VirtuoZo七步教学手册

全数字摄影测量系统 (VirtuoZo)七步教学手册全数字摄影测量系统（VirtuoZo）是适普软件有限公司与武汉大学遥感学院共同研制的全数字摄影测量系统，属世界同类产品的五大名牌之一。全数字摄影测量系统是利用数字影像或数字化影像完成摄影测量作业。由计算机视觉（其核心是影像匹配与影像识别）代替人眼的立体量测与识别，不再需要传统的光机仪器。从原始资料、中间成果及最后产品等都是以数字形式，克服了传统摄影测量只能生产单一线划图的缺点，可生产出多种数字产品，如数字高程模型、数字正射影像、数字线划图、景观图等，并提供各种工程设计所需的三维信息、各种信息系统数据库所需的空间信息。全数字摄影测量系统（VirtuoZo）不仅在国内已成为各测绘部门从模拟摄影测量走向数字摄影测量更新换代的主要装备，而且也被世界诸多国家和地区所采用。我们在对全数字摄影测量系统（VirtuoZo）的使用中，摸索和总结出一套基本使用的作业流程，效果较好。该作业流程包括：数据准备、参数设置、定向、核线采集与匹配、DEM 与 DOM 以及等高线生成、数字化测图、拼接与出图等七个步骤。一、 数字摄影测量数据准备数字摄影测量所需资料相机参数：应该提供相机主点理论坐标 X0、Y 0，相机焦距 f0，框标距或框标点标控制资料：外业控制点成果及相对应的控制点位图航片扫描数据：符合 VirtuoZo 图像格式及成图要求扫描分辨率的扫描影像数据。VirtuoZo可接受多种图像格式：如 TIFF、BMP、JPG 等。一般选 TIFF 格式。数据准备工作具体过程如下图所示：控制点数据获取原始资料相机检校文件航片结合表航摄负片图 1 数据准备数字化原始航片(扫描)外业实测或内业加密数据通过相机检校文件获取信息具体操作如下：（以光盘中的 hammer 数据为例）检查原始数据，我们可以看到数据包括 6 张影像文件（tiff 文件） 、控制点文件（ctl 文件） 、相机检校文件（cmr 文件） 、各个控制点点位图以及一个数据说明文件，里面给出了数据处理所必须的测区信息。我们分析得到，测区有两条航带，每条航带 3 张影像，示意图如下：图 2 航带 1图 3 航带 2二、建立测区与模型的参数设置要建立测区与模型，VirtuoZo 系统要设置很多参数，这些参数需要在参数设置界面上逐一设置。如测区（Block）参数、模型参数、影像参数、相机参数、控制点参数、地面高程模型(DEM)参数、正射影像参数和等高线参数等。其中有些参数在 VirtuoZo 系统中有其固有的数据格式，需要按照 VirtuoZo 规定的格式进行填写，如相机参数、控制点参数等。建立测区与模型、设置参数的简易过程如图 4 所示设置控制点文件建立测区设置相机参数文件图 4 建立测区与模型时的参数设置简易过程设置立体模型生成产品的参数转入原始影像建立立体模型具体操作如下：数据准备完善后，进入 VIrtuoZo 主界面，首先要新建一个测区，通过文件打开测区，我们可以新建一个名为 hammer 的测区，系统默认后缀名为 blk，默认保存在系统盘下的Virlog 文件夹里。这个 blk 文件其实只是个索引文件，它最终指向的是测区设置里面的测区主目录文件夹。建立好 blk 文件之后，系统会自动弹出设置测区的对话框，我们按照原始数据提供的信息，相应填写该对话框，填写好之后保存退出。如图所示：图 5 设置相机检校文件、控制点文件进入设置相机文件，找到刚才在设置测区对话框中新建的相机检校文件，双击进入参数设置界面，相机参数可以直接通过输入按钮，输入原始数据里面已有的 cmr 文件。