数字正射影像图的设计制作设计说明书.doc

目录 一、前言2（一）正射影象图的定义及应用2（二）正射影象图制作过程5二、数字影象的获取6三、像片控制点获取及空三加密7（一）像片控制点获取8（二）数字空三加密8四、制作DEM10五、匀色处理14六、对影象变形的处理16（一）航摄中产生的影像变形分析16（二）数字微分数字微分纠正的基本原理19（三）影像变形在生产中几种处理方法22七、影象拼接25八、数字正射影像图的评价标准30九、附表33 数字正射影像图的设计制作内容摘要：数字正射影像图是数字测绘产品(4D产品)中的重要一员，它作为国家高精度空间基础数据数字有着广泛的应用领域；数字正射影像图制作工艺已经基本成熟，在实际生产中，对数字影像资料的正确获取、影像匀色处理、对影像变形的处理、影像拼接对最终的正射影像图的质量有着重要的影响，这个过程要在生产实践中总结经验，改善生产工艺与提高作图员对影像的感性认识才能做的更好。关键词：正射影像图 匀色处理 影像变形的处理 影像拼接引言：20世纪以来，航空摄影测量与遥感成像技术的发展，使得测绘工作者能够以较高精度、快速高效地进行大面积测图。除了传统意义上的以手工绘制的线条和符号表达地图外，光学成像技术带来了另外一种测绘产品，即具有数学坐标信息、内容丰富、能够直观反映地表乃至地下信息的数字正射影像图。一 前言（一） 正射影象图的定义及应用 数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写DOM）是利用DEM对经过扫描处理的数字化航空像片或遥感影像（单色或彩色），经逐像元进行辐射改正、微分纠正和镶嵌，并按规定图幅范围裁剪生成的形象数据，带有公里格网、图廓（内、外）整饰和注记的平面图。DOM同时具有地图几何精度和影像特征，精度高、信息丰富、直观真实、制作周期短。它可作为背景控制信息，评价其它数据的精度、现实性和完整性，也可从中提取自然资源和社会经济发展信息，为防灾治害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据。数字正射影像图是数字测绘产品(4D产品)中的重要一员。它是利用数字化自动摄影测量系统生产的一种新的数字化测绘产品，在生成正射影像的同时，还可以得到数字地面高程数据，等高线图，生成该区域内三维景观图等。数字正射影像和它的副产品数字高程模型是构建空间数据框架的重要组成部份。它的最显著的优点是直观、信息量丰富，同时是实现虚拟现实的基础。随着逐级放大，愈来愈多的信息可以提取出来。例如1：1万正射影像放大显示，细部仍然很清楚，即使是放大到1：2000也有利用价值。计算机科学技术、通信、信息技术、航空技术和空间定位等高新技术的快速发展使得数字摄影测量技术也得到了快速的发展，从而使生成TOM更容易。现市场上的数字摄影测量系统主要有:Helava的DPW770(市场占有率最大)、美国Intergraph公司的Imagestation,德国Zeis:公司的PHOTODIS,瑞士Leica公司的DVP ( Digital Video Plotter )、武汉测绘科技大学的Virtuozo、中国测绘科学研究院的JX4 DPW 全数自动摄影测量系统。对系统的软硬件配置有较高的要求，目前主要是两种形式：一种是硬件、软件一体化的数字摄影测量工作站，如Imagestation另一种是独立的软件系统，它可以安装在多种计算机硬件平台上，如Virtuozo。一体化的数字摄影测量工作站，它的软件的运行依附于特殊的硬件设备，系统的功能相对较强，但是投资相对较高。而对软件、硬件相互独立的数字摄影测量系统来说，虽然它的软件也运行在一定的硬件设备上，但由于软件研制者与硬件厂商是相互独立的，因此软件的开发、功能扩展、系统升级等并不受硬件的约束，系统的成本相对较低，用户还可根据资金等情况对可选配件进行选择，使用较为灵活。数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别及计算机视觉等多学科的理论与方法，提取所拍摄对象的几何与物理信息，并用数字方式表达，是摄影测量学与现代信息技术相结合的产物。目前数字摄影测量方法已在生产实践中得以广泛应用，正逐渐成为摄影测量的主流生产方式。在数字摄影测量系统平台上用全数字化和自动化方法快速生成数字正射影像(DOM)，并从正射影像上自动或人机交互式地提取各种专题信息，然后将这些结果直接送人GIS数据库，以实现GIS数据库的建立和更新，这将是未来测绘行业的发展方向。数字正射影像地图作为一种新型的基础数字测绘产品，具有广泛的应用前景。作为地理信息系统数据库的基本数据层，数字正射影像数据可以满足各类用户的信息需求，如:空间定位及矢量数据的质量控制、专题信息提取与数据更新、绿地调查、建筑密度统计、土地管理与地籍测量、设施规划、城市规划、环境分析、土石方量计算、三维景观显示以及流域管理等。数字正射影像数据也是计算机辅助工程规划和设计的参考层，可以用CAD等多种应用软件直接在数字正射影像数据上进行规划或设计。DOM 由于具有精度高、信息丰富、直观真实等优点，可用作背景控制信息，评价其他数据的精度、现势性和完整性;可从中提取自然资源和社会经济发展信息，为防止灾害和公共设施规划等提供可靠依据;还可从中提取和派生出新的信息，实现地图的修测更新。