Geomatics Square
科技交流
面阵数字航摄成果飞行质量检查及其实现
张惠军
（广东省国土资源测绘院，广州
510500）
摘要:针对实现航空摄影质量的需要，在利用PixelGrid 匹配的基础上，阐述如何利用匹配点进行飞行质量统计，开发相应的工具，并用实例进行验证。结果表明，本文提出的方法可行；通过PixelGrid 匹配点进行自动检查，能快速实现快速自动航空摄影成果的质量检查；旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，对旁向重叠度检查必须引起特别重视。
关键词:质量检查；重叠度；影像匹配
随航空摄影平台和技术的发展，促进了航空摄影影像在地理信息获取、国情监测、应急救灾、城市虚拟化建设等领域中得以广泛应用。由于航空摄影平台受飞行环境、气候条件等影响较为明显，因而如何进行航摄成果质量把关显得尤为重要，有关这方面质量控制已经有相当成熟的手段[1-5]。随着各种数字航空摄影仪的相继问世，科学的对航摄成果做出评价对后续处理相当重要。而计算机图形图像处理技术得到了很大发展，传统的手工航摄质量检查手段可以借助计算机模式识别等手段自动实现，从而极大地减少劳动强度、提高工作效率、保证成果质量，在生产中很多单位根据自身的需要开发了相应的质量检查工具[6-8]。笔者在已有研究成果的基础上，根据面阵数码航摄影像质量自动检查的实际需要，阐述了自己的观点与方法，结合现有软件开发相应的质量统计工具，并利用2010年12月SWDC-4数码航摄仪拍摄的568张航片进行检验试验。
根据国家有关规范的要求[9-10]，数字航空摄影成果的质量检查包括对航空摄影成果的飞行质量、影像质量、数据质量及附件质量进行检查。飞行质量检查主要包括重叠度、像片倾角与旋偏角、航高保持、航线弯曲、航摄漏洞、摄区覆盖等检查；影像质量检查主要为影像最大位移、清晰度、反差等的检查；数据质量检查主要为数据的完整性与数据组织的正确性检查；附件检查主要是对提交资料的完整性和正确性的检查。飞行质量与影像质量检查占整个航摄质量检查工作的主体，其中影像质量可通过统计分析来进行质量评定，但是与地物目标有很强的相关性，统计信息不能真实地反应影像质量特性，因此影像质量检查中必要的人工目视检查必不可少，在此就不予深入探讨；而重叠度、像片倾角与旋偏角是飞行质量检查中工作量做大的检查内容，为此本文重点阐述如何自动实现这几项的检查。1.1 重叠度计算
重叠度不应仅限于单点而应为对重叠区域的一个全面
1. 质量检查的内容及方法
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描述，如本文第二节所述，当同一区域高程变化在一定范围内，高程的变化对重叠度的影响完全可以忽略，为此可以采用区域离散化的形式来计算重叠度，具体离散点间距需要根据区域地形、摄影比例尺、焦距、设计重叠度等进行确定。但是对于建筑物，特别是对于城区，由于受高层建筑的影响，影像上地物高差变化频率异常高，为此需要提取所有高层建筑物的角点，参与重叠度的计算，可以编写程序通过角点提取算子和影像自动匹配实现同名点自动量取。设地面点P i ，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p 1（x 1，y 1）、p 2（x ２，y 2），
则该点处的航向重叠度
（1）
其中α为影像的航向像幅大小，则航向重叠度的最
大、最小、平均值分别为
同理可以得到旁向重叠度的最大、最小、平均值分别为
其中P i
y
为同名点的旁向重叠度。
1.2 旋偏角计算
当航空摄影附带IMU 系统，将得到的相邻像片的偏航角求差得到相邻片之间旋偏角k 。若航空摄影时未带IMU 系统，则通过影像自动匹配寻求像主点在相邻像片上的对应同名点，设左影像S 1像主点在右影像S 2上同名点为（x f ，y f ），S 2像主点在S 1上同名点为（x ＇
f
，
y ＇f
），则旋偏角
（2）