编辑界面如图所示：框标坐标像主点偏向相机焦距图 6 相机检校参数设置界面进入设置地面控制点，可以逐点输入控制点文件，或者直接通过输入按钮，直接读取一个控制点文件，如图所示：图 7 地面控制点设置窗口参数设置完成之后，还需要对影像文件进行转换，将各种影像文件转换成 VirtuoZo 支持的VZ 格式的影像。进入文件引入影像文件 ，进入输入影像对话框，通过增加按钮，将所要处理的原始影像引入对话框，由于飞机是循环飞行进行拍摄的，第二条航带的影像的相机文件需要进行旋转。具体操作：选中第二条航带的 3 张影像，点选项按钮，在弹出的对话框中将相机旋转后面的选项选择是，确认之后即可看到需要进行相机旋转的影像前有一个红色旋转的符号。然后我们填写正确的像素大小，该像素大小需要在原始数据里面给出，如果没有提供该数据，可以输入1，系统会自动读取原始影像的头文件，然后给出一个像素大小。参数设置完成之后点处理，影像开始进行转换，转换成的 VZ 影像将放在测区主目录下的images 文件夹里面，每生成一个 VZ 影像，程序还会为该影像对应一个影像参数文件，后缀名为*.spt。如下图所示：图 8 影像转换对话框影像转换完成之后，开始进行模型的设置，现以 157 和 156 两张影像为例，介绍模型的创建过程：通过文件打开模型，可以建立一个新模型，命名为 157-156，默认后缀名为mdl，建立好 157-156 模型后，程序自动弹出模型参数设置对话框，按照该模型的基本情况设置该对话框，主要设置左、右影像，其它可按程序默认参数设置，之后保存退出。如图所示：图 9 设置模型参数对话框同样的操作，可以把 156-155、164-165 、165-166 这三个模型都创建好，完成所有模型的参数设置。三、航片的内定向、相对定向与绝对定向图 10 定向示意图内定向：建立影像扫描坐标与像点坐标的转换关系，求取转换参数；VirtuoZo 可自动识别框标点，自动完成扫描坐标系与相片坐标系间变换参数的计算，自动完成相片内定向，并提供人机交互处理功能，方便人工调整光标切准框标。相对定向：通过量取模型的同名像点，解算两相邻影像的相对位置关系；VituoZo 利用二维相关，自动识别左、右像片上的同名点，一般可匹配数十至数百个同名点，自动进行相对定向。并可利用人机交互功能，人工对误差大的定向点进行删除或调整同名点点位，使之符合精度要求。绝对定向：通过量取地面控制点或内业加密点对应的像点坐标，解算模型的外方位元素，将模型纳入到大地坐标系中；人工定位控制点进行绝对定向。相对定向完成后（即自动匹配完成后） ，由人工在左、右像片上确定控制点点位，并用微调按钮进行精确定位，输入相应控制点点名。每个像对至少需要三个控制点，一般为六个。定位完本像对所有的控制点后，即可进行绝对定向。利用加密成果进行绝对定向。VirtuoZo 可利用加密成果直接进行绝对定向，将加密成果中控制点的像点坐标按照相对定向像点坐标的坐标格式拷贝到相对定向的坐标文件（*.pcf）中,执行绝对定向命令，完成绝对定向，恢复空间立体模型。定向过程如图 11 所示。立体方式调整绝对定向点普通双屏方式调整绝对定向点图 11 数字摄影测量的定向过程内定向处理建立框标模板自动匹配框标中心手工干预调节调用主界面程序直接绝对定向引入外方位元素填入外方位元素参数已知外方位元素调用主界面程序直接绝对定向引入外方位元素转换该文件为VirtuoZo 识别的外方位元素文件存在 PATB 解算的绝对定向参数文件控制点文件自动相对定向人工干预调整相对定向点半自动绝对定向注：以上虚线框内容表示为可选操作，若用户在做完上步操作时已达到要求时，则可跳过不做虚线框中的操作，直接进入到下步操作。具体操作：1内定向作业流程：a) 调用内定向程序（处理定向内定向） ，建立框标模板（若模板已建立，则进入左影像的内定向） ；图 12 建立框标模版界面不同型号的相机有着不同的框标模板。