（自然地理学专业论文）数字航空影像在土地利用更新调查中的应用.pdf

福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 中文摘要 随着数字摄影测量以及计算机与传感器技术的快速发展，应用数字航空影像生产制 作地理空间信息数据产品的技术日渐成熟，数字航空影像在土地管理、城市规划、林业 调查等行业和部门得到广泛的应用。利用数字航空影像，应用数字摄影测量技术方法， 生产制作数字正射影像图，并以此为数据源，进行土地利用更新调查，可以解决过去土 地详查、变更调查技术手段落后、图件资料精度低，图件、数据、实地不一致的问题， 满足新时期土地管理和经济建设的需求。 论文从数字航空影像的特点、技术及土地利用更新调查的技术路线入手，以惠安县 土地利用更新调查为研究对象，利用3 s 技术特点和土地利用现状，结合数字航空影像 进行土地利用更新调查的具体作业方法，并对更新调查获得的各类土地面积数据与变更 调查获得的各类土地面积数据进行对比，比较两次土地利用调查方法进而分析土地利用 各地类变化的流向，探讨数字航空影像在土地利用更新调查中的应用。 论文研究表明，借助数字航空影像及其彩色数字正射影像图，进行土地利用更新调 查，可以大大减少外业调查工作强度，科学、准确、高效地获得了土地利用的最新数据， 及时准确地反映各类土地的实际变化情况。 关键词：数字航空影像；数字正射影像图；土地利用更新调查： 福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 中文文摘 随着近年来全国经济建设和社会各项事业的快速发展，工业化、城镇化进程和农业 产业结构调整步伐的加快，城乡土地利用现状发生了很大变化，土地利用类型发生了巨 大的变化，已有的土地利用调查成果资料与实际土地利用现状差别很大，制约了耕地特 别是基本农田保护和土地利用规划的实施。再者之前的土地详查，由于没有进行行政勘 界工作，许多行政边界附近的土地权属界线不清，争议较多，这些问题已经影响到了国 土资源管理的严肃性和权威性。作好土地利用更新调查工作，准确反映土地利用现状， 是严格实施土地管理法律法规，加强土地资源规划、管理、保护和合理利用的重要基础 性工作。 全国第一轮土地利用现状调查工作从上世纪8 0 年代开始至9 0 年代初结束由于当 时3 s 技术以及计算机技术的局限性，作业方式比较落后，导致数据精度存在某些问题， 虽然近年来每年都开展变更调查，但是技术手段相对落后、自动化、信息化程度低，使 得现有的土地利用现状调查成果资料图件、数据与实地差别较大，限制了土地利用现状 成果的应用和共享。通过测绘新技术的应用，全面查清土地利用的类型、数量、质量和 利用现状，实现图、数据、实地的一致性，准确汇总出各类土地数据资料成为一种必要， 它为地价评估、土地规划、耕地保护j 土地开发复垦、建设项目用地管理、土地监察、 政府决策以及社会公众提供基础服务和保障。在此背景下，本论文以惠安县土地利用更 新调查为实例，探讨数字航空影像在土地利用更新调查中的应用。 本文的具体内容如下： 第一章为绪论。主要阐述了论文的研究背景和研究意义。通过回顾土地利用调查的 发展过程，提出在土地利用调查中基础数据资料是保障调查成果质量的保证。航空数码 相机获取的彩色影像以其丰富的色彩、极高的影像分辨率引起越来越多行业人员的关 注，被广泛应用各种比例尺的航测成图和影像图制作，航空数码影像也成为土地利用更 新调查首选的数据源。 第二章是对数字正射影像图的生产制作进行说明。利用航空数码相机获得数字航空 影像，由于数字航空影像具有可同时提供更多的产品类型；具有较高的数据获取 效率：可以获得更好品质的图像；大幅度提高数据应用的时效性；节约大量后 期成图成本的特点，利用数字航空影像可以快速制作生产出具有优质图像、高清晰度的 数字正射影像图。 第三章详细阐述了数字正射影像图在土地利用更新调查中的应用。文章通过介绍数 字正射影像图在土地利用更新调查中的一般技术路线和技术方法。探讨在实践中数码彩 色数字正射影像图的室内判读解译、外业实地野外地类核查、基于数码彩色正射影像图 的土地利用更新调查、建立土地利用更新调查数据库中所应关注的技术问题与解决途 径。通过查清当前土地利用的类型、面积、分布状况和土地权属状况，全面更新土地详 查和变更调查成果，并在此基础上建设或更新土地利用数据库。 第四章为实证研究是本文的重点部分。具体阐述了基于彩色数码数字正射影像图在 土地利用更新调查中的实际应用。详细介绍了惠安县土地利用更新调查技术路线和方 福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 法，并对惠安县土地利用更新调查的内容展开说明：首先完成实验区d m c 数码彩色数 字正射影像图的制作，确保土地利用更新调查的基础成果精度；其次以前面生成的数字 正射影像图为工作底图，按照国土资源部国土资发 2 0 0 2 2 4 7 号文件规定全国土地分 类( 过渡期间适用) 进行三级分类，采用全野外实地调查，外业调查工作主要分室内 判读和外业核查及外业数据整理等几个部分完成计算机编图；编图完成后进行自查、互 查和相关部门检查后作适当的调整、修改，提交成果验收，根据专家验收意见进行调整 修改，提交外业最终成果：然后利用a u t o c a d 对提交的外业最终成果进行数据的编辑整 理( 包括数据分层、数据接边、赋线状地物宽度等) ；再利用a r c g i s ，进行构建拓扑、 数据汇总、乡镇及分幅地类图斑图编制，并对产生的数据进行处理和建库；由于在实际 调查的耕地地类中，包含了许多不是实际耕地的田坎等内容，为了获取准确的土地面积 数据，利用了相关的技术方法扣除田坎面积；土地利用数据库建设完成后，根据基于 a r c g i s 平台的土地利用数据库面积汇总工具对生成的土地利用数据库进行面积汇总，生 成各类报表；最后完成土地利用图件的编制( 包括1 ：5 0 0 0 标准分幅图、1 ：1 0 0 0 0 乡镇 土地利用现状图、l ：2 5 0 0 0 县土地利用现状图的缩编) 。