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摘 要：山岳型旅游风景区正兴起运用三维地图开展景区业务管理，而用航拍数字摄影测量获取山岳型风景区三维地图数据是主要手段，由于受到天气、光照和拍摄角度等因素的影响造成数据失真，本文基于此探讨三维地图制作过程中的数据预处理方法，给三维地图制作提供更加真实的数据。
关键词：山岳型风景区；三维地图；预处理
1.引言
随着计算机技术，特别是计算机图形学、三维仿真技术及虚拟现实技术的飞速发展，由于二维地图已逐渐不能满足应用需求，三维地图则能够提供更丰富的信息，并已广泛应用于城市规划[1-2]、气象[3]、海洋[4]、矿山[5]等诸多领域中。
三维地图的数据主要是通过地形图结合建筑设计图纸、数字摄影测量和激光扫描等方法获取[6]。目前山岳型风景区的三维地图数据主要采用航拍获取，但航拍受到天气、光照和拍摄角度等因素的影响，所拍摄获得的影像数据均有一定的几何变形和相邻照片之间色彩不一致等问题，导致后期制数据失真，因此对获取的影像数据进行预处理是非常必要。本文基于此探讨了山岳型风景区三维地图数据制作过程中采用的几何校正、图片镶嵌和影像云色等预处理方法，消除拍摄过程中的变形和色差，为后期三维地图制作提供更加逼真的数据。
2.数据预处理问题分析
山岳型风景区山峰、河流、建筑等地球表面的自然界物体表面信息构成了航拍数据，这些信息本身是一幅完整的三维空间地图，具有一定的空间分布特征，但经过航拍摄影后，由于受到天气、日照、拍摄角度等因素影响致使这些信息被部分歪曲。航空影像是地面的中心投影，中心点几何畸变小，越往边缘畸变越大，空间位置均不同程度的被歪曲变形，这就是所说的几何畸变[7]。对于航拍数据的几何畸变要采取几何变换进行校正。主要表现为位移、旋转、缩放、仿射、弯曲和更高阶的歪曲，或者表现为像元相对地面实际位置产生挤压、伸展、扭曲或偏移。尽管畸变的原因多样，但大部分可通过几何校正和影像配准来消除。
在炙热夏天或阴雨天航拍，色差较为严重，如果拍摄范围广，必须分期进行，这会造成严重的色差。日照会引起山峰、岩石和建筑物等产生阴阳面，尤其是岩石，向阳面呈白色，背阴面呈黑色，造成影像严重失真。而景区通常由上百幅甚至上千幅航拍图片组成，在制图过程中，需要把若干经过辐射校正、去条带和斑点以及几何校正等预处理的单幅像片拼接和镶嵌起来确保整体图片呈现系统性。
3.数据预处理方法
3.1几何校正与影像配准
3.1.1几何校正
影像的几何校正是利用地面控制点对原影像的几何畸变过程进行某种数据模拟，建立起原始影像与标准空间的一种对应关系，然后利用这种对应关系将畸变影像空间的像素变换到标准空间影像中，实现对原影像的几何校正[7]。引起影像几何畸变的原因可分为系统性和非系统性。系统性一般由航空摄像机本身引起，有规律可循和可预测，可以用航空摄像机来校正；非系统性几何畸变是不规律的，它可能是航空摄像机本身的高度、姿态等不稳定，也可能是地球曲率及空气折射的变化及地形的变化等，所以影像的几何校正主要是消除几何误差，获得所需的正射影像。影像的几何校正采取的主要步骤是：
（1）几何校正方法的选取
目前航拍的影像主要是数字影像，因而主要是对航拍影像进行数字几何校正。数字几何校正的方法主要有基于数字高程模型和相应构像方程的共线方程校正法和给予地面控制点的多项式校正法。共线方程校正法建立在影像坐标与地面坐标严格变换的基础之上的，是对空间几何形态的直接描述；多项式校正法是利用校正前后影像相应点之间的坐标关系建立一个相适应的多项式。从理论上说，共线方程校正法比多项式校正法严密，尤其是地面高程的信息，对于地形起伏较大的情况下，共线方程校正法也比多项式校正法更具有优势，山岳型风景区具有地形复杂、地形起伏较大、高程信息丰富等特点，因此选取共线方程校正法进行影像几何校正。
（2）确定地面控制点
地面控制点数据是航空影像几何校正过程中必不可少的基准数据，主要是通过地形图、GPS测量和已有的正射影像图上选取获得。一般选取的控制点应具有固定点或清晰明显的标志特征，如道路交叉点、河流交叉点、湖泊边缘、山峰顶点等。
要求地面基准控制点均匀分布在整幅影像内，且要有一定数量。不同的校正模型对控制点个数的需求不尽相同。理论上认为选择的控制点数目越多越好，但过多会增加几何校正的工作量，反之将影响几何校正所需的精度。通常来说，几何畸变程度较小的影像选择控制点数目不少于15个，几何畸变程度较大的影像基准控制点需要30个以上。另外在选取控制点时，影像中心区域应少选，四周区域应多选，且分布均匀，这样才能满足校正的精度。