一般一个测区使用同一相机摄影，所以只需在测区内选择一个模型建立框标模板并进行内定向，其他模型不再需要重新建立框标模板，即可直接进行内定向处理。若一个测区中存在着使用多个相机的情况，则需要在当前测区目录中建立多个相机参数文件，在做内定向处理时，系统会自动建立多个框标模板。界面右边小窗口为某个框标的放大影像，其框标中心点清晰可见。界面左窗口显示了当前模型的左影像，若影像的四角的每个框标都有红色的小框围住，框标近似定位成功。若小红框没有围住框标，则需进行人工干预：移动鼠标将光标移到某框标中心，单击鼠标左键，使小红框围住框标。依次将每个小红框围住对应的框标后，框标近似定位成功。选择界面左窗口下的接受按钮。b) 左影像内定向；该界面显示了框标自动定位后的状况。可选择界面中间小方块按钮将其对应的框标放大显示于右窗口内，观察小十字丝中心是否对准框标中心，若不满意可进行调整。框标调整有自动或人工两种方式：自动方式：选择自动按钮后，移动鼠标在左窗口中的当前框标中心点附近单击鼠标左键，小十字丝将自动精确对准框标中心。人工方式：若自动方式失败，则可选择人工按钮，移动鼠标在左窗口中的当前框标中心点附近单击鼠标左键， ，再分别选择上、下、左、右按钮，微调小十字丝，使之精确对准框标中心。图 13 内定向窗口c) 右影像内定向；与左影像内定向相似，进行右影像的内定向d) 退出内定向程序模块；注意：对于已做过内定向处理的模型，当在 VirtuoZo 标准版界面上单击处理模型定向内定向菜单项时，系统会弹出上次的内定向处理结果并询问是否重新进行内定向处理，如下图所示：图 14若对此结果满意，则单击否按钮退出内定向。如果对结果不满意，则单击是按钮重新进行内定向处理。这种情况很常见，比如我们进行模型 157-156 内定向的时候，完成了影像 157 和 156 的内定向工作，当进行 156-155 模型内定向的时候， 156 影像将会弹出类似的对话框询问是否重新量侧。2相对定向作业流程：a) 调用相对定程序（处理定向相对定向）图 15 相对定向界面b) 量测同名点（一般在对非量测相机获取的影像进行相对定向时进行此项操作） 。对于非量测相机获取的影像对，由于左右影像重叠区域的投影变形较大，在自动相对定向之前一般要量测 1 对同名点（点位应选在左、右影像重叠部分左上角位置的附近） 。若当前模型的影像质量比较差，则需量测 35 对同名点（点位均匀分布） ，以保证可靠地完成自动相对定向。对于航空影像，一般不需要这一操作，可直接进行自动相对定向。手工量测同名点：首先确认鼠标右键菜单选项菜单项下的子菜单项全都处于未选中状态，然后分别量测同名点的左、右像点坐标。分别在左右两张影像上找到同名点，先点取左影像的同名点，在同名点位置点击鼠标左键，此时系统弹出像点量测窗，放大显示该点点位及其周边的原始影像。然后精确调整点位，也可以通过右边的微调按钮进行调节。同样，右影像的操作也这样进行。当在左右影像上找到一对同名点时，程序弹出输入点号对话框，输入点号并确认，完成量侧一对同名点的操作。c) 进行自动相对定向：如上图所示，在相对定向界面点鼠标右键，选择自动相对定向，程序将自动寻找同名点，进行相对定向。完成后，影像上显示相对定向点（红十字丝） 。d) 检查与调整在界面的定向结果窗中显示相对定向的中误差等。拉动定向结果窗的滚动条可看到所有相对定向点的上下视差。我们可以根据实际情况进行调整或者删除，对于点位有偏差的点，我们可以同右边的微调按钮进行响应的调整，而对于一些匹配错误的点，比如某些点匹配到地物的影子上，这些点是需要进行删除的。