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正射影像應同時具有地圖的幾何精度和影像的視覺特征,特別是對于高分辨率、大比例尺的正射影像圖,它可作為背景控制信息去評價其他地圖空間數據的精度、現勢性和完整性。然而作為一個視覺影像地圖產品,影像上由于投影差引起的遮蔽現象不僅影響了正射影像作為地圖產品的基本功能發揮,而且還影響了影像的視覺解譯能力。為了最大限度地發揮正射影像產品的地圖功能,近幾年來,關于真正射影像( True Orthophoto)的制作引起了國內外的廣泛關注,本文主要對真正射影像的概念及制作原理進行簡單介紹。
1)遮蔽的概念
這里所說的遮蔽即遮擋,指的是由于地面上有一定高度的目標物體遮擋,使得地面上的局部區域在影像上不可見的現象。航空遙感影像上的遮蔽主要有兩種情況,一種是絕對遮蔽,比如高大的樹木將低矮的建筑物遮擋了,使得被遮擋的建筑物在航空遙感影像上不可見。另一種則是相對遮蔽,如圖1所示,對于地面上的△ABC區域,它在右像片上不可見,即被遮擋了,但在左像片上是可見的;而對于地面上的△DEF區域,則正好相反。
圖1 相對遮蔽示意圖
這說明對于相對遮蔽而言,影像上的丟失信息是可以通過相鄰影響進行補償的,而絕對遮蔽則做不到這一點。以下只討論相對遮蔽的情況。
航空遙感影像上遮蔽的產生與投影方式有關。對于地物的正射投影,由于它是垂直平行投影成像,是不會產生遮蔽現象的(樹冠等的遮擋除外),如圖2(a)所示。而傳統的航空遙感影像,它是根據中心投影的原理攝影成像的,對地面上有一定高度的目標物體,其遮蔽是不可避免的。對于中心投影所產生的遮蔽現象,其實質就是投影差,如圖2(a)所示:
圖2 遮蔽情況分析示意圖
傳統的正射影像制作方法主要是利用中心投影(包括框幅式中心投影或線中心投影)影像通過數字糾正的方法得到。在糾正過程中,對原始影像上由一定高度的地面目標物體所產生的遮蔽現象在糾正后依然存在,這使得正射影像失去了“正射投影”的意義,使得正射影像在與其他空間信息數據進行套合時發生困難,使傳統正射影像的應用受到一定的限制。
2)正射影像上遮蔽的傳統對策
為了有效地削弱或盡可能地消除正射影像上的遮蔽的影響,使正射影像產品滿足相應比例尺地圖的幾何精度要求,人們提出了許多有效地限制中心投影影像(包括所生產的正射影像)上遮蔽現象的辦法或措施,主要策略包括以下幾種:
(1)影像獲取時的策略。通過在攝影時采用長焦距攝影、提高攝影飛行高度、縮短攝影基線等方法以增加像片的重疊度,以及在航空攝影航飛線路設計時盡量避免使高層建筑物落在像片的邊緣等手段,減少因地面有一定高度目標物體所引起的投影差(遮蔽),也即縮小像片上遮蔽的范圍。
(2)糾正過程中的策略。盡量利用攝影像片的中間部位制作正射影像,因為中心投影像片的中間部位其投影差較小甚至無投影差,換句話說就是此處的遮蔽范圍較小或根本無遮蔽。
(3)傳感器選擇的策略。隨著線陣列掃描式成像傳感器的應用越來越廣泛,人們希望利用線陣列掃描式傳感器影像來制作正射影像。因為對于垂直下視線陣列掃描影像而言,地面有一定高度的目標只會在垂直于傳感器平臺飛行的方向上產生投影差(遮蔽),而在沿飛行方向則無投影差(遮蔽),如圖3所示:
圖3 線陣列掃描影像的遮蔽
傳統的正射影像雖然被冠以“正射“兩字,但卻不是真正意文上的正射影像。這是因為傳統正射影像的制作是以2.5維的數字高程模型(DEM)為基礎進行數字糾正計算的。
而DEM是地表面的高程,即它并沒有顧及地面上目標物體的高度情況,因此,微分糾正所得到的影像雖然被叫作正射影像,但地面上3維目標(如建筑物、樹木、橋梁等)的頂部并沒有被糾正到應有的平面位置(與底部重合),而是存在投影差。
隨著G1S重要性的增強,人們常常會把正射影像特別是城區大比例尺的正射影像作為G1S數據庫底圖來使用,以更新G1S數據庫或用于城市規劃等目的,此時就會發現正射影像與其他類型圖件進行套合時發生困難,正因為如此,正射影像就不適合作為底圖對其他圖件進行精度檢查或進行變化檢測。為此,人們提出了制作“真正射影像”的要求。
所謂真正射影像,簡單一點講就是在數字微分糾正過程中,要以數字表面模型(DSM)為基礎,來進行數字微分糾正。對于空曠地區而言,其DSM和DEM是一致的,此時只要知道了影像的內、外方位元素和所覆蓋地區的DEM,就可以按共線方程進行數字微分糾正了,而且糾正后的影像上不會有投影差。
實際上,需要制作真正射影像的情況往往是那些地表有人工建筑或樹木等覆蓋的地區,對這樣一些地區,其DSM和DEM的差別就體現在人工建筑或樹木等的高度上,換句話說,為了制作這些地區的真正射影像,就要求在該地區的DEM基礎上采集所有高出地表面的目標物體高度信息,或直接得到該地區的DEM,以供制作真正射影像所用。
然而,在實際真正射影像的制作過程中,還有兩個方面的問題需要考慮到兩點。
①DSM采集的困難。就目前數字攝影測量及其相關技術的發展水平而言,DSM的采集主要有兩種方法:一是采用半自動的方式在攝影測量工作站上采集得到,二是可以用機載三維激光掃描儀或斷面掃描儀直接掃描得到。上述兩種方法理論上都是可行的,但由于實際地表覆蓋的高低起伏很復雜,若以較大的采樣間隔去采集DSM,將直接影響所生成的真正射影像質量;另外,DSM采集的對象是否有必要包括地面上一切有一定高度的目標也值得考慮。