抑制顆粒噪聲的影響，再以下公式確定采樣孔徑的大小d=S/N*4.5√D，S/N為采樣結(jié)果的信噪比，D為實(shí)際像片灰度值，d為采樣光空直徑以微光為單位。

　　(3)采樣與量比(掃描過程)

　　采樣間隔過大，數(shù)字影像的分辨率小，影像變得模糊不清，采樣間隔過小，數(shù)字影像的分辨率大，給以后的處理工作帶來不便。掃描分辨率R=R0(M/m),R為掃描時(shí)掃描儀上設(shè)置的掃描像元尺寸(um)，R0為數(shù)字正攝影像尺寸(80um)，M為成圖比例尺分母，m為航攝比例尺分母。影像灰度的量化是把采樣點(diǎn)上的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)換成為莫一種等距灰度級(jí)。影像量化誤差與湊整誤差一樣，其概率密度函數(shù)是在±0.5之間均勻分布。影像反差適中色調(diào)飽滿，框標(biāo)清晰，灰度值方圖呈正態(tài)分布。對(duì)由于底片本身原因，使得掃描影像需要進(jìn)行增強(qiáng)處理包括灰度拉伸處理，反差與亮度處理，邊緣信息增強(qiáng)處理等，這樣可以增加立體觀測(cè)的舒適性，提高影像匹配的成功率。

　　3.1.7 影像匹配對(duì)像點(diǎn)影響

　　影像匹配也稱相關(guān)，實(shí)質(zhì)是在一幅或多幅影像之間通過影像的二維相關(guān)尋找同名點(diǎn)進(jìn)行匹配，匹配的目的是提取幾何信息，確定其空間位置來建立數(shù)字高程模型。影像灰度系統(tǒng)變形有兩類：一類是輻射畸變，產(chǎn)生原因有：照明及被射物體輻射面的方向，大氣與攝影機(jī)物鏡所產(chǎn)生的衰減，攝影處理?xiàng)l件的差異以及影像數(shù)字化過程中所產(chǎn)生的誤差等。

　　另一類是幾何畸變。它產(chǎn)生的主要因素有：攝影機(jī)方位不同所產(chǎn)生的影像透視畸變，影像的各種畸變 以及由地形坡度所產(chǎn)生的影像變形，地形高差是幾何畸變的主要因素。因而陡峭山區(qū)影像匹配要比平坦地區(qū)影像匹配困難。在影像匹配中引入各種變形參數(shù)按最小二乘法的原理解求這些參數(shù)。這是目前影像匹配通行做法。影像匹配精度與相關(guān)系數(shù)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)越大則精度越高，而信噪比越大則匹配精度越高。

　　另外影像匹配精度還與影像紋理結(jié)構(gòu)有關(guān)(σ2g),(σ2g)越大則影像匹配精度越高。

　　3.1.8 數(shù)字高程模型(DEM)對(duì)像點(diǎn)的影響

　　DEM在生產(chǎn)過程中，由于DEM采樣間隔的大小和地形復(fù)雜程度，一些特殊地形區(qū)進(jìn)行DEM內(nèi)插時(shí)內(nèi)插點(diǎn)高程出錯(cuò)的等原因，不可能使用所有匹配點(diǎn)都嚴(yán)格準(zhǔn)確地切準(zhǔn)地面。這樣在利用DEM糾正原始影像，生成正射影像時(shí)存在一定的誤差和變形。

　　3.2數(shù)字影像變形的偶然誤差

　　由于數(shù)字立體模型模糊、立體切準(zhǔn)誤差及測(cè)標(biāo)在z方向移動(dòng)部距的影響，經(jīng)人工處理后的DEM難免存在偶然誤差。實(shí)踐證明，人為誤差通過數(shù)字微分糾正反解算法可知，偶然誤差所產(chǎn)生的像點(diǎn)位移對(duì)影像變形可以忽略不計(jì)。

　　4、結(jié)束語

　　實(shí)踐證明，用無人小飛機(jī)進(jìn)行快速航攝，迅速生產(chǎn)出數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)對(duì)震區(qū)、泥石流等災(zāi)害評(píng)估及堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估，該技術(shù)已經(jīng)成熟，廣泛地應(yīng)用。通過以上分析對(duì)提高數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)精度提供了有效的方法，這樣對(duì)對(duì)震區(qū)、洪澇、泥石流等災(zāi)害評(píng)估及堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估的準(zhǔn)確性提供部份技術(shù)參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　⑴張祖勛 張劍清 數(shù)字?jǐn)z影處理測(cè)量學(xué) 武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社

　　⑵章敏晉 圖像處理分析 清華大學(xué)出版社

　　⑶李德仁 金為銑 尤兼善等 基礎(chǔ)攝影測(cè)量學(xué) 測(cè)繪出版社

　　⑷朱慶 李志林 數(shù)字高程模型 武漢大學(xué)出版社