同时论文还将惠安县第一轮土 地利用现状详查与本次的土地利用更新调查方法进行了比较：包括资料比较、外业调绘 方法比较、面积量算方法比较和数据管理方法比较。认为新一轮土地利用更新调查在外 业调查的数据源方面有很大提高，从基础数据来源方面保证了更新调查成果的可靠性。 同时论文还对更新调查的各地类面积与变更调查数据进行了细致的比较，分析造成各差 异的主要原因。基于以上的研究得出采用数字摄影测量与地理信息系统技术开展的惠安 县土地利用更新调查，科学、准确、高效地获得了土地利用的最新数据，取得了图、数、 实地相一致的现势性较强的一整套土地利用现状成果资料。 第五章是本文的结论部分。总结了航空数码影像制作的数字正射影像图在土地更新 调查中应用的优势、特点及不足之处。认为利用航空数码影像进行的土地利用更新调查 方法具有误差小、效率高，耗费的时间、人力、物力少，成果资料可实现现代化管理的 优点，综合利用航空数码影像的多光谱性及高分辨率的特点，可以方便地获取土地利用 的最新数据；也可以借助新的航空数码影像进行实时的土地变更，获得现势性更为准确 的土地利用现状调查资料，准确反映各类土地的实际变化情况。最后对今后进一步工作 提出设想。 i v 福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lp h o t o 黟a m m e t r y ，c o m p u t e ra n ds e n s o rt e c h n o l o g y , t h et e c h n i q u eo fa p p l y i n gt h ed i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p ht op r o d u c et h eg e o g r a p h i c a ls p a t i a l i n f o r m a t i o nd a t ap r o d u c th a sg r a d u a l l ym a t u r e ，a n dt h ed i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p hi sw i d e l y u s e di ns u c hf i e l dl i k el a n du s em a n a g e m e n t , c r yp l a n n i n g , f o r c z t s m - e e ye t c u s i n gi t , w i t h t h ed i g i t a lp h o t o g r a m m e t r yt e c h n o l o g y , t om a k et h ed i g i t a lo r t h o p h o t om a pa n dt a k et h em a p a sd a t as o u r c et oc a r r yo nt h el a n du s eu p d a t i n gi n v e s t i g a t i o n t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt o s o l v et h ep a s te x i s t i n gp r o b l e m s ，s u c ha st h ep o o rt e c h n o l o g yo fd e t a i l e dl a n ds u r v e ya n d u p d a t i n g ，t h el o wp r e c i s i o no fm a pa n dd a t a , t h ei n c o n s i s t e n to fm a p ，d a t a , a n df i e l d a l s ot h i s m e t h o dt om e e tt h en e we r a sn e e do fl a n du s em a n a g e m e n ta n de c o r l o l n i cc o n s t r u c t i o n t h ea r t i c l ef i r s td i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n o l o g yo fd