感的原理與實(shí)踐 -以上海市第三輪航空遙感調(diào)查為例

感的原理與實(shí)踐--以上海市第三輪航空遙感調(diào)查為例

第二個方面的工作為幾何校正。航空遙感調(diào)查是通過航空攝影來獲取遙感影像資料的。由于航空攝影采用的是中心投影，即空間任意一點(diǎn)均通過某一固定點(diǎn)(投影中心)被投射到一平面(投影面)上而構(gòu)成其影像。因此，當(dāng)被攝地區(qū)地面起伏較大或航攝的飛行姿態(tài)出現(xiàn)較大傾斜時，均會使航片上的像素點(diǎn)產(chǎn)生像點(diǎn)位移，從而造成遙感影像的幾何畸變，同時也造成航片上各處的比例尺不盡相同。由被攝地區(qū)地面起伏較大所引起的遙感影像幾何畸變稱為投影誤差，由航攝的飛行姿態(tài)出現(xiàn)較大傾斜所引起的遙感影像幾何畸變稱為傾斜誤差。對于這兩種誤差，包括比例尺的差異，我們都要予以消除。這樣中心投影的航片才能被當(dāng)作正射投影的平面圖來使用。鑒于上海地區(qū)地面較為平坦，基本沒有地勢起伏，所以對因地勢起伏較大而產(chǎn)生的投影誤差我們可以忽略不計。然而，上海的地面上有許多高樓，這些高樓的高低起伏也會引起投影誤差，但是對因這種情況造成的投影誤差，無須消除也無法消除。另外，由于空中存在著氣流的緣故，航攝的飛行姿態(tài)較難控制，航攝時其飛行姿態(tài)難免會出現(xiàn)較大的傾斜。所以，本次航空遙感調(diào)查所獲得的航片存在著一定程度的傾斜誤差，同時也存在著航片各處的比例尺不同。為此，對已經(jīng)完成數(shù)字化掃描的航片，我們還須對其影像所含的傾斜誤差和比例尺的不同進(jìn)行幾何校正，擬通過幾何校正來消除該影像的幾何畸變和比例尺差異。所謂幾何校正，就是將一幅含有幾何畸變和比例尺差異的原始遙感影像，通過一種數(shù)學(xué)變換，生成一幅符合數(shù)字化地圖實(shí)際的新的遙感影像。幾何校正的具體方法為:先在每幅原始遙感影像上選取若干個控制點(diǎn)，再求出這些控制點(diǎn)在數(shù)字化地圖上對應(yīng)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，然后把這些已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)代入計算機(jī)的校正軟件進(jìn)行運(yùn)算。校正運(yùn)算實(shí)際上包含著兩個基本的運(yùn)算過程:一是將每個原始像素點(diǎn)的行列值換算成它在新生成的遙感影像中的坐標(biāo)值，二是重新計算出每個原始像素點(diǎn)在新生成的遙感影像中的像元亮度值。當(dāng)所有的控制點(diǎn)被選好后，其校正運(yùn)算的過程由計算機(jī)校正軟件自動完成。而控制點(diǎn)的選取則需要人工干預(yù)，其選擇的準(zhǔn)確性與合理性將直接影響到校正的處理效果。在幾何校正的過程中，我們需要著重把握好兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一是選取什么樣的像素點(diǎn)作為控制點(diǎn)。根據(jù)以往幾何校正的經(jīng)驗，通常選擇原始遙感影像上地面的突變點(diǎn)來作為控制點(diǎn)，比如道路的交叉口、河流的分叉或拐彎處等。另外像小河的橋梁、建筑物的房基等也適合選作控制點(diǎn)。這樣選擇的好處是:作為控制點(diǎn)的地物標(biāo)志明顯，易于識別。二是在每幅原始遙感影像上選取多少數(shù)目的控制點(diǎn)。從理論上講被選擇的控制點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)越多越好，但選擇得太多會使幾何校正的工作量太大，反過來選擇得太少又達(dá)不到幾何校正所需的精度。這個問題究竟應(yīng)該如何把握，目前還沒有很好的解決辦法，仍需通過幾何校正的具體實(shí)踐，視每幅原始遙感影像的幾何畸變程度來逐一確定。按照我們的實(shí)踐經(jīng)驗，對幾何畸變程度較小的原始遙感影像來說，被選擇的控制點(diǎn)的數(shù)目可以少一些，通常不少于15個;對幾何畸變程度較大的原始遙感影像來說，被選擇的控制點(diǎn)的數(shù)目可以多一些，通常要在30個以上。在同一幅原始遙感影像中，不同的區(qū)域其幾何畸變的程度也不同。原則上也是幾何畸變較大的區(qū)域，被選擇的控制點(diǎn)的數(shù)目多一些;而幾何畸變較小的區(qū)域，被選擇的控制點(diǎn)的數(shù)目少一些。