摘要針對現有航空影像糾正軟件存在的問題,提出了一種無數字地面模型支持的基于“圖像與圖形疊加配準”的糾正新方法,并介紹了基于索引彩色模式的圖像與圖形快速疊加技術。對于影像糾正,在分析航空影像局部變形特點的基礎上,提出了對局部變形進行糾正的經驗公式。最后,又將初糾正與局部糾正結合在一起,開發了一個完整的圖像糾正軟件。同時還利用該軟件對航空圖像進行了糾正試驗,糾正時共選擇了13個控制點,糾正后的圖像與地圖疊加顯示出整體匹配很好,存在的殘差也都在2pixel之內。研究結果表明,該糾正方法是可行性的,可以用來糾正由各種因素造成的影像變形。
　　關鍵詞航空影像；糾正；地圖；疊加
　　
　　0引言
　　航空影像由于具有較大的比例尺,因此包含十分豐富的地面信息,但對這些地面信息進行分析、研究和利用時,必須首先糾正由于像片傾斜和地形起伏等引起的變形,即需進行影像糾正。在航空攝影測量進入“數字化”時代后,航空影像的糾正多采用數字微分糾正的方法[1]。雖然數字微分糾正具有較高的幾何精度,但必須首先生成該影像范圍的數字地面高程模型(DEM),因而在缺乏數字地面高程的情況下,航空影像的糾正將變得復雜和困難。
　　為了解決這一問題,有效的途徑是利用地形圖提供的地形信息。本文提出了一種將航空影像糾正至地形圖的新方法,由于地圖是建立在大地坐標系下的,因此糾正的航空影像也將是正射的。為了將航空影像準確地糾正至地形圖上,本文使用了圖形與圖像疊加顯示的技術,即通過將地形圖一矩形區與影像進行匹配來選擇控制點的方法,這一方法不僅加快了選擇控制點的速度,更重要的是避免了人工量算的錯誤。在選擇4個控制點后,即將第1次糾正后的影像與地圖相疊加,以后則在疊加的圖像中選擇控制點,并進行迭代糾正,最后由操縱者根據疊加圖像的吻合程度終止糾正過程。
　　
　　1影像與地圖的配準
　　影像與地圖的疊加配準是本文糾正試驗方法的基礎。航空影像的糾正首先要在影像和地形圖上選擇相應的控制點,然后通過建立數學模型來對影像進行糾正,而控制點的多少與精度將直接影響航空影像糾正的質量。目前,在沒有數字地面高程的情況下,大多是采用手工方法在地圖上選擇控制點,其缺點是,由于未糾正影像與地圖之間所存在的比例、旋轉和地形差變形等差異,因而使得選點精度受到一定的影響,并且在沒有明顯的地形地物點處將無法選點或造成所選點精度不足,而本文則使用了數字影像與數字地圖疊加顯示技術,從而有效地克服了上述缺點,并大大提高了控制點的選點精度。
　　
　　1.1PC顯示模式的設定
　　一般航空影像多為8bit灰度圖像,且彩色圖像也可分為多個8bit灰度圖像表示,因此,本文僅討論灰度圖像的情況,而且8bit灰度圖像在PC機上以256色顯示為最好,因為在此模式下,既可真實地顯示圖像,又可實現圖像的快速顯示[2]。
　　在256色顯示模式下,圖形和圖像的顯示采用的均是索引彩色的方式。對于256個索引值中的每一個,都對應著一個彩色量,由于該彩色量由綠色亮度、藍色亮度和紅色亮度的總和來表示[3],因此只有綠色、藍色和紅色的亮度都相等時,才能顯示出灰色。在256色顯示模式下,因為綠色、藍色和紅色的亮度使用6bit索引值來表達,所以它們的亮度范圍為0~63。由此可見,在PC機256色顯示模式下,只能顯示出64級灰度,因而灰度圖像的顯示只需6bit。
　　
　　1.2地圖與圖像的疊加顯示
　　在將地圖與圖像進行疊加匹配時,由于只使用地圖的空間位置信息,因此只需對地圖進行二值化掃描輸入,也就是說,數字地圖只需1個信息位來表達。根據灰度圖像顯示只需6個信息位的特點,本文將8bit灰度圖像進行如下變換(圖1):
　　
　　圖1圖象灰度變換示意圖
　　這一操作實際上是對灰度值以4為倍數求整。空出的第0位可將數字地圖寫入,這樣不僅實現了地圖和圖像的疊加,又節省了存貯空間。對于以上的數據結構,設計以下的調色板技術來實現圖像的單獨顯示或疊加顯示,以便于正確地匹配選點。
　　
　　2航空影像的糾正
　　航空影像的糾正可分為初糾正和局部調整兩個步驟,即首先在以上討論的基礎上,準確地選擇4個控制點,再利用這4個點,對地圖進行第一次糾正,即初糾正;然后將糾正后的地圖疊加至航空影像上,在疊加的基礎上和在圖像漫游的支持下,就可以容易地發現殘差點,并準確地調整至正確位置,同時算出殘差值,以便再進行局部糾正,若仍有殘差,則繼續匹配選點,并糾正,直至滿意為止。最后,根據以上記錄的控制點,再對航空影像進行糾正。具體糾正流程如圖2所示。
　　
　　圖2航空影響糾正流程圖
　　2.1初糾正
　　初糾正采用以下的方程式
　　
　　在經過地圖和航空影像的疊加并選擇了4個控制點后,即可解算出式(1)的系數,再利用式(1)將地圖糾正至航空影像上,并進行整幅圖像的疊加,然后通過對疊加的圖像進行漫游觀察來發現殘差點。圖3給出了初糾正后地圖與影像疊加顯示和準確匹配的結果。
　　
　　圖3初糾正后地圖與航空影象疊加和配準結果圖象
　　
　　2.2局部糾正
　　由于拍攝航空影像時航高較低,因而由地形高低引入的投影差較大,如果沒有相應的數字地面模型,將不能進行準確的影像糾正,再加上其他因素引入的不規則變形,更為航空影像的糾正增加了困難,可是局部糾正卻能通過圖形與圖像疊加的方法,來發現由各種因素引入的變形,并改正至新的準確位置,但在局部調整的同時,必須保證原控制點處的位置不變,即保證局部糾正后的圖像仍是連續的。為了解決這一問題,本文提出了如下的局部糾正思想,即當發現局部變形點,并通過疊加匹配得出其坐標變化值$X,$Y后,在對其周圍的圖像作糾正前,需首先計算出待糾正點至已知控制點和變形點的距離,若在3個最近距離中,包括變形點則進行糾正,否則不糾正。設待糾正點至變形點的距離為R0,而至另二個控制點的距離為R1和R2,則根據待糾正點與控制點和變形點距離有關的特點,通過大量的試驗,總結出以下對待糾正點進行糾正的關系式:

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