在城市测绘领域，DOM 被广泛用于城市规划、交通规划设计、城市绿化覆盖率调查、城市建成区发展调查、风景名胜区规划、城市发展与生态环境调查与可持续发展研究等诸多方面，取得了显著的社会和经济效益。因此，DOM是一种广受欢迎的地图产品形式。目前数字正射影像地图的应用模式主要有：建立DOM数据库是城市空间信息系统建设的一个重要方面。城市基础地理信息是城市规划、建设、管理部门建立专业或综合的GIS系统所需要的公用信息，因此城市基础地理信息系统是数字城市建设的基础，完整的城市基础地理信息系统将实现对空间基础数据的采集、编辑、存储、管理、统计分析、空间分析、查询、输出（包括属性）等功能。以数字线化图（DLG）、数字地面模型（DTM）、数字正射影像（DOM）和数字栅格图（DRG）即“4D”产品为核心的城市空间数据既是城市基础信息数据库的基本要素，又是其重要成果。空间数据的特殊性要求不能仅仅从影像数据本身孤立的地考虑建库的方案，必须作为城市基础地理信息系统建设的一部分，根据系统建设的总体设计，统一规划和实施。DOM作为国家高精度空间基础数据数字正射影像地图是同时具有地图儿何精度和影像特征的影像地图，一方面，它具有精度高、信息丰富、直观真实等优点;另一方面，它又具有数据结构简单，生产和更新周期短的优势。数字正射影像地图作为一种国家基础数字测绘产品，是国家空间数据基础设施和“数字地球”战略计划中地球空间数据框架的基础数据。可以预见，数字正射影像地图作为一种客观反映地表现实的、高精度的、统一的空间定位框架，将成为未来信息化杜会中各种社会、经济、人文信息的统一空间载体。未来社会经济的管理操作、仿真运行分析操作、未来虚拟的“数字地球”运行分析，将在相当大的程度上依赖于数字正射影像地图。DOM作为国家基本地形图更新的主要数据数字正射影像地图是反映地表真实情况的具有地图几何精度的现势性强的一种影像地图，它将作为今后国家基本地形图(数字栅格地图DRG、数字线划地图DLG)更新修测的主要数据源。利用数字正射影像更新国家基本地形图也将是今后国家基本地形图更新的主要技术手段。1:5万地形图是国民经济建设部门进行区域规划、国土整治开发、界限勘测等多项工作的重要基础资料，是使用面最广、用量最大的地图图种之一，但在我国已测的1: 5万地形图中，有近1/3的图幅是70年代以前施测的，现势性很差，所以1: 5万图的更新是势在必行的。利用数字正射影像更新1:5万地形图的方法正越来越受到重视和推广。如利用SPOT图像更新地形图在许多国家得到很好的应用，实验证明SPOT图像能够满足修测l: 5万比例尺地形图的精度要求。DOM作为专业应用的基础数据数字正射影像具有多时相、多波段、高分辨率、生产周期短、现势性强、信息丰富等特点，可作为各专业应用的基础数据和基础底图，从而保证了各种专业应用具有统一的高精度空间定位框架，为今后信息化社会中各种行业信息的共享和分析提供了统一的空间定位基准，同时也为今后国家空间数据基础设施(NSDI)及“数字地球”计划的实施打下了坚实的基础。DOM可支持控制点影像库的快速建立航空航天遥感影像的产业化应用，迫切需要解决遥感影像的精纠正所需的高精度控制问题，特别是随着高分辨率卫星遥感影像(分辨率优于5米)的投人使用，这一间题将更加突出。数字正射影像地图作为一种高精度、高分辨率的影像地图，可应用于快速建立高精度的控制点影像数据库。随着我国数字正射影像地图规模化生产的迅速展开，覆盖全国的高精度数字正射影像地图将在一个较短的时间内完成。这样，利用数字正射影像地图就可快速建立一个区域乃至全国的控制点影像库。由此，一个大区域的控制问题将会浓缩成一个很小的数据集，或许一张光盘就可容纳。全数字摄影测量方法的显著优点在于：如果某地区既没有已有DEM,又没有带高程信息的地形图可供利用，也可以立即采集DEM来进行DOM生成。但目前存在的主要问题是：模拟航ANH机所摄的航片影像质量不如数字影像，特别是在彩色摄影的情况下，局部影像色调过深、过浅、反差不足、彩色偏移等问题不如数字影像具有经过数字图像处理增强的潜力。大比例尺影像中高层建筑图像处理困难，从发展角度看，城市大比例尺影像的信息表达最好走；三维景观影像表达的道路(即3维虚拟现实景观)。普遍航空摄影受天气制约。若不作DEM，仅作DOM，可以试验采用小型飞机或无人机低空摄影的办法。随着计算机科学技术、通信、信息技术、航空技术和空间定位等高新技术的发展，采用航空摄影手段在数字摄影测量系统平台上用全数字化和自动化法快速生成DEM，数字正射影像（DOM），并从正射影像上自动或人机交互式地提取各种专题信息，然后将这些结果直接送入GIS数据库，以实现GIS数据库的建立和更新，这将是未来测绘行业的发展方向。（二） 正射影象图制作过程数字微分纠正改变了利用光学方法纠正图像的传统方式，通过高精度的图像扫描仪将航片扫描输人计算机，或者直接由数字相机或扫描方式获得数字影像，以像元为基础，并利用相应的数字地面模型，消除航片倾斜带来的误差和地形起伏引起的投影差，获取正射投影的数字影像，对纠正的数字图像进行影像调色、镶嵌、切割，再加上图式、等高线、比例尺、图幅、注记等，生成DOM.