（3）建立几何校正模型
航拍影像的成像原理是基于现有相机的投影模型，即共线方程，对于航片影像的几何校正，可以设置一个参考影像，称之为标准影像，而待校正的影像是飞行器相机发生外参数变化时生成的影像。可将待校正影像选取特征点，利用高斯列主元素消元法解出所需的系数，获得几何校正的共线方程的校正模型。
（4）原始影像重采样
重新校正后的像元在原影像中分布是不均匀的,即输出影像像元点在输入影像中的阵列号不是或不全是正数关系。在影像纠正过程中需要根据输出影像上各像元在输入影像中的位置，对原始影像按一定规则进行内插重新采样，进行亮度值的插值计算，建立新的影像矩阵，常用的内插方法有邻近法、双线性和双三次卷积等。邻近法利于保持原始影像中的灰级，但对影像中的几何结构损坏较大。后两种方法对像元值有所近似，但在很大程度上保留影像原有的几何结构。需要根据不同影像选用不同内插方法完成影像重采样。
3.1.2影像配准
图像配准是对取自不同时间、不同传感器或者不同视角的同一场景的两幅或多幅图像进行最佳匹配的过程，主要包括像素灰度匹配和空间位置对齐[8]。匹配过程主要包括配准对象选取、特征提取、特征匹配、变换模型、优化策略、坐标变换等。复合匹准适用于待配准影像之间有较大的尺寸比例差别、较大的斜角和影像畸变大的情况，结合影像中的不同特征和灰度进行复合匹准将会取得较好的效果。
3.2镶嵌与裁剪
3.2.1镶嵌
数字影像镶嵌是将两幅或多幅数字影像拼接在一起，构成一幅整体图像的技术处理过程。在进行影像的镶嵌时，首先需要确定一幅参考影像，将其作为输出镶嵌影像的基准，提供镶嵌影像的对比度匹配、输出影像的像元大小和数据类型等依据[9]。镶嵌的两幅或多幅影像应尽量选择相同或相近的成像时间，确保影像色调一致性。当接边色差过太大时，可采用直方图均衡、色彩平滑等技术进行处理，使之平滑过渡。
ENVI软件支持有地理参照和没有地理参照影像数据的镶嵌，能够自动对镶嵌影像进行颜色平衡，并提供了多种影像增强和直方图匹配工具，可以最大限度地消除镶嵌影像间的色调和颜色差异，其效果图（如图1—图４所示）。
3.2.2裁剪
影像裁剪的目的是将多余的区域去除，山岳型风景区常用的是按照行政区划边界或自然区划边界进行影像的分幅裁剪[10]。裁剪过程可分为两步：矢量栅格化和掩膜计算。矢量栅格化是将面状矢量数据转化成二值栅格影像文件，文件像元大小与被裁剪影像一致；把二值影像中的裁剪区域的值设为1，区域外取0值，与被裁剪影像做交集运算，计算所得影像就是影像裁剪结果。
目前影像格式主要为TIFF、ECW、IM等格式， WGS84坐标系，系统使用ERmapper工具进行影像匀色。如果影像色彩差异较大，自动匀色不能使色彩达到统一，就需要手工进行色彩匹配，使之与标准图中的逐个象元进行颜色匹配，然后再适当调整饱和度与明暗度，其效果图（如图５所示）。
4.地图预处理技术
随着计算机技术的发展，地图预处理技术从算法理论到实用工具都有长足发展。地图数据加工和处理由单一的矢量方式和栅格方式，逐步被矢量栅格混合方式代替，按地图要素图形结构分为线状要素的化简和面状要素的化简以及地貌的综合等。目前常用的遥感数据地图预处理软件有加拿大PCI公司的数据处理软件、美国ERDAS公司的影像处理系统和美国RSI公司的ENVI软件等，主要包括数据输入/输出、常规影像处理、几何校正、大气校正及标定、全色数据分析、多光谱数据分析、高光谱数据分析、雷达数据分析、地形地貌分析、适量分析、神经网络分析、正射影像图生成、三维景观生成、制图等功能。
经过预处理的地图数据，在三维建模过程中，系统可采用skyline系列软件中的TerraBuilder模块加工数据，利用TerraBuilder进行地图制作流程如下：
在TerraBuilder中加载高程、影像，完成不同分辨率影像间色彩的平滑过渡，即边缘羽化效果。并创建影像金字塔，生成三维场景。
5.结语
山岳型风景区涉及的数据主要包括航片、DEM矢量数据、道路数据、景点建筑模型等，经过三维数据融合后形成一个景区三维可视化运行场景，景区的应用业务数据将在此场景中展示。对航空拍摄的三维数据，在采集过程中会产生几何畸变和色彩不一致等现象，通过几何校正、影像镶嵌和分割等数据预处理方法对数据进行校正，使数据恢复和现实地物一致状态，以便进行应用。
参考文献：
[1]狄彩云等.城市空间三维数据信息获取技术[J].地理空间信息,2007,5(5):53-56.