i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p h ，a n d t h et e c h n i c a lr o u t eo fl a n du $ eu p d a t i n g t a k et h et h el a n du s eu p d a t i n go fh u i a nc o u n t ya s r e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gt h e3 st e c h n o l o g ya n dl a n du s em a p ，p r o p o s e dt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n m e t h o do fl a n du s eu p d a t i n gc o m b i n i n gt h ed i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p h ，a n dc o m p a r e dt h e v a r i o u st y p e sl a n da r e ar e s u l to fu s i n gu p d a t i n gi n v e s t i g a t i o na n dc h a n g i n gi n v e s t i g a t i o nt w o m e t h o d s ，a n a l y s i st h ec h a n g i n gd i r e c t i o no fv a r i o u sl a n du s et y p e s ，d i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n o fd i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p hi nl a n du s eu p d a t i n g t h ea r t i c l es h o wt h a t ，耐也t h eh e l po fd i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p ha n dc o l o r e dd i g i t a l o r t h o p h o t om a p ，t oc a r r yo nt h el a n du s eu p d a t i n gi n v e s t i g a t i o n ，c a l lg r a d u a l l yr e d u c et h ef i e l d i n v e s t i g a t i o nw o r k i n gi n t e n s i t y , o b t a i nt h en e w l yd a t ao fl a n du s es c i e n t i f i c a l l y , a c c u r a t e l y , e f f i c i e n t l y , a n dr e f l e c tt h er e a l l yc h a n g i n gs t a t u so fv a r i o u st y p e so fl a n d t i m e l ya n d a c c u r a t e l y k e y w o r d sd i g i t a la e r i a lp h o t o g r a p h ，d i g i t a lo r t h o p h o t om a p ， l a n du s eu p d a t i n gi n v e s t i g a t i o n i i 福建师范大学学位论文使用授权声明 z 0 6 6 1 3 的论文笪錾主煞窒髭堡垄丝歪旦夏堑遢查主笪座旦滏是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名道：丝丝指导教师签名卫筮塾鳌： 签名日期7 乡p 二f ! ：； 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 9 8 4 1 9 9 6 年全国各省市陆续进行了第一轮土地详查，基本上摸清了土地利用类型、 数量、分布和现状的情况，获得到一系列较为可靠的、不同比例尺的土地利用基础资料【。 然而第一轮土地详查至今已历时十多年( 2 1 ，随着经济的飞速发展，土地的利用类型已经 发生了巨大的变化，原有的土地利用现状图件已经无法满足日常土地管理的需要。虽然 近年来每年都开展变更调查，但是技术手段相对落后、自动化信息化程度低，限制了土 地利用现状成果的应用和共享【3 】。为了全面查清土地利用类型、数量、质量和利用现状， 实现图、数据、实地的一致性，准确汇总出各类土地数据资料，为地价评估、土地规划、 耕地保护、土地开发复垦、建设项目用地管理、土地监察、政府决策以及社会公众提供 基础服务和保障，全国许多地方已陆续开始进行土地利用更新调查1 4 1 ，国土资源部也开 始了全国第二次土地调查【5 1 。 