除了单片数字微分纠正的方法生成正射影像外，正射影像的生产根据不同的数据源和不同的设备还有其它三种生产工艺:正射纠正仪方法、全数字摄影测量方法和卫星遥感影像处理。正射影像图用仪器生产的传统方法，将随着纠正仪和正射投影仪的退役而逐步被淘汰。单片数字微分纠正、全数字摄影测量方法和卫星遥感影像处理则是比较常用的几种方法。实际作业和检测表明这四种方法均能达到规定的精度要求。DOM生产一般是基于全数字摄影测量工作站，流程是必须首先建立相应的DEM。以数字地面模型为基础，数字正射影像有两种制作方式：1、单模型方式：首先建立单个模型的DEM，其次可由单影像或多影像（批处理）方式制作各个模型的正射影像，然后经过镶嵌生成多影像拼接的正射影像。2、多模型方式：直接生成图幅（或所需）范围的全部立体模型，经过匹配处理和必要的编辑，建立相应范围的含多个模型的DEM（DEM已进行了接边处理）， 最后生成图幅范围内的正射影像。生成TEM数字空三加密数字影象图相机文件控制点文生成TOM数字微分纠正图象匀色处理图幅镶嵌 其中，数字微分纠正、图象匀色处理、图幅镶嵌是生产中的关键与费时的环节，它们的质量的高低对最终数字正射影像更精确。二 数字影象的获取 航摄设计。航摄是航测成图的第一道工序，它为后面的工作提供的主要成果是航摄底片和一系列的技术参数。航片资料选片时必须保证航向和旁向的重叠度达到60% 和30% 以上，同时收集测区的航摄相机检测报告。在后续的航测内、外业的生产中，航摄底片是航测成图的原始资料，航摄技术参数是内业加密和测图的起始数据。大比例尺真彩色数字正射影像图生产中对航摄的要求也必须按航空摄影规范，尤其注意以下几个方面： 摄影比例尺与航摄仪焦距；用于空中导航和成果质量检验的航摄用的地形图，必须选用本摄区最新出版能够反映摄区地物地貌基本景观的国家基本比例尺地形图。 其与航摄比例尺和成图比例尺的倍率关系，对于大、中比例尺测图而言，一般可在1: (3-4): (5-10)范围内选择。 例如：成图比例尺 航摄比例尺 1：500 1：3000-3500 1：1000 1：4000 1：2000 1：8000 航摄仪焦距f与摄影比例尺m及航高H之间的关系为 H = m*f。在做城市大比例尺正射影象图时，为减少投影差，尽量选用长焦距镜头（焦距为210mm或者304mm）。 胶卷的选型。选择恰当的航摄软片也是确保摄影质量的重要因素。航摄设计应根据摄区的地理位置、摄影季节、地面照度、景物反差和光谱特性等因素，正确选择反差系数、感光度、曝光宽容度和色感性能与摄区具体情况相适应的航摄软片。就目前国产航摄软片而言，虽然还存在一些不容忽视的问题，但只要做到选择正确、使用得当、精心作业，其基本性能还是可以满足测图航摄要求的。多年来的成功实践，已经充分说明了这一点。根据近几年来发现的一些问题，作为航摄设计，当前要特别强调软片冲洗处理过程的规范化，尤其要采取措施从操作上有效的控制航摄底片片基的不规则变形。 目前用于真彩色航空摄影的胶片常用的有国产的乐凯和国外的柯达两种型号。柯达胶片在色彩完原、颜色层次表达上比乐凯胶片要好，但其价格及冲洗费用都比较昂贵。用户可根椐产品的具体要求和测区情况选用。扫描航摄底片根据需要选择合适的分辩率；扫描质量要求、扫描影象应反差适中、色调饱满、框标清晰,灰度直方图在0255级呈正态分布。对影象质量较差的影象应进行影象增强处理,包括灰度拉伸处理、反差与亮度处理、边缘信息增强处理等。 摄影时间及天气 由于摄区的地理位置不同、地物地貌气候等自然环境因素的差异，不同的摄区其最佳摄影季节亦各不相同。航摄设计要因地制宜地选择本摄区晴朗天气最多、大气透明度最好、光照充足、地表植被其它复盖物（如：洪水、积雪、沙尘）对摄影质量影响最小的季节进行摄影。以利于发挥航空摄影测量的综合优势和效益。 在选择最佳摄影季节的前提下，选择恰当的摄影时间，是确保摄影质量的重要环节。其关键是：既要保证有足够的光照度，又要避免阴影对测图作业的不良影响。此外还要考虑到摄影时间过早或过晚，更易受到大气朦雾和短波光的不利影响。设计通常根据摄影时的太阳高度角与被摄景物的阴影倍数关系来限定每天的摄影时间。 比如在广西的最佳摄影季节在8-10月份，时间在上午10点-下午2点。三 像片控制点获取及空三加密（一） 像片控制点获取控制点的选取往往直接影响到控制成果的精度。控制点一般选择明显、稳定位置、不易发生变动的同名地物点。例如道路交叉口、水库坝端、桥头等在山区，地形特征点一般分布在山头、河流交汇处、公路交叉口等地方，但山区的山头一般不是很尖，而且该地区树木茂盛，很难在地形图上找到同名地物点;另外，随着时间的改变，一些地物发生了变化，如河流水位发生变化、河道变迁、公路拓宽等。现采用的数据源一航片的航摄时间为1996年，使用的地形图资料为七十年代成果，所以，这类易发生变化的地物同名点误差较大。一般山区的小路变化较小，同名地物点应尽量选在小路上。选择 控 制 点在考虑位置精度时，还应考虑到高程精度。由于山区高差较大，很容易影响到高程值得估读，所以控制点应尽量选择高差较小或有，高程值的地物点上。选择的控制点还应尽可能分布均匀，使图幅边缘不因控制点分布不均而导致纠正变形。控制资料应首先考虑采用已有的加密成果（包括刺点、加密成果）。