3绝对定向作业流程：a) 在相对定向界面里面量侧控制点，方法与量侧同名点类似，只是在输入点号的时候，需要输入与控制点文件相对应的点号，在影像上，控制点是显示为黄色的大十字丝。当量测三个控制点后（三个控制点不能位于一条线上） ，可进行控制点预测：即单击鼠标右键弹出菜单，选择预测控制点。随即影像上显示出几个蓝色小圈，以表示待测控制点的近视位置。然后继续量测蓝圈所示的待测控制点。b) 进入普通方式的绝对定向（在相对定向界面点击鼠标右键，选择绝对定向普通方式） ，程序进行绝对定向计算，我们可以得到如下图所示的界面：在定向结果窗中显示绝对定向的中误差及每个控制点的定向误差。另弹出控制点微调窗，窗中显示当前控制点的坐标，且设置了立体下的微调按钮。图 16 绝对定向c) 检查与调整根据误差显示可知绝对定向的精度如何，若某控制点误差过大，则可进行微调。其微调方法与步骤如下：在定向结果窗中对某控制点误差行单击鼠标左键，选中该点，弹出该控制点的微调窗。立体影像微调（必须在支持立体显示的计算机上才可以用此功能）选中另一个需调整的点，进行微调。所需调整的点均完成后，选择控制点微调窗中的确定按钮，程序返回相对定向界面。至此，绝对定向完成4同名核线影像的采集与匹配非水平核线：非水平核重采样是基于模型相对定向结果，遵循核线原理对左右原始影像沿核线方向保持 X 不变在 Y 方向进行核线重采样水平核线：水平核重采样使用了绝对定向结果，将核线置平两种核线的区别：非水平核重采样所生成的核线影像保持了原始影像同样的信息量和属性，因此当原始影像发生倾斜时，核线影像也会发生同样的倾斜，而水平核线避免这个倾斜情况。两种不同的核线形式匹配结果是迥然不同的，在实际作业时，一定要保证每个作业步骤使用都是同一种核线影像。 （建议一个测区都使用一种采样方式）影像匹配：影像匹配是数字摄影测量系统的关键技术，是沿核线一维影像匹配，确定同名点。生成核线影像。完成了模型的相对定向后就可生成非水平核线影像，但是要生成水平核线影像必须先完成模型的绝对定向。核线影像的范围可由人工确定，也可由系统自动生成最大作业区。影像按同名核线影像进行重新排列，形成按核线方向排列的核线影像。以后的处理，如影像匹配、等高线编辑等，都将在核线影像上进行。影像匹配。按照参数设置确定的匹配窗口大小和匹配间隔，沿核线进行影像匹配, 确定同名点。计算机进行自动匹配的过程中，有些特殊地物或地形匹配可能会出现错误，比如：影像中大片纹理不清晰的区域或没有明显特征的区域。如：湖泊、沙漠和雪山等区域可能会出现大片匹配不好的点，需要对其进行手工编辑；由于影像被遮盖和阴影等原因，使得匹配点不在正确的位置上，需要对其进行手工编辑；城市中的人工建筑物，山区中的树林等影像，它们的匹配点不是地面上的点，而是地物表面上的点，需要对其进行手工编辑；大面积平地、沟渠和比较破碎的地貌等区域的影像，需要对其进行手工编辑。匹配结果会影响以后生成的 DEM 的质量，所以进行匹配结果编辑是很有必要的 ，实习过程如图17 所示。核线影像采集图 17 核线采集与匹配匹配结果的编辑非水平核线影像采集（做完相对定向后即可采用此方式采集）自动匹配水平核线影像采集（此采集方式必需在做完绝对定向后方可完成）匹配前预处理相对定向界面中设定核线影像的范围相对定向结束具体操作：A 生成核线影像a) 定义一个作业区在相对定向界面点击鼠标右键，选择全局显示，界面显示模型的整体影像，然后再弹出菜单，选择定义作业区，然后用鼠标在影像上拖出一个作业区域，作业区用绿色的线条显示其边框。(注意保证自定义区域内都有影像，即不超过最大作业区)也可以选择自动定义最大作业区，程序将自动定义一个最大作业区。b) 生成核线影像单击鼠标右键弹出菜单，选择生成核线影像非水平核线，程序依次对左、右影像进行核线重采样，生成模型的核线影像。