当像主点落水无法进行同名地物点量测时，可以在像主点周边寻找2-3个同名点，分别按照式（2）计算旋偏角，而后取平均数作为最终旋偏角。1.3 像片倾角计算
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当航空摄影附带IMU 系统，将得到的俯仰角φ、侧滚角ω按照式（3）求解像片倾角α
。
（3）
若航空摄影时未带IMU 系统，利用自动匹配的重叠度的点，在已有地形图上量测区域四角点的坐标作为控制点解算各匹配同名点的地面坐标和各影像的外方位元素粗略值，然后利用式（3）求解倾角α。
2. 地面目标高度对重叠度的影响
假设相对高程基准面上的点P ，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p 1、p 2，如图1所示，相对于基准面的航向重叠度为p x ；当地面目标高出基准面dH 时，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p ＇1、p ＇２，实际航向重叠度为ｐ＇ｘ。则有[1-2]
（4-1）
类似有旁向重叠度关系式
（4-2）
由式（4）可以看出，地面目标高对重叠度的影响
与平均重叠度有关，重叠度越大，影响越小。航向重叠度大于旁向重叠度，则地面目标高对旁向重叠度的影响大于航向重叠度，反之亦然。同时，高程差异较小区域，重叠度变化较小；反之高程差异较大区域，重叠度变化较大，航空摄影时就应该考虑这一点。大城区由于高耸建筑物特多，高差变化异常，重叠度变化相当频繁，在进行重叠度检查时需要引起特别重视。为此程序在自动进行同名点量取时，需要检测出所有高层建筑物顶部角点，并进行航向与旁向同名点匹配。
为验证式（4）中地面目标高对重叠度影响的具体数值大小，对于常见的DMC 、UCD 、SWDC 面阵数码航摄仪进行常规航空摄影（设计航向、旁向重叠度分别为65%、30%），分别计算了相当于传统航摄1︰20000、1︰35000两种航摄比例尺下，航向重叠度与旁向重叠度分
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别随目标高变化的变化值，具体见表1所示。从表1的数值来看，当同一区域高程变化很小时，可以以该区域中的某一点的重叠度代替本区域的重叠度，但是当地物目标高超过一定的数值，其影响就不能忽略，此时需要对区域进行分割。
表1
重叠度随目标高变化的变化值
3. 应用实例
3.1 试验区介绍
为满足城市规划的需要，粤西某地计划对城区及周边80km2区域进行1︰1000航摄成图，作业区以平地为主，存在一定数量的高层建筑，于2010年12月采用SWDC-4数码航摄仪进行航空摄影，设计绝对航高650m 、航向重叠度65%、旁向重叠度30%，根据摄区建筑物分布的分布情况设计曝光点，采用运5搭载双频GPS 辅助航空摄影，获取16条航线、568张真彩色影像，具体见图2所示。
图1
地面目标高变化引起的像点位移
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图2
试验区
3.2 试验情况
利用摄区周边的GDCORS 基准站将搭载的双频GPS 接收机数据进行差分计算，并进行坐标与高程转换，得到各摄影中心的1980西安坐标系和1985国家高程基准。采用PixelGrid 完成影像的航向与旁向的自动匹配，在此基础上，进行人工检查并添加高层建筑物上的同名点，得到各像点观测值，利用PATB 进行GPS 辅助空中三角测量计算，探测可能存在的粗差像点并进行修正，得到各张影像的外方位元素。根据获得的像点观测值与外方位元素，采用Visual Studio 2008 C# 3.0开发相应的统计工具，设定相应的航空摄影设计参数实现结果的自动统计，得到重叠度平均、最大、最小值分别见图3、图4所示。
图3
航向重叠度
图4
旁向重叠度
3.3 结果分析