[2]王立志,梅再美.贵阳城区建立三维模型中SPOT遥感影像阴影处理方法的探讨[J].安徽农业科学,2007,35(18):5446-5447.
[3]商建,杨汝良.TRMM卫星测雨雷达的数据处理及台风三维数据分析[J].电子与信息学报,2008,30(11):2724-2727.
[4]欧建良,鲍峰.基于超图的海洋三维数据模型设计及应用[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(6):832-836.
[5]赖朝辉,刘修国.三维数据场可视化技术在数字矿山中的应用[J].金属矿山,2008,390:131-134.
[6]王继周,李成名.城市三维数据获取技术发展探讨[J].测绘科学,2004,29(4):71-72.
[7]袁金国.遥感影像数字处理.中国环境科学出版社,2006.2.
[8]廖文峰.卫星遥感图像的几何精校正研究[J].地理空间信息,2008,6(5):71-72.
[9]刘松涛,杨绍清.图像配准技术研究进展[J].电光与控制,2007,14(6):71-72.
[10]黄文莉,朱述龙.镶嵌图像上拼接缝的消除方法[J].测绘学院学报,2000,17(1):31-33.
关键词：山岳型风景区；三维地图；预处理
1.引言
随着计算机技术，特别是计算机图形学、三维仿真技术及虚拟现实技术的飞速发展，由于二维地图已逐渐不能满足应用需求，三维地图则能够提供更丰富的信息，并已广泛应用于城市规划[1-2]、气象[3]、海洋[4]、矿山[5]等诸多领域中。
三维地图的数据主要是通过地形图结合建筑设计图纸、数字摄影测量和激光扫描等方法获取[6]。目前山岳型风景区的三维地图数据主要采用航拍获取，但航拍受到天气、光照和拍摄角度等因素的影响，所拍摄获得的影像数据均有一定的几何变形和相邻照片之间色彩不一致等问题，导致后期制数据失真，因此对获取的影像数据进行预处理是非常必要。本文基于此探讨了山岳型风景区三维地图数据制作过程中采用的几何校正、图片镶嵌和影像云色等预处理方法，消除拍摄过程中的变形和色差，为后期三维地图制作提供更加逼真的数据。
2.数据预处理问题分析
山岳型风景区山峰、河流、建筑等地球表面的自然界物体表面信息构成了航拍数据，这些信息本身是一幅完整的三维空间地图，具有一定的空间分布特征，但经过航拍摄影后，由于受到天气、日照、拍摄角度等因素影响致使这些信息被部分歪曲。航空影像是地面的中心投影，中心点几何畸变小，越往边缘畸变越大，空间位置均不同程度的被歪曲变形，这就是所说的几何畸变[7]。对于航拍数据的几何畸变要采取几何变换进行校正。主要表现为位移、旋转、缩放、仿射、弯曲和更高阶的歪曲，或者表现为像元相对地面实际位置产生挤压、伸展、扭曲或偏移。尽管畸变的原因多样，但大部分可通过几何校正和影像配准来消除。
在炙热夏天或阴雨天航拍，色差较为严重，如果拍摄范围广，必须分期进行，这会造成严重的色差。日照会引起山峰、岩石和建筑物等产生阴阳面，尤其是岩石，向阳面呈白色，背阴面呈黑色，造成影像严重失真。而景区通常由上百幅甚至上千幅航拍图片组成，在制图过程中，需要把若干经过辐射校正、去条带和斑点以及几何校正等预处理的单幅像片拼接和镶嵌起来确保整体图片呈现系统性。
3.数据预处理方法
3.1几何校正与影像配准
3.1.1几何校正
影像的几何校正是利用地面控制点对原影像的几何畸变过程进行某种数据模拟，建立起原始影像与标准空间的一种对应关系，然后利用这种对应关系将畸变影像空间的像素变换到标准空间影像中，实现对原影像的几何校正[7]。引起影像几何畸变的原因可分为系统性和非系统性。系统性一般由航空摄像机本身引起，有规律可循和可预测，可以用航空摄像机来校正；非系统性几何畸变是不规律的，它可能是航空摄像机本身的高度、姿态等不稳定，也可能是地球曲率及空气折射的变化及地形的变化等，所以影像的几何校正主要是消除几何误差，获得所需的正射影像。影像的几何校正采取的主要步骤是：