c) 退出单击鼠标右键弹出菜单，进行保存，选择退出B 影像匹配a) 匹配预处理（1）点击处理匹配预处理，进入匹配预处理模块，利用该模块，用户可以打开有待自动匹配的模型，并在模型中加测一些特征点、特征线和特征面以辅助系统进行自动匹配，从而获得更好的匹配结果，大大减少对匹配结果编辑的工作量。（2）在匹配预处理窗口中单击文件打开模型菜单项，在系统弹出的打开模型对话框中选择需要进行匹配预处理的立体模型文件（*.mdl 或 *.ste） ，然后单击打开按钮打开一个模型；通过立体显示按钮 ，我们可以通过立体眼镜观察立体显示，从而使测标切准地面，进行（3）我们根据地物的不同，选择不同的特征表现方式从左导右分别为特征点、特征线、特征面。对于一些特殊地形的数据，如：山脊、沟谷、黑影遮盖区、大片居民区或水域等地区的影像，仅仅依靠系统的自动匹配，可能得到的匹配结果很差，会大大增加匹配结果编辑的工作量。这就需要在匹配预处理里面利用特征点、线、面，切准地形，绘制相应的特征文件，在程序进行自动影像匹配的过程中，参与影像匹配并干预匹配结果。（4）保存匹配预处理结果，退出图 18 匹配预处理界面b）影像匹配影像匹配的过程是全自动的，点击处理影像匹配，程序自动完成该操作c) 匹配结果编辑（1）单击处理匹配结果编辑，进入匹配结果编辑界面。（2）对一些容易出现匹配错误的地物，选择相应的编辑方式进行编辑，使匹配点切准地面。我们在编辑窗口点鼠标右键，可以看到很多设置，为了方便观察匹配有问题的区域，我们可以利用等高线的分布去检查，我们选择等高线设置，设置一个合适的等高距和等高线的颜色，这样我们就可以根据等高线的走向来检查匹配点是否正确。当发现有匹配错误的时候，我们首先要选择这个区域，选择的方式有很多，可以用鼠标拖动一个矩形框进行矩形选取，也可以点鼠标右键的开始定义作业区（或点空格键） ，然后依次点击鼠标左键，待选择完成后，点鼠标右键的结束定义作业区（或点空格键） ，选取完成。区域选好之后，该区域的匹配点处于选中状态，我们就可以运用左边的编辑工具进行相应的编辑工作了。（3）一般需要编辑的情况有以下几种：由于影像中常有大片纹理不清淅的影像，如河流、沙漠、雪山等地方出现大片匹配不好的点，则需要进行编辑。由于影像的不连续、被遮盖及阴影等原因，使得匹配点没切准地面，则需要进行编辑。城市的人工建筑物、山区的树林等，使得匹配点不是地面上的点，而是物体表面上的点，则 需要进行编辑。大面积平地、沟渠及比较破碎的地貌需要进行编辑。图 19 匹配结果编辑界面五、DEM、DOM 与等高线等数字产品的生成数字地面高程模型（DEM）：数字地面（高程）模型 (Digital Elevation Model)；数字正射影像（DOM）：数字正射影像模型(Digital Ortho-Image Model ) ；编辑窗口菜单条参数面板功能按钮面板全局视图窗口状态栏工具条VirtuoZo 系统根据影像匹配后产生的视差数据、定向处理后得到的结果参数以及用户为建立 DEM 所定义的参数等，自动建立 DEM。VirtuoZo 提供两种生成数字地面高程模型的方法。 （1）直接利用编辑好的匹配结果生成地面高程模型，如图 20 所示。 （2）进入DEMMaker 模块，利用特征点、线、面构成三角网，内插生成 DEM，如图 21 所示。数字地面高程模型（DEM）是制作正射影像的基础。当 DEM 建立后，既可自动内插生成相应的等高线影像。也可以进行正射影像（DOM）的生成，利用上面生成的单模型的DEM 生成该模型的正射影像。