土地利用更新调查是国土资源管理的基础性调查，其目的是全面掌握土地利用和权 属状况，从而为发挥土地资源的宏观调控作用，合理利用土地资源，制定国民经济计划 为有关政策提供基础数据，为集体土地所有权、国有土地使用权的确权、登记、发证提 供依据；为土地利用总体规划，土地用途管制，基本农田保护区划定，建设用地审批提 供数据支持；为建立土地调查、统计制度等提供准确可靠的基础图件、数据等基础资料汹1 。 土地利用更新调查的主要任务包括土地权属调查和土地利用分类调查。土地权属调 查是要查清每一宗土地的界址点、权属界线，以及所有权和使用权的权属状况。土地利 用分类调查是按照统一分类标准查清每一宗地内土地的实际利用类型和位置分布n 3 。 第一轮的土地详查采用的是黑白航片作为底图进行调查，这种方法航片存在变形， 航拍图像没有定位信息，技术手段落后，已无法满足现有的土地利用更新调查的技术要 求。随着测绘技术手段的进步，出现了数字正射影像图，可以基于机助制图进行综合判 调、面积统计及数据建库；但是多数情况下只能获取黑白影像，制作黑白数字正射影像 图，影像的光谱特性较差，不利于地物判读，增加了人工判调的工作量。卫星影像有较 好的光谱特性，较高的分辩率，结合g i s 和g p s 技术能获取土地利用更新调查的基础 数据【8 j2 1 ，但是相对于航空影像，其空间分辨率相对较低，不利于内业判读。航空数码 影像的出现，以其极高的辐射分辨率和空间分辨率、丰富的色彩为土地利用更新调查提 供了全新的数据源。航空数码影像的细部层次和阴影部分的表现较好，彩色丰富，光谱 范围广，特别适合大比例尺的土地利用更新调查。因此，航空数码影像必将成为土地利 用更新调查重要的数据源。 1 2 数字正射影像图生产技术的发展 正射影像图是经过正射纠正的影像地图，是航空摄影测量技术发展到一定程度的必 然产物。摄影测量从产生到现在，已经经历了模拟摄影测量、解析摄影测量到现在的数 字摄影测量三个阶段n 3 1 ( 图1 - 1 ) 。 模拟摄影测量时期( 光机阶段) 由于技术条件的限制，影像地图只能利用纠正仪进行 分带纠正，分块拼接，技术方法落后，作业过程复杂，作业时间长，产品精度差，影像 福建师范太学高校教师在职攻读硕士学位论文 视觉效果也不理想，因此很少被采用，这也是第一轮土地详查不采用正射影像图，而采 用放大的航片进行详查的原因之一。摄影测量发展到解析摄影测量阶段( 光机电阶段) ， 出现了以w i l do r l 为代表的正射投影仪，利用解析测图仪采集数字高程模型数据，加 上航片的外方位元素，对航片进行分条块纠正，用手工方法拼接底片，加上图廓整饰， 最后晒印出以图幅为单位的正射影像图n “。这种正射影像图的生产方法对地形类别有较 高的要求，对平坦地区容易达到技术要求，对山地和高山地则很难达到技术要求，而且 影像经过多次处理，信息损失严重，效果也不理想。随着计算机技术和图像处理技术的 发展，摄影测量也进入了全新的数字摄影测量阶段( 数字化阶段) “5 ，摄影测量学科也 焕发出新的生命力出现了以数字正射影像图( o o m ) 、数字高程模型( d e m ) 、数字线划图 ( d l g ) 、数字栅格图( d r g ) 等4 d 产品“”为代表的数字化测绘产品，为国民经济各相关行业 的信息化建设提供基础数据保障。数字正射影像图是伴随着数字摄影测量而产生的数字 化影像数据产品，是兼具地图几何特性和像片影像信息的地图产品。近几年数字传感器 技术的快速发展，促进了数码相机技术的发展，也促进了航空摄影技术的进步。航空数 码相机的出现，推动了数字正射影像图从黑自影像向彩色、多光谱影像的发展，为三维 可视化提供了数据基础，为以影像图为基础的各种调查应用提供了不可多得的新的数据 源。三种影像图视觉效果见图卜2 、图卜3 、图卜4 。 【模拟摄影测量1f 解析摄影测量i 数字摄影测量i 2 0 世纪初一i - 6 0 年代韧l8 0 年代初l ! ! 苎垡8 0 年代末】l 现在数字产品 匾一匾一日 图1 - 1 为摄影测量的发展过程 第1 # 绪诧 圈卜2 黑白数字f 射影像图图卜3 彩色数字正射影像图 圈1 4 数码彩色数字正射影像匿 1 3 土地利用调查基础数据质量的提高 出于经济发展水平及技术条件的限制全国第轮土地利用详查外业所使用的资料 多为航片资料，内业则在精密立体测图仪上，利用测绘资料原有的空三加密成果进行定 向，把外业调查结果转绘到聚酯薄膜纸上，采月求积仪进行各种地娄面积量算、平差、 汇总，编绘出土地利用现状图。对于部分区域，则采用地形图作为底图进行调查。由于 生产技术手段相对落后，第一轮土地详查的基础资料质量不高，资料的现势【生、数学精 度较差。 随着测绘技术的发展，出现了光电机相结合的正射投影仪，在定程度上解决了正 射影像图生产制作的问题，为林地调查、土地详查及土地变更调查提供了新的地图声品。 但是这种方法由于设备投入大，数据采集工作量大，后期手工晒印工作量大，也没有广 泛推广大部分地区基础数据质量差的问题没有得到解决。 