试验表明，PixelGrid 的高精度快速自动匹配和均匀分布的同名点，为实现自动航空摄影成果的质量检查提供了有利支撑。通过PixelGrid 软件的匹配，能保证绝大多数像片内匹配点的均匀分布、且点间隔能满足重叠度检查要求，除个别建筑物顶角点外，这些自动匹配点完全能代表整张片参与飞行质量统计。
结果表明，整个摄区的最大旋偏角、倾斜角分别9.5’、5.8’，可见整个飞行姿态控制得相当好，也相当利于后续数据处理。比较图3与图4可以得到，影像在航线内重叠度最大值、均值与最小值之间的差异很小，而旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，究其原因主要为航向像幅小于旁向像幅、摄影航向重叠大于旁向重叠所致，因此在进行旁向重叠度检查时需要特别注意。
同时，为验证本文的方法的可行性，采用按照传统光学航摄检查的方法，对相应航摄成果进行了质量检查，与上述检查结果无明显差异，故本文的检查方法可行。
4. 结束语
针对实现航空摄影质量的计算机自动化检查的需
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要，本文在利用现有的空中三角测量软件进行同名点自动匹配的基础上，开发相应的统计工具，并利用粤西某城区及周边区域的SWDC-4数码航摄成果进行验证。结果表明：
（1）PixelGrid 的高精度快速自动匹配和均匀分布的同名点，为实现自动航空摄影成果的质量检查提供了便利条件，能实现快速、高效的自动化摄影质量检查，极大的方便生产应用。
（2）通过与传统的检查方式比较，检查结果无明显差异，故本文的检查方式可行，同时由于其自动化程
度高，可大量节省人工检查，值得推广。
（3）统计表明，影像重叠度在航线内不同同名点之间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异很小，而旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，究其原因主要航向像幅小于旁向像幅、摄影航向重叠大于旁向重叠，这一点在进行旁向重叠度检查必须引起特别注意。
参考文献
[1] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 6962-2005 1︰500、1︰1000、1︰2000 地形图航空摄影规范[S]. 北京：中国国家标准出版社，2005.
[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 15661-2008 1︰5000、1︰10000、1︰25000、1︰50000、1︰100000地形图航空摄影规范[S].北京：中国国家标准出版社，2008.
[3] 叶金山，朱宝章，王小力, 等. 用航摄底片直接进行飞行质量检查方法的探讨[J].测绘通报，1997（7）：8-11. [4] 乔瑞亭，孙和利，李欣. 摄影与空中摄影学[M].武汉：武汉大学出版社，2008:.
[5] 王辛之，李双林. 武汉城市基础航空摄影及其质量检验与评定中的若干问题[J].城市勘测，2002（2）：35-37. [6] 段福洲，赵文吉. 基于图像匹配的机载遥感影像质量自动检查方法研究[J].测绘科学，2010，35（6）：57-58.
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[7] 余长慧，曾衍伟. 数字航空摄影成果的自动质量检查系统设计[J].测绘信息与工程，2011（1）：8-10.
[8] 吴石虎. 航空摄影飞行质量数字化验收系统的设计与实现[D].解放军信息工程大学，2005.
[9] 国家测绘局.CH/Z 3005-2010低空数字航空摄影规范[S].北京：测绘出版社，2010.
[10] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 24356-2009测绘成果质量检查与验收[S].北京：中国国家标准出版社，2009.