（1）几何校正方法的选取
目前航拍的影像主要是数字影像，因而主要是对航拍影像进行数字几何校正。数字几何校正的方法主要有基于数字高程模型和相应构像方程的共线方程校正法和给予地面控制点的多项式校正法。共线方程校正法建立在影像坐标与地面坐标严格变换的基础之上的，是对空间几何形态的直接描述；多项式校正法是利用校正前后影像相应点之间的坐标关系建立一个相适应的多项式。从理论上说，共线方程校正法比多项式校正法严密，尤其是地面高程的信息，对于地形起伏较大的情况下，共线方程校正法也比多项式校正法更具有优势，山岳型风景区具有地形复杂、地形起伏较大、高程信息丰富等特点，因此选取共线方程校正法进行影像几何校正。
（2）确定地面控制点
地面控制点数据是航空影像几何校正过程中必不可少的基准数据，主要是通过地形图、GPS测量和已有的正射影像图上选取获得。一般选取的控制点应具有固定点或清晰明显的标志特征，如道路交叉点、河流交叉点、湖泊边缘、山峰顶点等。
要求地面基准控制点均匀分布在整幅影像内，且要有一定数量。不同的校正模型对控制点个数的需求不尽相同。理论上认为选择的控制点数目越多越好，但过多会增加几何校正的工作量，反之将影响几何校正所需的精度。通常来说，几何畸变程度较小的影像选择控制点数目不少于15个，几何畸变程度较大的影像基准控制点需要30个以上。另外在选取控制点时，影像中心区域应少选，四周区域应多选，且分布均匀，这样才能满足校正的精度。
（3）建立几何校正模型
航拍影像的成像原理是基于现有相机的投影模型，即共线方程，对于航片影像的几何校正，可以设置一个参考影像，称之为标准影像，而待校正的影像是飞行器相机发生外参数变化时生成的影像。可将待校正影像选取特征点，利用高斯列主元素消元法解出所需的系数，获得几何校正的共线方程的校正模型。
（4）原始影像重采样
重新校正后的像元在原影像中分布是不均匀的,即输出影像像元点在输入影像中的阵列号不是或不全是正数关系。在影像纠正过程中需要根据输出影像上各像元在输入影像中的位置，对原始影像按一定规则进行内插重新采样，进行亮度值的插值计算，建立新的影像矩阵，常用的内插方法有邻近法、双线性和双三次卷积等。邻近法利于保持原始影像中的灰级，但对影像中的几何结构损坏较大。后两种方法对像元值有所近似，但在很大程度上保留影像原有的几何结构。需要根据不同影像选用不同内插方法完成影像重采样。
3.1.2影像配准
图像配准是对取自不同时间、不同传感器或者不同视角的同一场景的两幅或多幅图像进行最佳匹配的过程，主要包括像素灰度匹配和空间位置对齐[8]。匹配过程主要包括配准对象选取、特征提取、特征匹配、变换模型、优化策略、坐标变换等。复合匹准适用于待配准影像之间有较大的尺寸比例差别、较大的斜角和影像畸变大的情况，结合影像中的不同特征和灰度进行复合匹准将会取得较好的效果。
3.2镶嵌与裁剪
3.2.1镶嵌
数字影像镶嵌是将两幅或多幅数字影像拼接在一起，构成一幅整体图像的技术处理过程。在进行影像的镶嵌时，首先需要确定一幅参考影像，将其作为输出镶嵌影像的基准，提供镶嵌影像的对比度匹配、输出影像的像元大小和数据类型等依据[9]。镶嵌的两幅或多幅影像应尽量选择相同或相近的成像时间，确保影像色调一致性。当接边色差过太大时，可采用直方图均衡、色彩平滑等技术进行处理，使之平滑过渡。
ENVI软件支持有地理参照和没有地理参照影像数据的镶嵌，能够自动对镶嵌影像进行颜色平衡，并提供了多种影像增强和直方图匹配工具，可以最大限度地消除镶嵌影像间的色调和颜色差异，其效果图（如图1—图４所示）。