到了九十年代，随着计算机技术和图像识别技术的快速发展，摄影测量进入了数字 摄影测量时代，测绘产品从传统的地图产品逐步向数字化的4 d 产品过檀，数字正射影 福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 像图生产有了质的飞跃，自动化程度大大提高，产品的质量也有很大的改善，从而从根 本上解决了数字正射影像图生产的技术难题，为满足各行业对数字影像产品的需求提供 了技术保障。但是这一时期，由于航空摄影技术条件和经费条件的限制，大部分航空摄 影只航拍黑白航片，很少拍摄彩色航片。而且由于彩色航空胶片自身存在的不足，拍摄 航摄比例尺小于1 ：8 0 0 0 时，彩色效果会大大降低【m 】，也限制了它的发展。此阶段基础 数据的质量有所提高但仍不满足土地利用调查快、准、易的要求。 到了二十一世纪初，随着数字传感器技术的发展，数码相机逐步取代传统胶片相机， 高分辨率、多光谱遥感影像数据获取技术也有了长足进步，航天、航空遥感技术焕发了 新的生机。航空数码相机获取的彩色影像以其丰富的色彩、极高的空间分辨率引起越来 越多行业人员的关注，成为航空摄影的宠儿，被广泛应用各种比例尺的航测成图和影像 图制作，航空数字影像也因其准确、易判、实时等优点而成为土地利用更新调查首选的 数据源。 1 4 论文的主要研究内容和结构 本文由如下几个部分组成： 第一章绪论，回顾了土地利用调查中基础资料应用的发展过程，以及新的航空数码 影像对新一轮土地利用更新调查的重要支撑作用。 第二章通过介绍数字航空影像的特点及其数字正射影像的生产制作过程，论述了基 于数字航空影像的数字正射影像图在土地利用更新调查中应用的可行性。 第三章详细阐述了数字正射影像图在土地更新调查中应用的技术路线和方法。 第四章详细阐述了基于彩色数码数字正射影像图在惠安县土地利用更新调查中的 生产实践；并对更新调查的各地类面积与变更调查数据进行比较分析，探讨了彩色数码 数字正射影像图在土地更新调查中的应用情况，以大量翔实数据说明了此类应用的美好 前景。 第五章对本文的内容进行总结，并对今后进一步开展此类工作的难点、重点问题提 出了见解。 4 第2 章数字正射影像图 第2 章数字正射影像图 随着电子技术的发展，特别是c c d ( 光电耦合器) 技术的不断提高，数码相机已逐 步取代传统胶片式相机h 引，成为人员获取影像的首选。数码相机技术的发展促进了数字 传感器技术的发展，也促进了航空摄影技术的发展。航空摄影正逐步从传统的胶片式相 机航摄向数字化的数码航摄仪航摄过渡j 航空数字影像正是采用数码航摄仪以一定的比 例尺获取区域航空影像，是数码相机技术在摄影测量中的应用。数字航空影像与传统的 航空影像一样可广泛应用于常规小比例摄影测量和大比例尺摄影测量项目d 引。 2 1 数字航空影像的获取方式 航空数码航摄仪采用的数字传感器的类型不同，主要以两种方式发展：一种是基于 线阵( l i n e a ra r r a y ) 的传感器方式，代表产品有a d s 4 0 ；另一种是基于面阵( p l a n ea r r a y ) 的传感器方式，代表产品有d m c 、u c d 、s w d c 等【1 8 】。 a d s 4 0 ( a i r b o r n ed i g i t a ls e n s o r ) 航空数码航摄仪由l e i c a 公司2 0 0 0 年推出， 能够同时获取立体影像和彩色多光谱影像。它采用线阵列推扫成像原理，能同时提供3 个全色与4 个多光谱波段数字影像。该相机全色波段的前视、下视和后视影像可以构成 3 个立体像对。彩色成像部分由r 、g 、b 和近红外4 个波段，经融合处理获得真彩色影 像和彩红外、多光谱影像。a d s 4 0 集成了p o s 系统( g p s 和惯性测量装置( i 删) ) ，其焦 距( f ) 为6 2 r a m ，像元尺寸为6 5 i im j 全色波段线阵为1 2 0 0 9 像素，、f o v 视场角为4 6 。 d m c ( d i g i t a lm a p p i n gc a m e r a ) 是z i 公司推出的面阵航空数码航摄仪。d m c 由4 台黑白影像的全色相机和4 台多光谱相机组成，摄影时相机同时曝光。4 台全色相机倾 斜安装，互成一定的角度，影像间有1 的重叠度，提供用户的是经过辐射与几何纠正的、 拼接成的有效( v i r t u a l ) 影像。d m c 的像元尺寸为1 2l jm ，焦距为1 2 0 r a m ，视场角为6 9 3 。4 2 。，影像尺寸为7 6 8 0 1 3 8 2 4 像素，最大连拍速度为2 秒幅，波段为黑白全色+ 多光谱。 u c d ( u l t r a c a m - d ) 是v e x c e l 公司2 0 0 3 年推出的面阵航空相机。u c d 相机由8 个独 立的相机构成，类同d m c ，4 台黑白影像的全色相机和4 台多光谱相机组成，但摄影时， 是先后顺序曝光。u c d 的焦距( f ) 为1 0 0 m m ，像元尺寸为9 1 lm ，影像尺寸为1 1 5 0 0 7 5 0 0 像元，波段为黑白全色+ 多光谱，视场角为5 5 。3 7 。 福建师范大学高控教师在职攻读硕士学位论文 如图2 一i 所示。 叫cu c d 图2 - 】目前主要的航空数码航摄仪 22 数字航空影像的特点 数字航空影像是采用数字航摄仪进行航空摄影所获取的区域影像数据，与采用传统 腔片式航摄相机航摄的资料相比，效字航空影像存在以下特点tq ： ( 1 ) 可同时提供更多的产品类型 黑白数据可直接用于测图；真彩色数据用于制作正射影像图和大幅面挂图，彩红外数 据应用于遥感解译。