作者简介
张惠军（1973.1），男，汉族，籍贯：河南，工程师，本科，在广东省国土资源测绘院工作，主要从事摄影测量与遥感、工程测量等测绘工作。
联系地址：广东省广州市广州大道北伍仙桥28号邮政编码：510500联系电话：[1**********]
上接第10
页
图3
键盘消息响应设置
图1 UI
消息发送
图4
对象脚本
图2 主相机脚本设计
Switch On Key BB接收来自键盘的消息，然后映射到相应的行为上去（如图3、图4）。
On Message BB，能够根据不同的消息做出不同的响应。各操作的实现由具体的功能模块完成（如图1、图2）。
4.2 外部消息响应
在虚拟现实和游戏开发过程中，处理来自鼠标和键盘的消息是不可避免的。例如，实现键盘按钮控制对象前进、后退、左、右方向运动的效果。首先，通过
5. 结论
Virtools 的消息和其他行为一样，采用模块的方式进行封装和调用，支持多控制流并发执行，能满足多种情况下的消息收发需求，具有较高的效率。熟悉消息的管理机制，并合理运用不同消息的模块，可以很好的实现各种交互操作，对系统开发和程序优化起到重要的作用。
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面阵数字航摄成果飞行质量检查及其实现
张惠军
（广东省国土资源测绘院，广州
510500）
摘要:针对实现航空摄影质量的需要，在利用PixelGrid 匹配的基础上，阐述如何利用匹配点进行飞行质量统计，开发相应的工具，并用实例进行验证。结果表明，本文提出的方法可行；通过PixelGrid 匹配点进行自动检查，能快速实现快速自动航空摄影成果的质量检查；旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，对旁向重叠度检查必须引起特别重视。
关键词:质量检查；重叠度；影像匹配
随航空摄影平台和技术的发展，促进了航空摄影影像在地理信息获取、国情监测、应急救灾、城市虚拟化建设等领域中得以广泛应用。由于航空摄影平台受飞行环境、气候条件等影响较为明显，因而如何进行航摄成果质量把关显得尤为重要，有关这方面质量控制已经有相当成熟的手段[1-5]。随着各种数字航空摄影仪的相继问世，科学的对航摄成果做出评价对后续处理相当重要。而计算机图形图像处理技术得到了很大发展，传统的手工航摄质量检查手段可以借助计算机模式识别等手段自动实现，从而极大地减少劳动强度、提高工作效率、保证成果质量，在生产中很多单位根据自身的需要开发了相应的质量检查工具[6-8]。笔者在已有研究成果的基础上，根据面阵数码航摄影像质量自动检查的实际需要，阐述了自己的观点与方法，结合现有软件开发相应的质量统计工具，并利用2010年12月SWDC-4数码航摄仪拍摄的568张航片进行检验试验。
根据国家有关规范的要求[9-10]，数字航空摄影成果的质量检查包括对航空摄影成果的飞行质量、影像质量、数据质量及附件质量进行检查。飞行质量检查主要包括重叠度、像片倾角与旋偏角、航高保持、航线弯曲、航摄漏洞、摄区覆盖等检查；影像质量检查主要为影像最大位移、清晰度、反差等的检查；数据质量检查主要为数据的完整性与数据组织的正确性检查；附件检查主要是对提交资料的完整性和正确性的检查。飞行质量与影像质量检查占整个航摄质量检查工作的主体，其中影像质量可通过统计分析来进行质量评定，但是与地物目标有很强的相关性，统计信息不能真实地反应影像质量特性，因此影像质量检查中必要的人工目视检查必不可少，在此就不予深入探讨；而重叠度、像片倾角与旋偏角是飞行质量检查中工作量做大的检查内容，为此本文重点阐述如何自动实现这几项的检查。1.1 重叠度计算
重叠度不应仅限于单点而应为对重叠区域的一个全面
1. 质量检查的内容及方法
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描述，如本文第二节所述，当同一区域高程变化在一定范围内，高程的变化对重叠度的影响完全可以忽略，为此可以采用区域离散化的形式来计算重叠度，具体离散点间距需要根据区域地形、摄影比例尺、焦距、设计重叠度等进行确定。但是对于建筑物，特别是对于城区，由于受高层建筑的影响，影像上地物高差变化频率异常高，为此需要提取所有高层建筑物的角点，参与重叠度的计算，可以编写程序通过角点提取算子和影像自动匹配实现同名点自动量取。设地面点P i ，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p 1（x 1，y 1）、p 2（x ２，y 2），
则该点处的航向重叠度
（1）
其中α为影像的航向像幅大小，则航向重叠度的最
大、最小、平均值分别为
同理可以得到旁向重叠度的最大、最小、平均值分别为
其中P i
y