无上述资料则采用全野外新测的控制成果。（二） 数字空三加密解析空中三角测量指的是用摄影测量解析法确定区域内所有影象的外方位元素。在传统摄影测量中，这是通过对点位进行测定来实现的，即根据影象上测量的象点坐标及少量控制点的大地坐标，求出未知点的大地坐标，使得已知点增加到每个模型中不少于四个，然后利用这些已知点求解影象的外方位元素。解析空中三角测量通常采用的平差模型可分航带法、独立模型法和光束法，若按加密区域来分，又可分为单航带和区域法。单航带是一条航带构成的区域为加密单元，而区域法按整体平数字正射影象图制作探讨差时所取用的平差不同有不同的称谓，主要有三种：1、航带区域网平差：该方法是以整体平差的基本单元。2、独立模型法区域网平差：该方法是以单元模型为平差单元。3、光束法区域网平差：是以每张相片相似投影光束为平差单元，从而求出每张相片的外方位元素及加密点的地面坐标。航带网是从模拟仪器上的空三测量演变过来的，是一种分步近似平差方法。其步骤是：相对定向建立单个模型 模型连接构成自由航带网 航带网概略定向 对每条航带进行非线性改正。在进行航带网的非线性改正时，要顾及航带网的公共点和区域内的控制点，使之达到最佳符合。综上所述，可以知道航带法区域网平差的数学模型是航带坐标的非线性多项式，平差单元为一条航带，把航带的地面模型坐标视为“观测值”，整体平差解求出各航带的非线性改正系数。由上述平差数学模型可见，该方法方便，速度快，但精度不高。目前，航带网区域网平差主要提供初始值和小比例尺低精度定位加密。独立模型法区域网平差是源于单位模型的空间模拟变换。其作业步骤为：相对定向建立单个模型 各个单元模型进行空间相似变换，使模型公共点有竟可能相同的坐标。并通过地面控制点使单位模型最佳纳入规定坐标系。因此，该方法平差的数学模型是空间相似变换式，平差单元为独立模型，是模型的坐标为观察值。未知数是各个模型空间相似变换的七个参数几待定点的地面坐标。该方法平差解求的未知数较多，可将平面和高程分开求，仍能得到严密平差的结果。光束法区域网平差是基于摄影时像点、物点和摄站点三点共线提出来的。由单张相片构成区域，其平差的数学模型是共线条件方程，平差单元是单个光束，像点坐标是观测值，未知数是每张相片的外方位元素及待定点的地面坐标。误差方程直接由像点坐标的观测值列出，能对像点坐标进行系统误差改正。光束法区域网平差是最严密的方法，随着摄影测量技术的发展和计算机水平的提高，该方法得到了日益广泛的应用，并且已经成为解析空中三角测量的主流方法。若把待定点坐标的改正数视为随即变量，在最小二乘平差计算中求出坐标改正数的方差协方差矩阵，就可以确定坐标的理论精度。通过理论精度的研究，得到误差的分布为：1、三种加密方法的最弱点精度位于区域四周，区域内部精度较均匀，因此，平面控制点应该布设在区域的四周才能起到控制精度的作用。2、当控制点稀疏布点时，其理论精度会随着区域网的增大而降低，但是若增大旁向重叠，可以提高区域网平面坐标的理论精度。3、当周边密集布点时，其理论精度对航带法而言小于一条航带的测点精度，对于独立模型法而言，相当于一个单元模型的测点精度，而光束法区域网的理论精度不随着区域大小而改变，它是个常数。4、区域网平差的高程理论精度取决于控制点定向的跨度，而与区域的大小无关。只要高程点的跨度相同，即使区域大小不一样，它们的高程理论精度也一样。下面介绍下独立模型法区域网空中三角测量1、独立模型法区域网空中三角测量的基本思想独立模型法区域网空中三角测量的基本思想是：把一个单元模型视为刚体，利用各个单元模型彼此间的公共点连成一个区域，在连接过程中，每个单元模型只做平移、缩放、旋转，这样的要求只有通过单元模型的三维线性变换来完成。在变换中要使模型间公共点的坐标尽可能一致，控制点的摄测坐标与其他地面摄测坐标尽可能一致，同时观测值改正数的平方和为最小，在满足这些条件的情况下，按最小乘法原理求出待定点的地面摄影坐标。2、独立模型法区域网空中三角测量的主要内容：（1）出各单元模型中模型点的坐标，包括摄站点坐标。利用相邻模型之间的公共点和所在模型中的控制点，对每个模型各自进行相似变换，列出误差方程式及法方程式。相似变换式为：（2）建立全区域的改化法方程式，并按循环分块法求解，求得每个模型的七个参数。（3）由已经求得的每个模型的七个参数，计算每个模型中待定点平差后的坐标。若为相邻模型之间的公共点，则取其平均值作为最终的结果。四 制作DEM数字高程模型(DEM)是指在高斯投影平面上规则网点平面坐标及高程的数据集。DEM 的水平间隔可随地貌类型不同而变，根据不同的高程精度，可以分为不同等级产品，它是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划、土方量的填挖和水库容量的计算、洪水险情的预报与评估等方面。利用计算机辅助测图系统可以进行人工控制的采样，即X,Y,Z三个坐标的控制全部由人工操作；利用解析测图仪或机控方式的机助测图系统可进行人工或半自动化控制的采样，其半自动化的控制一般由人工控制高程，而由计算机控制平面坐标X,Y的驱动；自动化测图系统测是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观测。