另外在選取控制點(diǎn)時，每幅原始遙感影像的中心區(qū)域應(yīng)少選一些，四周區(qū)域應(yīng)多選一些，因為中心區(qū)域的幾何畸變要比四周區(qū)域的幾何畸變來得小。但是控制點(diǎn)的分布應(yīng)盡量地均勻，尤其是在幾何畸變程度相近的同一區(qū)域要均勻地分布。這樣所獲得的校正影像其精度才能滿足要求，并且整體性也好。第三個方面的工作為圖像拼接。經(jīng)過數(shù)字化掃描及幾何校正后的數(shù)字化遙感影像，均為一幅幅具有相同比例尺的影像圖。這些影像圖互相之間都存在著部分的重疊。所謂圖像拼接就是通過對相鄰影像圖的無縫拼接處理，把這些影像圖相互間的重疊部分去掉，從而為在邏輯上將這些影像圖整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖創(chuàng)造條件。圖像拼接的具體工作步驟為:首先是進(jìn)行色差處理，借助PhotoShop軟件中的色彩調(diào)整功能，將需要拼接的兩幅相鄰影像圖的色彩調(diào)整到盡可能和諧。其次是選擇拼接線，在兩幅相鄰的影像圖上，用彩色線把需要進(jìn)行拼接的界線勾畫出來。再則是拼接影像圖，當(dāng)選好拼接線后，由I/RASC軟件沿著拼接線的軌跡自動進(jìn)行拼接處理。最后是拼接后的檢查，著重檢查沿拼接線的接縫處是否存在著錯位，若存在錯位，還需要對拼接后的影像作進(jìn)一步的修補(bǔ)。在進(jìn)行圖像拼接時，必須注意以下三個問題:一是拼接線要盡可能沿著道路、河流、田埂、空地、陰影等延伸，盡量將拼接線選擇在兩旁無高樓的區(qū)域。二是注意兩幅相鄰影像圖在拼接處的高樓單中心投影傾向，要盡可能使拼接線兩側(cè)的樓房保持相似的傾向，同時也要防止在拼接后將某一側(cè)樓房切掉一部分的情況。三是拼接線要盡可能避免穿越高架、橋梁、鐵路等地物，假如必須要穿越高架、橋梁、鐵路時，應(yīng)盡量從銜接較好的地方或陰影區(qū)內(nèi)穿過。在進(jìn)行錯位修補(bǔ)時，必須遵循以下四個原則:一要遵循客觀性的原則，即在尊重原始影像的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對影像錯位的修補(bǔ)，使修補(bǔ)后的影像能客觀地體現(xiàn)地物的原有面貌。二要遵循準(zhǔn)確性的原則，即只對幾何校正不準(zhǔn)的影像部分作錯位修補(bǔ)處理，而對幾何校正準(zhǔn)確的影像部分保持其原狀不動。三要遵循整體性的原則，即無論是大尺度地物還是小尺度地物，只要拼接時在它的拼接處呈現(xiàn)錯位，就要對整個地物作整體性地修補(bǔ)。四要遵循連鎖性的原則，即對原有的影像錯位作了鎖定修補(bǔ)后，不要在其它地方再產(chǎn)生新的錯位。第四個方面的工作為影像建庫。當(dāng)所有的影像圖都被拼接完后，此時的影像圖在物理上均為一個個覆蓋一定區(qū)域的圖塊，要將這些圖塊從物理上整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖幾乎是不可能的。原因很簡單，因為若要整合的話，其數(shù)據(jù)量太大，現(xiàn)有的軟、硬件技術(shù)均難以支撐。另外，即使有某種軟、硬件技術(shù)能夠給予支撐，但其影像圖的調(diào)用和瀏覽也是極慢的，以致使用者不堪忍受。為了今后使用的方便，較好的選擇是通過影像建庫，將這些圖塊從邏輯上整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖。影像建庫最主要的工作是選擇合適的軟硬件、確定數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)及進(jìn)行影像圖的切割。在著手進(jìn)行影像建庫時，首先要選擇合適的軟、硬件。其中對硬件的選擇，要求服務(wù)器內(nèi)CPU芯片的處理速度越快越好，最好選用含最新一代CPU芯片的服務(wù)器;服務(wù)器中內(nèi)存和硬盤的容量也要越大越好，內(nèi)存容量的配置至少在1Gb以上，硬盤須采用磁盤陣列，其容量的配置也至少在3Tb以上。對軟件的選擇，著重是選擇GIS開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫軟件。GIS開發(fā)平臺是被用來建立對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和瀏覽的運(yùn)行環(huán)境，這一環(huán)境是重要的數(shù)據(jù)處理和加工過程，要備有足夠的緩沖空間，將大大提高工作效率。而數(shù)據(jù)庫軟件則被用來儲存和管理遙感影像數(shù)據(jù)。