而一次航摄就能同时获取黑白、真彩、彩红外等多种类型数据。 ( 2 ) 具有较高的数据获取效率 使用全数字相机，获得影像数据，无需冲洗、扫描，航摄飞行当天就能拿到数据产 品，通过软件完成飞行质量检查，来决定是否需要及时朴飞。 由于数字航摄仪的c c d 器件的光敏度高于胶片的光敏度，并采用时间延迟曝光原 理进行像移补偿( 电子f m c ) ，因此在低空高速飞行时能获得清晰的图像，这一新的相 机系统能用较长的曝光时问来适应各种不同的照相条件，使照相时间窗口扩大了3 倍以 上，增加了飞行机会。 ( 3 ) 可以获得更好品质的图像 数字相机的辐射分辨率优于基于胶片的航摄相机，胶片经扫描仪扫描得到的数字影 像8 b i t 为2 5 6 个灰阶，而数字相机1 2 b i t 的分辨率具有4 0 9 6 个灰阶，园此细部层次和阴 影部分可以得到更好的表现。 ( 4 ) 大幅度提高数据应用的时效性 数字航摄仪采用机载c a p s 和i m u 技术随机获取每张相片的外方位元素，经等视 差曲线编辑，可自动生成d e m 和正射影像，无需地面控制点或只需加少量控制点因 而大大缩短作业周期节省丁外业像控测量的费用。 ( 5 ) 为用户节约大量的后期成图的成本 数字航摄仪获取的为全敷字影像数据，无需再冲洗、扫描，增强数据应用时效性的 同时，节省了胶片冲洗处理及扫描费用。 第2 章数字正射影像图 2 3 数字正射影像制作中的相关概念和原理 生产制作数字正射影像图的摄影测量系统主要有国产的v i r t u o z o 、j x 4 以及国外 的z ii m a g e s t a t i o n 、i n p h o 、s o c e t 等，本文涉及的数字正射影像图生产主要以国产 v i r t u o z o 摄影测量系统为主。为了便于后面的论述，本节先对一些概念和基本原理作简 单介绍。 数字正射影像 数字正射影像图( d o m ) 是根据像片的内外方位元素和地面数字高程模型对数字化的 航空影像( 黑白彩色) 或遥感影像进行逐像元辐射改正、数字微分纠正，得其正射影像， 再作影像镶嵌、图廓裁切、图幅整饰及数据复合而成的。因此，数字正射影像图是消除 了变形误差及投影差并以数字方式存储的影像地图 2 0 。 像元 数字影像的每一个数据代表了被摄物体上一个微小范围的灰度或辐射强度，称为像 元素、像素、像元。即影像单元( p i c t u r ee l e m e n t ) 。是组成数字化影像的最小单元。 在遥感数据采集，如扫描成像时，它是传感器对地面景物进行扫描采样的最小单元；在 数字图像处理中，它是对模拟影像进行扫描数字化时的采样点。像元是反映影像特征的 重要标志，是同时具有空间特征和波谱特征的数据元。几何意义是其数据值确定所代表 的位置和地面面积。物理意义是其波谱变量代表该像元内在某一特定波段中波谱响应的 强度。即同一像元内的地物，只有一个共同灰度值。像元大小决定了数字影像的影像分 辨率和信息量。 影像数据量 像素的灰度值常以8 位二进制数表示，即一个字节( b y t e ) 。像素的大小即采样间 隔，根据采样定理由影像的分辨率确定。当采样间隔为0 0 5 r a m ( 响应于5 0u ) 时，一张 2 3 c m x2 3c m 的影像约包含2 1 m ( 兆) 字节。若采样间隔为1 5u 时，一幅影像的数据量为 7 0 m 左右，一张d m c 数码影像的数据量约为3 3 0 m ，与传统航片相比数据量大很多，这表 明数码影像的数据量是非常庞大的。 外业像控 为获得像片控制点的平面坐标和高程而进行的实地测量工作。像控点分为平高控制 点( 又称平高点) 、平面控制点( 又称平面点) 和高程控制点( 又称高程点) 。像控点 可用g p s 或全站仪来测量。 地面分辨率 地面分辨率是衡量遥感图像( 或影像) 能有差别地区分开两个相邻地物的最小距离 的能力。超过分辨率的限度，相邻两物体在图像( 影像) 上即表现为一个单一的目标。 硬拷贝像片中通常用单位长度内所能分辨出来的黑白相间的线对数( 线对毫米) 来表 示分辨率的大小。对于扫描图像，通常以像元的大小来表示其分辨率( 即能分辨的最小 面积) 。分辨率数值在地面上的实际距离，称为地面分辨率或空间分辩率。分辨率是评 7 槽建师范大学高校教师在职攻读硬学位论文 价图像( 影像) 质量的重要指标，成像系统工作方式及所用感光材料的分辨本领，光照 条件，以及遥感平台的高度被摄地物的形态等因素都能直接影响图像的分辨率因此， 在判读中应视工作任务的性质，选择适当分辨率的图像( 影像) 以取得较好的效益。 数字空中三角测量 空中三角测量( 俗称空三加密) 是航空摄影测量中利用像片内在的几何特性，在室 内加密控制点的方法。即利用连续摄取的具有一定重叠的航摄像片，依据少量野外控制 点，通过平差计算，以摄影测量方法建立同实地相应的区域网模型( 光学的或数字的) ， 从而获取加密点的平面坐标和高程或每一张像片的外方位元素。通过区域网空中三角测 量结算得出的影像的外方位元素是后续的一系列摄影测量处理与应用的基础。 定义： 物方空间坐标系坐标：且只z 摄站( s ) 坐标：船蛄、凸 旋转角：庐、。