在人工或半自动方式的数据采集中，数据的记录可分为“点模式”与“流模式”。前者是根据控制信号记录量测数据；后者是按一定规律连续性地动态的量测数据。（一） 沿等高线采样在地形复杂及陡峭地区，可采用沿等高线跟踪的方式进行数据采集，而在平坦地区，则不易采用沿等高线的采样。沿等高线采样可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数据方式进行。当采用后者时，由于在等高线曲率大的地方跟踪速度较慢，因而采集的点较密集，而在等高线较平直的地方跟踪速度较快，采集的点较稀疏，故只要选择恰当的时间间隔，所记录的数据就能很好的描述地形，且不会有太多的数据。 （二） 规则格网采样利用解析测图仪在立体模型中按规则矩形格网进行采样，直接构成规则格网DEM。当系统驱动测标到格网时，会按预先选定的参数停留一段时间，供作业人员精确量测。该方法的优点是方法简单，精度高，作业效率也高；缺点是特征点可能丢失，基于这种矩形格网的DEM绘制的等高线有时不能很好的表示地形特征。（三） 沿断面扫描利用解析测图仪或附有自动记录装置的立体测图仪对立体模型进行扫描，按等距离方式或等时间方式记录断面上的点坐标。由于量测是动态的进行，因而此种方法获取数据的精度要比其他方法差，特别是在地形变化趋势改变处，常常出现系统误差。在传统摄影测量中，该方法作业效率是最高的。（四） 渐进采样为了是采样点分布合理，即平坦地区样点少，地形复杂地区的样点多，可采用渐进采样的方法。先按照预定的比较稀疏的间隔进行采样，获得一个较稀疏的格网，然后分析是否对格网进行加密。判断方法可利用高程的二阶差分是否超过给定的阈值，或利用相邻三点按拟合一条二次曲线，计算两点间中点的二次内插值与线性内插值之差，判断该差值是否超过给定的阈值。当超过阈值时，则对格网进行加密采样，然后对较密的格网进行同样的判断处理，直至不再超过阈值时，则再对其他格网做同样的处理。（五） 选择采样为了准确地反映地形，可根据地形特征进行选择性采样，例如，沿山脊、山谷线、断裂线进行采集以及离散碎部点的采集。这种方法获取的数据尤其适合于不规则三角网DEM的建立，但显然其数据的存贮管理与应用均较复杂。（六） 混合采样为了同时考虑采样的效率与合理性，可将规则采样与选择采样结合起来进行，即在规则采样的基础上再进行沿特征线、点的采样。为了区别一般的数据点与特征点，应当给不同的点以不同的特征码，以便处理时可按不同的合适的方式进行。利用混合采样可建立附加地形特征的规则矩形格网DEM，也可建立沿特征附加三角网的混合形式的DEM。（七） 自动化DEM数据采集上述方法均是基于解析测图仪或机助测图系统利用半自动化的方法进行DEM数据采集，现在主要利用数字摄影测量工作站进行自动化的DEM数据采集。此时可按影像上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集。若利用高程直接解求的影像匹配方法，也可按模型上的规则格网进行数据采集。DEM数据预处理是DEM内插之前的准备工作，它是整个数据处理的一部分，一般钖数据格式的转换、坐标系统的变换、数据的编辑、栅格数据的矢量化转换及数据分块等内容。下面介绍数据分块与子区边界的提取。由于数据采集方式不同，数据的排列也不同，例如等高线数据是按各条等高线采集的先后顺序排列的，但是在内插DEM时，待定点常常只与其周围的数据有关，为了能在大量的数据点中迅速地查找到所需要的数据点，必须将其进行分块。根据离散的数据点内插规则格网DEM，通常是将地面看做一个光滑的连续曲面，但是地面上存在着各种各样的断裂线，如陡崖，、绝壁以及各种人工地物，如路堤等，使地面并不光滑，这就要需要将地面分成若干区域，使每一子区域的表面为一连续光滑曲面。这些子区的边界由牲线与区域的边界线组成。DEM内插就是根据参考点上的高程求出其它待定点上的高程，在数学上属于插值问题。由于采集的原始数据排列一般是不规则的，为了获取规则的格网，内插是必不可少的重要步骤。任意一种内插方法都是基于原始函数的连续光滑性，或者说邻近的数据点之间存在很大的相关性，这才可能由邻近的数据点内插出待定点的数据。对于一般的地面，连续光滑是满足的，但大范围内的地形是很复杂的，因此整个地形不可能像通常的数字插值那样用一个多项式来拟合。因为用低次多项式拟合，其精度必然很差；而高次多项式拟合又可能产生解的不稳定性。因此DEM内插中一般不采用整体函数内插，而采用局部函数内插。此时是把整个分成若干分块，对各分块使用不同的函数拟合，并且要考虑相邻分块函数的连续性。对于不光滑甚至连续的地面，即使在一个计算单元中，也要进一步分块处理，并且不能使用光滑甚至连续条件。此外还有一种逐点内插法被广泛地使用，它是以每一个待定点为中心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点。逐点内插法十分灵活，一般情况下精度较高，计算方法简单又不需很大的计算机内存，但计算速度可能比其他方法慢，主要方法有移动曲面拟合、加权平均法和最小二乘配置法。影像匹配过程结束后，可经后方交会和移动曲面拟合后内插出所需的DEM，DEM的创建和编辑是整个生产过程中工作量最大的一步。DEM可由单型获取，也可由批处理直接生成。