選擇GIS開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫軟件應(yīng)盡可能選用市場上較流行、應(yīng)用較成熟且功能強(qiáng)大的商用軟件，如GIS開發(fā)平臺方面的Arcinfo、Intergraph等軟件以及數(shù)據(jù)庫方面的Oracle、SQLserver等軟件。選用這樣的軟、硬件才能保證影像建庫獲得較滿意的效果。其次要確定數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)。這里講的確定數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)是指對遙感影像數(shù)據(jù)究竟是采用一個數(shù)據(jù)文件的集中存取方式還是采用多個數(shù)據(jù)文件的分散存取方式。顯然如前面所敘，由于拼接后的影像圖塊不可能在物理上被整合成覆蓋上海全市的一幅影像圖，即這些影像圖塊不可能被拼接成一個數(shù)據(jù)文件，所以采用集中存取的方式不可取，只能采用分散存取的方式。所謂分散存取就是將拼接后的影像圖塊在物理上分割成許多個擁有合適數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)文件分別進(jìn)行存儲；但在訪問時，又將以許多個數(shù)據(jù)文件分散存儲的遙感影像數(shù)據(jù)視作邏輯上覆蓋上海全市的一幅影像圖來加以管理和使用。最后還要進(jìn)行影像圖的切割。其實(shí)現(xiàn)方法為:先根據(jù)上海市地形圖的分幅標(biāo)準(zhǔn)，按照上海市的邊界范圍，對遙感影像圖進(jìn)行圖形分幅并建立相應(yīng)的索引文件。其中1:50000比例尺的影像圖按1:10000地形圖的圖幅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分幅，1:10000比例尺的影像圖按1:2000地形圖的圖幅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分幅。這樣進(jìn)行分幅的好處是:每幅影像圖的數(shù)據(jù)量大小適中，便于使用者的調(diào)用和瀏覽。然后根據(jù)索引文件中的分幅圖，運(yùn)用I/RASC軟件對這兩種比例尺被拼接過的影像圖塊進(jìn)行影像切割，切割的過程由計算機(jī)軟件自動完成。當(dāng)每幅影像圖被切割完后，還需建立它的數(shù)據(jù)文件并輸入到數(shù)據(jù)庫中儲存。待所有的影像圖塊都被切割完，并建立其數(shù)據(jù)文件及輸入到數(shù)據(jù)庫中儲存后，技術(shù)人員還得利用數(shù)據(jù)庫軟件提供的開發(fā)工具，編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理程序，以便使用者按索引文件對庫內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和瀏覽。至此航空遙感調(diào)查數(shù)據(jù)處理的整個工作就告一段落。(三)信息提取綜上所述，此時所生成的遙感影像數(shù)據(jù)已是人們可對其進(jìn)行應(yīng)用的數(shù)字化遙感影像數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用按應(yīng)用方式可分為兩種:一種是將遙感影像數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀或背景資料直接加以利用，如用于地形圖的修測、城市規(guī)劃設(shè)計以及工程項目的詳細(xì)設(shè)計等;另一種是通過對遙感影像數(shù)據(jù)的分析、解譯，從中提取某些專題地物要素的信息來加以利用。對于第一種應(yīng)用，由于我們只是向有關(guān)的部門提供數(shù)據(jù)，并未就其進(jìn)行深入地研究，因此在這里將不作陳述。本節(jié)著重是討論如何通過對遙感影像數(shù)據(jù)的分析、解譯，從中提取某些專題地物要素的信息。信息提取的真正意義在于將內(nèi)容豐富的遙感影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有各種專題的有用信息，以便管理人員利用這些信息更好地為領(lǐng)導(dǎo)決策提供服務(wù)。信息提取的工作大致可分為三步來進(jìn)行:1、影像特征分析要進(jìn)行影像特征的分析，必須首先確定從遙感影像數(shù)據(jù)中提取哪些專題地物要素的信息。