、f 像点坐标r 像主点坐标：孙如 航摄仪主距：， 其中像主点坐标和航摄仪主距称为内方位元素摄站坐标和旋转角称为外方位元 素。如图2 ，2 、囤2 3 所示。 图2 2 航摄仪的内方位元素示意图 共线方程如下； 一筹等嚣劣豢嵩 ，一，嚣等等老器身 黜厂 第2 章敬字正射影像圈 一= 其中系数以b 。矗，= 1 , 2 ，3 ，为旋转矩阵r 的元素 图2 _ 3航摄仪的外方位元素和共线方程的示意图 对于航空摄影测量而言。摄取的地面影像至少要保证6 0 的航向重叠和2 0 3 0 的旁向重叠( 如图2 - 4 所示) ，而且要在地面上测量一定数量、均匀分布的地面控制 点，然后进行区域网平差，从中解求影像的外方位元素和各连接点的物方空间坐标。 福建师范大学高校教师在职攻诖硕学位论立 航向i 叠度6 0 航向重叠旁向重叠 旁向重叠度2 0 图2 - 4 航向重叠和旁向重叠 影像重采样 影像重采样，是指在原采样的基础上再一次采样，即当欲求不位于采样矩阵点的灰 度值时，就需要进行内插，乃称之为影像重采样。每当对数字影像进行几何处理时，就需 要作影像重采样，影像的旋转、核线影像排队阻及数字影像纠正，均属于影像重采样。 生成核线影像 摄影基线延长线与左右像片的交点称为核点通过摄影基线与任一地面点a 做的平 面，称为点a 的核面核面与像片的交线称为核线。生成核线影像，就是将原始数字影 像重新按核线方向，运条核线进行排列，形成按核线排列的立体影像。一般情况下数 字影像的扫描行与核线不重合，为了获取核线上点的灰度序列，必须根据原始影像灰度 值进行内差，即所谓沿核线进行影像灰度重采样。当模型完成了相对定向后，就可以进 行核线影像排列。根据摄影测量空间点线面的关系，核面是指通过摄影基线和一对同名 光线的平面。核面与左、右影像平面所成的交线，称为左、右同名核线。为了保持同名 光线相交t 即满足同名光线共面条件，则同名像点只能沿相应的同名核线移动。利用这 一几何约束特性，可以将同名像点的二维影像匹配简化为一维影像匹配。也就是说 当左核线上选定一点作为目标区，则同名像点的搜索区，就限定在同名的右核线上。 影像匀光、匀色处理 航空摄影测量通常由丁_ 相机相对太阳位置不同而引起不均匀的光照条件，生成的影 像某些区域亮，某些区域暗( 不包括明影) ，而且色彩也不一致，即产生不均匀光照现 # 2 章数字射影镕目 象，需做匀光处理“。专业匀光软件通过生成一组离散的纠正值，使某些亮区变暗，暗 区变亮，解决该问题，以使整幅影像到达一个用户指定的色调中心( 通常是值为1 2 7 的 灰度) 。图25 为匀光、匀色前后的效果。 图25 匀光前后的效果 24 数字正射影像图生产流程和作业过程 2 4 1 常规生产流程 常规数字正射影像图生产流程如图26 所示 图2 - 6 数字正射影像图生产流程 福建师范大学高校教师在职攻读硕士学位论文 2 4 2 基于v i r t u o z o 摄影测量系统的数字正射影像图作业过程 ( 1 ) 航空摄影 对于需要制作数字正射影像图的区域，根据成图比例尺及精度要求，选择航摄相机， 按航空摄影的技术规定进行航拍，获取影像数据。 ( 2 ) 外业像控 根据摄影测量技术规范，选取摄区内一定数量的明显地物点，利用g p s 或全站仪等 测量仪器，采集明显地物点的三维坐标作为空三加密的外业像控点。 ( 3 ) 空三加密 采用数字摄影测量系统中空中三角测量软件a a t m ，对航摄区内的航片分区域进行空 三加密，利用少量外业像控点、模型连接、平差解算，获取每张航片的外业方位元素， 为每张航片的纠正提供定位基础。 ( 4 ) 模型编辑及d e m 生成 引入空三加密成果建立测区，恢复模型。 定义模型的作业区域，生成核线影像，对核线影像进行匹配，形成匹配点与等视 差曲线。作业区域的确定应尽量靠近控制点连线，对于高差较大的地区，更应注意，防 止像对之间出现裂隙。 检查匹配结果，根据需要进行交互立体编辑( 区域编辑，点编辑) 处理。重点是： 高层建筑区、影像模糊区、阴影区、大面积水域、建筑密集区、森林覆盖区以及山谷、 山脊地形变换处等。如果局部匹配存在问题，则应回到相对定向，在出现问题的部分增 加相对定向点，或在匹配预处理中增加特征点、特征线。 生成d e m 。 ( 5 ) 单模型正射影像生成及拼接 数字微分纠正 根据单模型d e m 及像片内外方位元素、影像分辨率，采用数字微分纠正方法进行纠 正及影像重采样，生成单模型d o m 。 色调或色彩调整 影像镶嵌前，应检查相邻各片之间的色调或彩色偏差，根据需要采用图像处理方法 进行调整，使之基本趋于一致。 镶嵌拼接 根据图廓坐标取矩形并外扩一定范围来设定镶嵌范围，指定文件存放路径。执行影 像镶嵌命令，自动拼成整幅的d o m 。 影像镶嵌完成后，认真检查所生成的d o m ，对接边区域内部分出现影像模糊、影像 遗漏的地方，应给予修补，城区内的影像镶嵌应采用人工方法进行，防止出现高层建筑 因投影方向不一致而产生的影像扭曲变形。也可以采用其它拼接软件进行人机交互镶 嵌。 将内部格式的d o m 转成通用格式t i f f 格式的d o m 。 第2 章散字封誊像圈 在a r c v i e w 软件下进行图幅接边检查，主要检查图幅接边处影像的亮度、反差、 色彩是否基本一致，同名点距离是否超限等。 