DEM采集图 20 DEM、DOM 与等高线生成基于自动匹配、匹配结果的编辑基础上自动内插生成 DEM自动生成叠合影像自动生成等高线矢量、栅格影像进入 DEMMaker 模块，载入并编辑自动生成的 DEM，利用特征点、线、面构三角网内插 DEM自动生成 DOM（数字正射影像）图 21 使用 DEMMaker 模块制作 DEM利用自动匹配结果自动生成 DEM从数字化测图引入矢量转换为特征或引入匹配预处理的特征矢量编辑 DEM格网点常用编辑方法设定区域裁切 DEM区域指定 DEM 高程自动走点逐点编辑 DEM 格网点区域加入特征自动匹配内插 DEM区域加入特征构三角网内插 DEM加入特征、三角网内插 DEM引入利用自动匹配生成的DEM创建 DEM 数据层输出 DEM进入 DEMMaker 模块，创建矢量特征文件设定 DEM 生成范围设定引入 DEM 的范围具体操作：1. 生成 DEM在系统主菜单中，选择产品-生成DEM-DEM生成项，屏幕显示计算提示界面，计算完毕后，即建立了当前模型的DEM。2. 查看 DEM单模型透视景观：建立数字地面模型后，在系统主菜单中，选择显示-立体显示- 透示显示项， ，进入显示界面，屏幕显示当前模型的数字地面模型，如图所示：图 22 DEM 显示3. 生成单模型的正射影像在系统主菜单中，选择产品-生成正射影像项，自动制作当前模型的正射影像，屏幕显示计算提示界面，计算完毕后，自动生成当前模型的正射影像。可以通过显示-正射影像，查看生成的正射影像4生成等高线在系统主菜单中，选择产品-生成等高线项，自动制作当前模型的等高线。可以通过显示-等高线影像，查看生成的等高线。上面操作生成的 DEM，正射影像，等高线文件均保存在相应模型的模型文件夹的product 文件夹下。格式如下表所示：产品 对应的后缀名DEM *.dem正射影像 *.orl等高线 *.cnt5使用 DEMMaker 生成 DEMa) 数据准备，调用 DEMMaker，运行主界面下的产品生成 DEMDEM 制作，调用DEMMaker 界面，如下图所示：图 23 DEMMaker 界面b) 装在立体模型，运行菜单装载立体模型，选择相应的模型装载到 DEMMaker 里。c ) 量测地物，编辑特征文件。d ) 引入第三方 DEM（即由非 DEMMaker 模块生成的 DEM 文件）或利用自动匹配的结果所生成的 DEM。e ) 自动匹配效果不好时，可加测部分特征地物，进行局部匹配。f ) 其他区域可用三角网直接内插 DEM 格网。g) 编辑 DEM 格网点。h ) 生成该区域的 DEM。i ) 退出 DEMMaker 模块。六、基于立体影像的数字化测图（IGS 数字测图）交互式数字影像测图系统（Interactive Graphics System， IGS）是利用计算机代替解析测图仪、用数字影像代替模拟像片、用数字光标代替光学光标，直接在计算机上进行数字化测图的作业方法。在立体或正射影像上进行地物数据采集和编辑，生成数字测图文件（*.xyz） ，在匹配预处理中被叠加到了立体影像上，然后参与影像匹配，设置作业环境，就可进行地物量测和图素编辑等。测图方式如图 24 所示。图 24 数字化测图方式匹配预处理自动匹配匹配结果的编辑基于大地坐标的数字化测图方式一：采集（非）水平核线影像绝对定向结束将模型坐标转换为大地坐标方式二：非水平核线采集相对定向结束基于模型坐标的数字化测图匹配结果的编辑匹配预处理自动匹配引入空三加密生成的加密成果，完成模型的绝对定向 DXF 3D Mouse DXF 图 25 IGS 测图的基本流程在 VirtuoZo 的 IGS 数字化测图系统中，通过在立体模型影像上的矢量测图和坐标范围设定等操作，可生成数字线化图（DLG） 。在其图廓整饰环境中，载入相应的矢量文件、正射影像，设定相应的图廓参数，即可生成数字