在创建像方DEM前，首先对每个像对先量测特征点线，量测特征点线的目的是以此来作为像方DEM相关的初值，可通过三种形式形成所需的特征线:(I)导人外部特征点线(dxf); (2)向量测图导出特征线;(3)直接采集特征点线。特征线是指山脊线、山谷线、地形突变地区线，水库、湖泊的范围线，河流的边线，房屋群、阴影区、森林区的外围线。特征点是指峰顶、谷底、鞍部及地形突变点。经影像匹配产生粗隔网数据 像方DEM时，由于自动匹配算法的限制和测区地物的千差万别，很多匹配点不可能精确地落在地面上，必须经过人为的编辑将它们切准地面。为了提高匹配的准确度，在匹配前一般要进行预处理，包括:匹配参数的准确设置、采集必要的特征点线等等。像方DEM编辑后再创建物方DEM，然后对物方DEM检查编辑，这两个编辑过程是反复交替进行的，直至得到满意结果。最终的物方DEM数据也就是根据像方DEM以及特征点线内插出来的。 在特征线和数字高程模型(DEM)获取的过程中，为了提高正射影像的质量，需要注意以下几个方面:（一） 量测必需的特征线在影像匹配数字高程模型(DEM)前，先测量一些特征线，例如道路、桥梁、山脊、山沟等，这样既能控制影像匹配的成功率，又能参与正射影像制作。能控制影像匹配的成功率，又能参与正射影像制作。用小比例尺的正射影像制作，制作大比例尺的正射影像需要一定数量的特征线来控制影像的数学精度，防止道路、桥梁等重要线状地物的变形。（二） 小型桥梁的DEM制作和特征线采集小型桥梁的DEM制作和特征线采集影象模糊，需要把数字高程模型(DEM)点编辑在桥面上，桥梁两侧的数字高程模型(DEM)以平缓的坡度过渡，逐渐编至地面，必要时在桥梁两侧加测特征线。（三） 大型高架路、桥梁的DEM制作和特征线采集大型的高架路、桥梁要保证其上下位置都正确，就要分层来编辑数字高程模型(DEM)和测量特征线，一般先把数字高程模型(DEM)编辑到地面，纠正后的正射影像中高架部是扭曲的，然后再把数字高程模型(DEM)编辑到高架部，并加测特征线，纠正后的正射影像中高架部的位置是正确的。高架部有几层，就需要制作以某层为主的正射影像。各层正射影像的合并工作需要应用Photoshop来完成。（四） 大面积森林覆盖区的DEM制作在大面积的森林覆盖区，看不到地面，如果把数字高程模型(DEM)也减去树高，编辑到地面的位置，纠正后的影像就会模糊。为了保证影像的清晰需要把数字高程模型(DEM)编辑到树上，并且数字高程模型(DEM)点的连线要保持光滑、圆顺的形状。（五） 房屋覆盖区的DEM制作房屋覆盖区的数字高程模型(DEM)要用置平的方法编辑到地面，保证数字高程模型(DEM)的高度一致，纠正后的房屋才不会变形。（六） 陡峭山脊、山沟处的DEM制作在陡峭的山脊、山沟处，数字高程模型(DEM)不能严格的编辑到地面，适当的压低山脊、抬高山沟处的数字高程模型(DEM)，既能达到影像的数学精度，又能保证影像不变形。在编辑数字高程模型(DEM)无效的情况下，还可以适当放宽数字高程模型(DEM)的格网间距。五 匀色处理正射影像图色调处理 正射影像图影像应清晰、纹理信息丰富,片与片之间影象尽量保持色调均匀、反差适中，一般相邻正射影像图影象中相同地物影象灰度均值与方差应一致,灰度均值之差应小于15。图面上不得有图像处理所留下的缺陷。色调调整影像的色调调整是针对左、右片影像色调不一致的情况。在匹配记录左、右片同名点坐标的同时，记录匹配该点时左右片匹配区域的灰度差，并把它作为该点的灰度差。若所有点的灰度差都比较大，并具有系统性，则根据系统差对某片进行全局调整，否则直接进行局部性调整。局部性调整的方法为:根据灰度差建立三次样条内插函数，按样条函数关系在局部范围内逐行进行逐渐改正，这样可有效防止相邻影像局部灰度差异大的问题，以保证相邻影像色调一致。另外，在摄影过程中，各种因素可能会导致不同影像的灰度（亮度、对比度和色阶）分布不一致，而单幅影像也会明暗分布不均匀，软件中的“自动匀光工具”已不能满足如此之大的灰度变化，这给DOM的后期制作带来不小的麻烦，所以我们在DOM生产工艺之中加入利用photoshop软件对所有影像进行整体匀色作业，以满足其成品色调均匀、反差适中的要求。匀色是DOM制作过程中首要步骤，它影响着每幅成品影像图的视觉效果，对其质量保证起着至关重要的作用。掌握了特征线和数字高程模型(DEM)获取的技术，把特征线和数字高程模型(DEM)处理好以后，就可以纠正出满意的像片正射影像。在实际的生产中，还要应用Photoshop进行以下几个方面的处理，以提高像片正射影像的数学精度，利于影像的拼接（一） 把左、右像片正射影像合并为一个正射影像。一般情况下，同时制作一个模型的左、右像片正射影像。由于航片是中心投影，一个模型的同名点在左、右像片上的投影差不一样，离主点越近投影差越小，所以数字高程模型(DEM)误差造成的正射影像误差，在左、右像片正射影像上是相反的，经常出现左、右像片正射影像上的同名点的影像变形不一样，离主点越近变形越小，例如在左像片正射影像上变形的某处影像，在右像片正射影像上却是很完美的，所以把左像片正射影像的左部和右像片正射影像的右部合成为一个正射影像，尽量避开变形的影像，就可以提高像片正射影像的数学精度。