为同名点的旁向重叠度。
1.2 旋偏角计算
当航空摄影附带IMU 系统，将得到的相邻像片的偏航角求差得到相邻片之间旋偏角k 。若航空摄影时未带IMU 系统，则通过影像自动匹配寻求像主点在相邻像片上的对应同名点，设左影像S 1像主点在右影像S 2上同名点为（x f ，y f ），S 2像主点在S 1上同名点为（x ＇
f
，
y ＇f
），则旋偏角
（2）
当像主点落水无法进行同名地物点量测时，可以在像主点周边寻找2-3个同名点，分别按照式（2）计算旋偏角，而后取平均数作为最终旋偏角。1.3 像片倾角计算
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当航空摄影附带IMU 系统，将得到的俯仰角φ、侧滚角ω按照式（3）求解像片倾角α
。
（3）
若航空摄影时未带IMU 系统，利用自动匹配的重叠度的点，在已有地形图上量测区域四角点的坐标作为控制点解算各匹配同名点的地面坐标和各影像的外方位元素粗略值，然后利用式（3）求解倾角α。
2. 地面目标高度对重叠度的影响
假设相对高程基准面上的点P ，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p 1、p 2，如图1所示，相对于基准面的航向重叠度为p x ；当地面目标高出基准面dH 时，在左影像S 1、右影像S 2上的成像分别为p ＇1、p ＇２，实际航向重叠度为ｐ＇ｘ。则有[1-2]
（4-1）
类似有旁向重叠度关系式
（4-2）
由式（4）可以看出，地面目标高对重叠度的影响
与平均重叠度有关，重叠度越大，影响越小。航向重叠度大于旁向重叠度，则地面目标高对旁向重叠度的影响大于航向重叠度，反之亦然。同时，高程差异较小区域，重叠度变化较小；反之高程差异较大区域，重叠度变化较大，航空摄影时就应该考虑这一点。大城区由于高耸建筑物特多，高差变化异常，重叠度变化相当频繁，在进行重叠度检查时需要引起特别重视。为此程序在自动进行同名点量取时，需要检测出所有高层建筑物顶部角点，并进行航向与旁向同名点匹配。
为验证式（4）中地面目标高对重叠度影响的具体数值大小，对于常见的DMC 、UCD 、SWDC 面阵数码航摄仪进行常规航空摄影（设计航向、旁向重叠度分别为65%、30%），分别计算了相当于传统航摄1︰20000、1︰35000两种航摄比例尺下，航向重叠度与旁向重叠度分
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别随目标高变化的变化值，具体见表1所示。从表1的数值来看，当同一区域高程变化很小时，可以以该区域中的某一点的重叠度代替本区域的重叠度，但是当地物目标高超过一定的数值，其影响就不能忽略，此时需要对区域进行分割。
表1
重叠度随目标高变化的变化值
3. 应用实例
3.1 试验区介绍
为满足城市规划的需要，粤西某地计划对城区及周边80km2区域进行1︰1000航摄成图，作业区以平地为主，存在一定数量的高层建筑，于2010年12月采用SWDC-4数码航摄仪进行航空摄影，设计绝对航高650m 、航向重叠度65%、旁向重叠度30%，根据摄区建筑物分布的分布情况设计曝光点，采用运5搭载双频GPS 辅助航空摄影，获取16条航线、568张真彩色影像，具体见图2所示。
图1
地面目标高变化引起的像点位移
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图2
试验区
3.2 试验情况
利用摄区周边的GDCORS 基准站将搭载的双频GPS 接收机数据进行差分计算，并进行坐标与高程转换，得到各摄影中心的1980西安坐标系和1985国家高程基准。采用PixelGrid 完成影像的航向与旁向的自动匹配，在此基础上，进行人工检查并添加高层建筑物上的同名点，得到各像点观测值，利用PATB 进行GPS 辅助空中三角测量计算，探测可能存在的粗差像点并进行修正，得到各张影像的外方位元素。根据获得的像点观测值与外方位元素，采用Visual Studio 2008 C# 3.0开发相应的统计工具，设定相应的航空摄影设计参数实现结果的自动统计，得到重叠度平均、最大、最小值分别见图3、图4所示。
图3
航向重叠度
图4
旁向重叠度
3.3 结果分析
试验表明，PixelGrid 的高精度快速自动匹配和均匀分布的同名点，为实现自动航空摄影成果的质量检查提供了有利支撑。通过PixelGrid 软件的匹配，能保证绝大多数像片内匹配点的均匀分布、且点间隔能满足重叠度检查要求，除个别建筑物顶角点外，这些自动匹配点完全能代表整张片参与飞行质量统计。