遙感影像數(shù)據(jù)的信息內(nèi)容十分豐富，它幾乎涵蓋了人的肉眼可以識別的所有地物要素。然而要把所有這些地物要素的專題信息都提取出來，這幾乎是不可能的，也沒有必要。根據(jù)上海城市建設(shè)和管理的需要，從本次航空遙感調(diào)查的影像數(shù)據(jù)中提取了綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的專題信息。當(dāng)信息提取的地物要素被確定之后，即可開始對這些地物要素進(jìn)行影像特征分析。任何可視地物要素在其遙感影像上都具有一定的光譜特征、幾何特征及其它輔助特征。其中光譜特征在視覺上最直觀的反映就是色調(diào)，幾何特征在視覺上最直觀的反映就是形狀，其它輔助特征在視覺上的直觀反映有:陰影、紋理及影像結(jié)構(gòu)。所謂影像特征分析就是從色調(diào)、形狀、陰影、紋理及影像結(jié)構(gòu)等方面對擬被提取的可視地物要素進(jìn)行影像的定性分析。通過對這些地物要素其影像的定性分析，總結(jié)、歸納出這些地物要素各自所具有的影像特征，并以此作為技術(shù)人員解譯這些地物要素的標(biāo)志和依據(jù)。我們從色調(diào)、形狀、陰影、紋理及影像結(jié)構(gòu)等方面，對被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素進(jìn)行了認(rèn)真地影像定性分析，總結(jié)、歸納出這些地物要素具有如下的影像特征:綠化:健康生長的綠化類地物要素其色調(diào)通常呈飽和度不同的紅色。綠化還可細(xì)分為喬木、灌木和草地。其中喬木、灌木的影像形狀多為尖狀、冠狀、團(tuán)簇狀或絨球狀，草地則為塊狀。喬木一般都有明顯的陰影;灌木也有陰影，但不太明顯，且長度較短;草地則無陰影。人工構(gòu)筑的公園、苗圃其幾何形狀常為矩形或不規(guī)則的多邊形。水體:陸上水體由于光線反射角度及水體深度的不同，其色調(diào)也往往有所不同，但大多都呈青藍(lán)色、藍(lán)色和深藍(lán)色。陸上水體還可細(xì)分為河流、湖泊和池塘。其中河流的幾何形狀為條帶狀，且常有彎曲。湖泊的幾何形狀為不規(guī)則的面狀。池塘的幾何形狀為長方型的面狀，且分布較集中，排列較規(guī)則。道路:城市道路分水泥路和瀝青路。其中水泥路的色調(diào)呈灰白色，瀝青路的色調(diào)呈灰黑色。城市道路的幾何形狀通常為條帶狀。城市道路的邊緣比較清楚，道路上一般能看到汽車，路上還常常有明顯的車道分隔線，市區(qū)道路的兩旁往往伴有建筑物和行道樹，郊區(qū)的高等級公路一般中間設(shè)有隔離帶或兩側(cè)配有綠化帶。建筑物:建筑物有多種類型。城市中常見的建筑物有:高層建筑、新工房、花園式住宅、里弄式住宅和簡屋。從遙感影像上看，高層建筑帶有狹長的陰影;新工房一般為平頂，排列較整齊，且屋頂設(shè)有水箱;花園式住宅為一幢幢排列整齊的單體建筑，且每幢建筑擁有自己的花園;里弄式住宅為一排排排列整齊的連體建筑，且屋頂為坡面，較多的屋頂還開有天窗，房屋的北面設(shè)有曬臺;簡屋的單體建筑占地面積很小，互相犬牙交錯聯(lián)接，形狀散亂，無規(guī)則。2、專題信息提取當(dāng)綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征被總結(jié)、歸納出來之后，技術(shù)人員便可依據(jù)它們的影像特征來提取這些專題地物要素的信息。提取專題信息的具體過程如下:首先是對參加信息提取的工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。培訓(xùn)的主要內(nèi)容有:熟悉和掌握被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征。培訓(xùn)時要在綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中，選取各種具有代表性的地物對其影像特征作逐一講解。待每位學(xué)員比較熟悉這些地物要素的影像特征之后，還要嘗試讓每位學(xué)員依據(jù)這些影像特征，去獨(dú)立地解譯綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中的各種地物。這樣的訓(xùn)練要反復(fù)多次，直到他們完全掌握這些地物要素的影像特征為止。其次是由受過良好培訓(xùn)的技術(shù)人員，依據(jù)綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的影像特征，在本次航空遙感調(diào)查的影像數(shù)據(jù)上對這些專題地物要素進(jìn)行解譯。