由于是从左、右像片正射影像中间直线切割，拼接或接缝处能看出明显的色彩差异，在拼接线上的田块、房屋等地物也体现了不完整性，所以采用人工合并。合并工作利用Photoshop的一些常用功能，主要步骤有：分层粘贴。把左、右像片正射影像分层粘贴在一起。由于左、右像片正射影像一样大，所以只需要简单的全选拷贝、粘贴即可。选择删除多余影像。用折线选择左像片正射影像的右部或右像片正射影像的左部，进行删除。选择范围时，要保证房屋、田块等影像的完整性，并避开变形的影像部分。颜色调整。调整色彩，直到用肉眼看不出左、右像片正射影像拼接处。合并图层。合并图层就把左、右像片正射影像合并为一个正射影像。（二） 合并大型的高架路、桥的分层正射影像此项工作的关键点是对影像的定位，不能简单的用不变形的影像把变形的影像遮盖，还要保证影像的数学精度，利用Photoshop的主要步骤有:打开变形影像。打开一层的正射影像，其中有变形的地方。修复影像的选择。在其它几层的正射影像上选择可以修复变形的影像，选取范围要包括一些可以定位的明显地物。修复影像的定位。将选择的修复影像复制粘贴到变形的影像上，利用图层变暗、移动等功能，用明显地物进行定位，定位好的表现是反复关闭、打开图层，看不到像素上的色彩变化。影像修复。保留不变形的部分，删除其它部分。合并图层。把各层的变形部分修复好后合并为一个影像。实际生产中对于黑白、彩色影像匀色处理过程如下：黑白匀色处理过程如下：（1）色阶调整。计算机对图像样本量化为256级，即0255。由于人眼视觉特征，在极值灰度附近的判断力较差，而量测仪显示设置的等高线测标均为灰度极值，因而发生矛盾。经过比较试验，将灰度输出定义在30225之间，既满足作业员观测要求，又较少丢失影像信息。把经纠正镶嵌后生成的正射影像图色阶再调为0255，提高影像清晰度，同时保证色调统一均衡。对于补飞像片或影像模糊像片也可以通过色阶调整使其影像直方图分布更合理。这样可以使正式产品视觉效果更接近原始真实影像。（2）对于单张影像调整，应用“直方图”功能，对于不同明暗区域进行量测，应用“曲线”调整方法，若局部影像输出的中间值均为130，则可使整幅影像都达到中间值130左右，调整时注意应先取大于200象素羽化值进行过渡，使明暗变化更加自然。（3）对相片之间（包括航向、旁向、测区）应相互比较，互为参照，目测法较简单，但准确度差，所以可对局部同名区进行直方图量测，对比其灰度分布形态、中间值和平均值，若差异较大，需再调整，直到满足镶嵌时灰度过渡的要求。对于彩色影像匀色处理过程如下：彩色影像的调整很少需色阶调整，只要色彩输出量化值选定，对红、绿、兰三色曲线进行调整，即可得到比较接近自然的影像。经过比较实验，当红、绿。兰三色中间值为150时，影像色彩还原清晰逼真，调色时选区不宜太小，不宜选择地物过于集中处，基本上先对中心投影区较亮的部分开选区，调整后，进行反选再调整周边较暗区，对个别地区改正也遵循同样原则。相邻相片的比较同黑白影像调整类似，选同名区域观察比较。在图幅接边处应该使用相同的像片正射影像减少接边误差和色彩差异。规定 每个单幅影像要外扩一定的范围，接边时先按自己负责的范围裁切接边影像，再用Photoshop把裁切好的接边影像与自己负责的影像套合，进行接边和色彩调整。六 对影象变形的处理（一） 航摄中产生的影像变形分析1、航摄机物镜崎变差对像点的影响。航摄机物镜近轴光线和远轴光线的放大率并不一致，即出射角不等于人射角，使影像产生畸变，称为物镜畸变差。由畸变所产生的影像几何变形在摄影测量中必须尽量消除。径向畸变差经校准线改正后，残存畸变差仍存在。在摄影测量中，依据上式将观测的像点坐标逐点进行改正。橄影材料收缩变形对像.获的影响摄影材料在摄影处理中经化学溶液浸泡、水洗和凉干等过程后，一般都有一定程度的收缩。在使用过程中，由于空气温度和湿度等因素的变化，摄影材料也会产生不同的变形。摄影材料的变形非常复杂，很难得出一个可供普通应用的数学模型。总的来说可分为均匀变形、不均匀变形和偶然局部变形3种。（1）均匀变形的改正均匀变形对一张摄影像片的影响，可看成是像幅的缩小或增大，其影响相当于摄影比例的微小变动。实际生产中，应用改正后的主距值厂，即可消除材料均匀变形的影响。（2）不均匀变形的改正不均匀变形通常是摄影材料沿卷轴方向收缩大于其垂直方向，其影响相当于仿射变换。与上述方法相同，分别量测与计算纵横两方向的收缩系数（3）非线性变形的改正偶然局部变形的原因复杂无规律性，称为非线性变形。航摄像片上像点坐标的改正，通常是量测像片上4个框标的坐标值与框标的理论坐标值比较，把它们代人所选用的多项式变换公式，求出其变换参数，然后用来改正所量侧的各点坐标大气折光差对像点的影响。大气密度随着高度的增大而减小，大气的折射率也随之减小。摄影光线通过大气时，并不是沿着理想的直线前进，因此，大气折光会产生像点位移。地球曲率时像点的影响。大地水准面是一个椭球面，地形图的基准面是水平面。由于地球曲率的影响，地面点在航摄像片上的实际构像点位与其理想点位之间总是存在差异。外方位元素变化引起的像点位移。外方位元素通常指的是传感器成像时的空间位置和姿态角，称为航向倾角，称为旁向倾角，称为像片旋角。当外方位元素偏离标准位置而出现变动时，就会使图像产生变形。地形起伏引起的像点位移。