结果表明，整个摄区的最大旋偏角、倾斜角分别9.5’、5.8’，可见整个飞行姿态控制得相当好，也相当利于后续数据处理。比较图3与图4可以得到，影像在航线内重叠度最大值、均值与最小值之间的差异很小，而旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，究其原因主要为航向像幅小于旁向像幅、摄影航向重叠大于旁向重叠所致，因此在进行旁向重叠度检查时需要特别注意。
同时，为验证本文的方法的可行性，采用按照传统光学航摄检查的方法，对相应航摄成果进行了质量检查，与上述检查结果无明显差异，故本文的检查方法可行。
4. 结束语
针对实现航空摄影质量的计算机自动化检查的需
科技交流
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要，本文在利用现有的空中三角测量软件进行同名点自动匹配的基础上，开发相应的统计工具，并利用粤西某城区及周边区域的SWDC-4数码航摄成果进行验证。结果表明：
（1）PixelGrid 的高精度快速自动匹配和均匀分布的同名点，为实现自动航空摄影成果的质量检查提供了便利条件，能实现快速、高效的自动化摄影质量检查，极大的方便生产应用。
（2）通过与传统的检查方式比较，检查结果无明显差异，故本文的检查方式可行，同时由于其自动化程
度高，可大量节省人工检查，值得推广。
（3）统计表明，影像重叠度在航线内不同同名点之间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异很小，而旁向航带间的重叠度最大值、均值与最小值之间的差异显著，究其原因主要航向像幅小于旁向像幅、摄影航向重叠大于旁向重叠，这一点在进行旁向重叠度检查必须引起特别注意。
参考文献
[1] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 6962-2005 1︰500、1︰1000、1︰2000 地形图航空摄影规范[S]. 北京：中国国家标准出版社，2005.
[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 15661-2008 1︰5000、1︰10000、1︰25000、1︰50000、1︰100000地形图航空摄影规范[S].北京：中国国家标准出版社，2008.
[3] 叶金山，朱宝章，王小力, 等. 用航摄底片直接进行飞行质量检查方法的探讨[J].测绘通报，1997（7）：8-11. [4] 乔瑞亭，孙和利，李欣. 摄影与空中摄影学[M].武汉：武汉大学出版社，2008:.
[5] 王辛之，李双林. 武汉城市基础航空摄影及其质量检验与评定中的若干问题[J].城市勘测，2002（2）：35-37. [6] 段福洲，赵文吉. 基于图像匹配的机载遥感影像质量自动检查方法研究[J].测绘科学，2010，35（6）：57-58.
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[8] 吴石虎. 航空摄影飞行质量数字化验收系统的设计与实现[D].解放军信息工程大学，2005.
[9] 国家测绘局.CH/Z 3005-2010低空数字航空摄影规范[S].北京：测绘出版社，2010.
[10] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 24356-2009测绘成果质量检查与验收[S].北京：中国国家标准出版社，2009.
作者简介
张惠军（1973.1），男，汉族，籍贯：河南，工程师，本科，在广东省国土资源测绘院工作，主要从事摄影测量与遥感、工程测量等测绘工作。
联系地址：广东省广州市广州大道北伍仙桥28号邮政编码：510500联系电话：[1**********]
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键盘消息响应设置
图1 UI
消息发送
图4
对象脚本
图2 主相机脚本设计
Switch On Key BB接收来自键盘的消息，然后映射到相应的行为上去（如图3、图4）。
On Message BB，能够根据不同的消息做出不同的响应。各操作的实现由具体的功能模块完成（如图1、图2）。
4.2 外部消息响应
在虚拟现实和游戏开发过程中，处理来自鼠标和键盘的消息是不可避免的。例如，实现键盘按钮控制对象前进、后退、左、右方向运动的效果。首先，通过
5. 结论
Virtools 的消息和其他行为一样，采用模块的方式进行封装和调用，支持多控制流并发执行，能满足多种情况下的消息收发需求，具有较高的效率。熟悉消息的管理机制，并合理运用不同消息的模块，可以很好的实现各种交互操作，对系统开发和程序优化起到重要的作用。
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