25 数字航空正射影像的优势 251 航摄相机性能优良 传统胶片式相机主要是光机结构，相机的相幅面较大，大部分2 3 c l n * 2 3 c m ，相机的 光学镜头大，光学结构复杂，易产生畸变差及色差且相机边缘的解像力差，变形大， 易产生失真。与数码航摄仪相比传统相机构件少，系统较稳定。传统胶片相机航摄时 存在胶片压平误差，冲印时也存在压平误差这是它的不足之处。另外，传统航摄相机 摄影时采用胶片感光材料，而航空胶片感光材料与c c d 感光器件相比，感光度没有c c d 器件高，光谱响应范围也没有c c d 器件广，因而在色彩及细节表现方面就没有数码相 机好。 数码航摄仪主要是光机电结构，电子器件相对较多，系统的稳定性则较弱一些。数 码航摄仪由于c c d 器件加工技术的限制尺寸不能做的太大因此像幅受到限制，目 前数码航摄仅最大拼接像幅也只有1 6 c m * 9 c m ，与胶片式相机相比还有一定距离，但通过 多面阵c c d 分；接收数据利用影像拼接镶嵌技术可获取太幅面影像数据。由于单个 镜头的像幅很小相机的镜头也小相机的变形就较小，这又成为数码航撮仪的优势之 252 航摄技术要求的比较 从目前航空摄影的技术规范来看，对传统航摄仪和数码航摄仪的要求是一样的但 是由于两种类型航摄仪的像幅相差较大，相对来说数码航摄仪由于像幅较小，不易达到 航摄的技术要求，对后期的外业像控测量及空三加密会带来一定困难。 25 3 数据处理过程的优势 传统航摄相机航摄后要经过摄影处理( 显影、定影、烘干、航片复制) ，航片扫描， 才能获得用于摄影测量的影像数据。由于影像数据处理的过程多存在变形拉伸航片 压平变形，信息损失量较大。数码航摄相机航摄后可直接获取影像数据，过程相对简单， 没有中间过程处理的信息损失，这是数码航摄相机的优势所在。如图2 7 为胶片影像的 摄影处理过程，图2 - 8 为胶片影像的扫描数字化处理过程。图2 - 9 是相同比例尺条件下 两种影像的比较。 图2 - 7 胶片影像的摄影处理过程图2 - 8 胶片影像的扫描数字化处理过程 福建师范大学岛拉救师在职攻读硬学位论文 图2 - 9 相同比例尺条件下两种影像的比较 2 54 数字正射影像图生产过程的优势 传统航摄影像有一套完善的生产解决方案，数据生产技术相对成熟，对生产设备的 要求相对较低。使用相同航摄比例尺d m c 数字航片进行内业测图时，由于d m c 数字 航片的幅面小现有的数字摄影测量系统处理起来相对吃力，给内业测图工作增加了工 作量。但数字相机带来的优质图像、高清晰度使数字摄影测量的自动化匹配程度高、影 像调节、镶嵌等工序的自动化程度提高，加快了测图进度阱 。 26 数字正射影像图的应用领域 数字正射影像图是基础地理信息系统的重要数据，作为“4 d ”产品的一部分，数字 正射影像图有其自身的特点。数字正射影像图既有地形图的几何特性，又有像片的影像 信息与传统的符号化地形图相比，它所表达的信息更加丰富、直观、真实。数字正射 影像目可作为背景控制信息，评价其他数据的精度、现势性和完整性：可从中提取出自 然、人文信息，为防治灾害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据：还可用于地形图 的更新。数字正射影像图在计算机上可适当放大具有良好的判读性能、量测性能和管 理性能等，在测绘、土地利用更新调查、林业普查等方面得到广泛应用。此外，数字正 射影像图也可以作为g i s 的背景参考图像，是g i s 系统的重要组成部分。 第3 章数字航空影像在土地利用更新调查中的应用 第3 章数字航空影像在土地利用更新调查中的应用 3 1 土地更新调查的一般技术路线 土地利用更新调查( 简称更新调查) 指以现势性的航空或航天遥感资料制作的正射 影像图为工作底图，参考土地详查、变更调查的图件、数据等有关资料，启用最新的国 家勘界成果，采用新的土地分类体系，通过实地调查，查清当前土地利用的类型、面积、 分布状况和土地权属状况，全面更新土地详查和变更调查成果，在此基础上建设或更新 土地利用数据库 1 。 土地利用更新调查是国土资源管理的基础性调查，其目的是全面掌握土地利用和权 属状况，从而为发挥土地资源的宏观调控作用，合理利用土地资源为制定国民经济计划 和有关政策提供基础数据；为集体土地所有权、国有土地使用权的确权、登记、发证提 供依据；为土地利用总体规划、土地用途管制、基本农田保护区划定、建设用地审批提 供数据支持：为建立土地调查、统计制度等提供准确可靠的基础图件、数据等基础资料。 土地利用更新调查的一般技术路线： 一、采用满足更新调查精度要求的航空、航天遥感数据，制作相应比例尺的标准分 幅正射影象图( d o m ) ，参照土地详查、变更调查等有关资料，全野外实地调绘土地利用 状况，填写外业调查记录手簿。 二、土地权属界线的调查采用有关权利人现场指界确认，签订土地权属协议书的方 法。已经签署土地权属界线协议书的，经核实无误，可不再重新指界和签订协议书。 三、对外业调绘成果进行整理和绘制，采用扫描矢量化方法输入数据库软件，并采 集属性数据，建立土地利用数据库。 土地更新调查的工作分为内业和外业两部分。内业工作是将有现势性的数字正射 影像图引入机助制图软件，在室内根据土地利用现状调查资料和变更调查资料结合新 的数字