地形起伏引起的像点位移称为投影差，它是中心投影与正射投影在地形起伏情况下产生的差异。在竖直摄影中，倾角一般小于2。投影差引起高出地面的目标影像产生变形，而且压盖其它地物，对影像解译有不利的一面。但投影差的存在对于影像解译也有有利的一面，可根据投影影像反映地物侧面的形状来识别地物，确定地物高度等。扫描数字化对像点的影响。数字影像可以从传感器直接产生，也可以利用影像数字化器从摄取的光学影像获取，即把原来模拟方式的信息转换成数字形式的信息。影像数字化过程中误差的产生主要有以下几个方面。1、数字影像传感器的误差这些误差包括：光学误差、机械误差与电学误差。各种数字化设备在使用前一定要进行检校。2、颗粒噪声采用摄影方式获取的光学影像，由于卤化银颗粒的大小和形状以及不同颗粒在曝光与显影中的性能都是一些随机因素，这就形成了影像的颗粒噪声，对数字化影像的影响是明显的。选用合适的采样孔径可以有效抑制颗粒噪声的影响。3、采样与量化采样间隔过大，数字影像的分辫力小影像变得模糊不清采样间隔过小数字影像的分辩力大，影像变得清晰，但数字影像的数据量会很大，给以后的处理工作带来不便。因此，应根据用户要求合理选择采样间隔，即影像分辩率。影像灰度的量化是把采样点上的灰度数值转换成为某一种等距的灰度级。影像量化误差与凑整误差一样，其概率密度函数是在士0.5之间的均匀分布。数字化处理过程中软件系统对像点的影响。获取DOM的途径主要有两种方法:（1）是原始中心投影的一单片数字影像，通过数字微分纠正方法，按一定数学模型用控制点解算，即单片纠正(关于单片纠正的DOM变形间题，本文不讨论)。 （2）是存在航向重叠的相邻像片，通过影像匹配方法构建立体模型，应用数字摄影测量系统对立体模型进行处理，再通过数字微分纠正反解算法获取DOW(约数字影像匹配对像点的影响影像匹配也称相关，其实质是在两幅或多幅影像之间识别同名点。匹配的目的是提取物体的几何信息确定其空间位置，建立数字高程模型。目前的数字摄影测量软件大多采用“基于特征的影像匹配”方法，其理论精度可达1/3像素，从而获取可靠的DEM。但对于陡峭地貌区域，由于地理构造的特殊性，在匹配过程中软件系统不可能在左右两张像片上同时找到同一条特征线，产生匹配错误。(3)内插数字高程模型(DEM)对像点的影响数字高程模型DEM是数字表面模型DTM的地形分量，以三维向量有限序列的形式表示一定区域地貌的自然形态。在数字摄影测量系统中DEM采用完全自动化的数据采集方式，利用数字影像匹配方法并按一定采样间隔完成DEM数据采集。为了获取规则格网的DEM，内插必不可少。DEM精度主要取决于采样间隔和地形复杂程度，采样间隔过大，DEM精度无法保障。另外，在特殊地形区域进行DEM内插时，内插点高程会出现错误。(4)数字微分纠正对像点的影响根据有关的参数与数字高程模型，利用相应的构象方程式，或按一定的数学模型用控制点解算，从原始非正射投影的数字影像获取正射影像。这个过程采用数字处理方式将影像化为很多微小的区域逐一进行。一般以“正方形区域”作为“纠正单元”。(二)数字微分数字微分纠正的基本原理数字微分数字微分纠正对制作正射影象图的精度有重要影响。我们知道航摄影像是通过中心投影获取的影象，其影象的特点为中心变形小，边缘变形大；而正射投影是一束垂直与承影面上生成影象，其影象是不变形的。为了得到正射影象，就要对中心投影图进行纠正，通过正算或反算纠正其变形，得到正射影象图。纠正是利用原始影像的外方位元素，并根据纠正地区的数字地面模型，通过数字变换，改正原始影像倾斜带来的误差和地形起伏引起的投影差的过程。它将影像化为很多微小的区域逐一进行，是一种点元素纠正。它的基本任务是实现两个二维图像之间的几何变换。DOM是数字正射影像图，它包含两层含义：1、它将连续的光学影像离散化，分割成象元阵列，并对其灰度量化;2、它的每 一象元均可知其大地坐标。从传统的光学影像到数字影像实际上是对影像进行采样和量化的过程，对于数字影像而言，它代表了一个灰度矩阵g矩阵的每个元素是一个灰度值，对应着光学影像或实体的一个微小区域，称作象元素或象元或象素。各象元的灰度值代表其影像经采样与量化了的灰度级 。若代表了光学图像的数字化间隔，即规则格网的间隔，则对应的象元的点位坐标(X, Y):在得到了非正射投影的数字影像后如何得到正射影像是DON制作的关键技术，这个过程是将数字影像化为很多微小的区域逐一进行，且采用数字方式处理，故为数字微分纠正。数字微分纠正主要是确定原始数字影像与正射影像之间的几何关系，通过两者之间的几何关系建立两种解算方法:正解法数字微分纠正和反解法数字微分纠正。正解法数字微分纠正由原始影像上的象元坐标求得纠正后的象点坐标，在由原始象元的灰度值对纠正后的象点进行灰度内插，以获得规则格网排列的正射影像。反解法数字微分纠正由正射影像上的象元反解出对应原始影像象元坐标，而所得到的原始影像象元坐标不一定落在规则格网中心点上，通过灰度内插获取象元灰度值，再把灰度值赋给纠正后的象元，即得纠正后的正射数字影像。由正解法数字微分纠正存在很大的缺点，即在纠正影像上所得到的象点非规则排列，有的象元内可能无象点，有的可能重复多个象点，因此难以实现灰度内插，获得规则排列的纠正数字正射影像。同时，在正解法中欲解算纠正后的象点坐标必须先知道该象点的高程，这