3.2.2裁剪
影像裁剪的目的是将多余的区域去除，山岳型风景区常用的是按照行政区划边界或自然区划边界进行影像的分幅裁剪[10]。裁剪过程可分为两步：矢量栅格化和掩膜计算。矢量栅格化是将面状矢量数据转化成二值栅格影像文件，文件像元大小与被裁剪影像一致；把二值影像中的裁剪区域的值设为1，区域外取0值，与被裁剪影像做交集运算，计算所得影像就是影像裁剪结果。
目前影像格式主要为TIFF、ECW、IM等格式， WGS84坐标系，系统使用ERmapper工具进行影像匀色。如果影像色彩差异较大，自动匀色不能使色彩达到统一，就需要手工进行色彩匹配，使之与标准图中的逐个象元进行颜色匹配，然后再适当调整饱和度与明暗度，其效果图（如图５所示）。
4.地图预处理技术
随着计算机技术的发展，地图预处理技术从算法理论到实用工具都有长足发展。地图数据加工和处理由单一的矢量方式和栅格方式，逐步被矢量栅格混合方式代替，按地图要素图形结构分为线状要素的化简和面状要素的化简以及地貌的综合等。目前常用的遥感数据地图预处理软件有加拿大PCI公司的数据处理软件、美国ERDAS公司的影像处理系统和美国RSI公司的ENVI软件等，主要包括数据输入/输出、常规影像处理、几何校正、大气校正及标定、全色数据分析、多光谱数据分析、高光谱数据分析、雷达数据分析、地形地貌分析、适量分析、神经网络分析、正射影像图生成、三维景观生成、制图等功能。
经过预处理的地图数据，在三维建模过程中，系统可采用skyline系列软件中的TerraBuilder模块加工数据，利用TerraBuilder进行地图制作流程如下：
在TerraBuilder中加载高程、影像，完成不同分辨率影像间色彩的平滑过渡，即边缘羽化效果。并创建影像金字塔，生成三维场景。
5.结语
山岳型风景区涉及的数据主要包括航片、DEM矢量数据、道路数据、景点建筑模型等，经过三维数据融合后形成一个景区三维可视化运行场景，景区的应用业务数据将在此场景中展示。对航空拍摄的三维数据，在采集过程中会产生几何畸变和色彩不一致等现象，通过几何校正、影像镶嵌和分割等数据预处理方法对数据进行校正，使数据恢复和现实地物一致状态，以便进行应用。
参考文献：
[1]狄彩云等.城市空间三维数据信息获取技术[J].地理空间信息,2007,5(5):53-56.
[2]王立志,梅再美.贵阳城区建立三维模型中SPOT遥感影像阴影处理方法的探讨[J].安徽农业科学,2007,35(18):5446-5447.
[3]商建,杨汝良.TRMM卫星测雨雷达的数据处理及台风三维数据分析[J].电子与信息学报,2008,30(11):2724-2727.
[4]欧建良,鲍峰.基于超图的海洋三维数据模型设计及应用[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(6):832-836.
[5]赖朝辉,刘修国.三维数据场可视化技术在数字矿山中的应用[J].金属矿山,2008,390:131-134.
[6]王继周,李成名.城市三维数据获取技术发展探讨[J].测绘科学,2004,29(4):71-72.
[7]袁金国.遥感影像数字处理.中国环境科学出版社,2006.2.
[8]廖文峰.卫星遥感图像的几何精校正研究[J].地理空间信息,2008,6(5):71-72.
[9]刘松涛,杨绍清.图像配准技术研究进展[J].电光与控制,2007,14(6):71-72.
[10]黄文莉,朱述龙.镶嵌图像上拼接缝的消除方法[J].测绘学院学报,2000,17(1):31-33.