這里講的解譯指目視解譯。所謂目視解譯就是技術(shù)人員根據(jù)一定的影像特征，在計算機(jī)屏幕上通過肉眼的直接觀察，對遙感影像中的目標(biāo)地物進(jìn)行辨認(rèn)及確定。解譯時，技術(shù)人員先要依據(jù)以上四類基本地物要素的影像特征，在遙感影像上辨認(rèn)出這些專題地物要素中的各種地物;然后借助GIS平臺軟件提供的繪圖工具，用彩色線把已被確認(rèn)的各種地物的邊界勾畫出來。再則是對已被確認(rèn)的各種地物進(jìn)行定性和定量描述。進(jìn)行定性描述就是對已被確認(rèn)的地物賦予它本身所固有的性質(zhì)。如當(dāng)某一地物經(jīng)解譯被確認(rèn)之后，我們應(yīng)將該地物在綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中的詳細(xì)分類作為它本身所固有的性質(zhì)賦予該地物。進(jìn)行定量描述就是對已被確認(rèn)地物的占地面積或長度及其它定量指標(biāo)進(jìn)行量化計算。如在被提取的綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素中，我們應(yīng)對每個已被確認(rèn)的地物進(jìn)行其占地面積或長度及其它定量指標(biāo)的量化計算，并將量化計算的結(jié)果連同前面地物本身所固有的性質(zhì)均作為該地物的屬性保存起來。3、建立地理數(shù)據(jù)庫經(jīng)過對綠化、水體、道路、建筑物四類基本地物要素的分析、解譯，我們從中已提取出這些專題地物要素的有用信息。在已被提取的專題信息中既有圖形數(shù)據(jù)又有屬性數(shù)據(jù)，其中圖形數(shù)據(jù)是以坐標(biāo)集合的矢量形式來描述，屬性數(shù)據(jù)是以文字與數(shù)值的表格形式來描述，并且這些圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間還存在著關(guān)聯(lián)性。為了更好地保存和利用這些已被提取的專題地物要素的有用信息，我們有必要運(yùn)用GIS軟件來建立含有這些圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的地理數(shù)據(jù)庫。建立地理數(shù)據(jù)庫首先也要選擇合適的軟、硬件，但該軟、硬件的選擇可以和前面所述的遙感影像建庫的軟、硬件選擇結(jié)合起來統(tǒng)籌考慮，不需要另外再單獨(dú)選擇。其次要確定地理數(shù)據(jù)庫擬采用的背景圖。實(shí)際上地理數(shù)據(jù)庫中的圖形數(shù)據(jù)又細(xì)分為地形圖、遙感圖和專題圖等數(shù)據(jù)，其中地形圖和專題圖都是矢量數(shù)據(jù)，而遙感圖則是柵格數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)是以像元陣列的形式來描述。地形圖與遙感圖在地理數(shù)據(jù)庫中均作為背景起地理位置的參照作用。已被提取的專題地物要素的圖形數(shù)據(jù)屬于專題圖，專題圖要被疊加到背景圖上才能加以應(yīng)用。因此，我們把本次航空遙感調(diào)查的影像數(shù)據(jù)即遙感圖作為擬建地理數(shù)據(jù)庫的背景圖之一。影像數(shù)據(jù)的建庫在數(shù)據(jù)處理這一節(jié)已作闡述，這里就不作重復(fù)。另外，由于上海市的測繪部門已經(jīng)生產(chǎn)出成系列的數(shù)字化地形圖，所以我們就將該部門生產(chǎn)的1:2000比例尺的框架要素地形圖作為擬建地理數(shù)據(jù)庫的背景圖之二。接下來就可著手建立地理數(shù)據(jù)庫。建立地理數(shù)據(jù)庫的主要工作是利用GIS軟件提供的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫定義及輸入和編輯圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其具體工作步驟如下:首先是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定義，其中包括定義數(shù)據(jù)庫的名稱、組織結(jié)構(gòu)，定義數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度。其次是