歷史航片數(shù)字化中工業(yè)相機的應用

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摘要:航空攝影膠片作為歷史檔案的一種，詳細地記錄了城市規(guī)模、設施等地貌信息變遷。因膠片材質(zhì)保質(zhì)期有限，有必要將其進行數(shù)字化永久保存。傳統(tǒng)的掃描手段效率過低，隨著一億及以上像素的工業(yè)級別相機的誕生，使得拍照代替掃描成為可能。本文采用自行制作高精度大幅面膠片翻拍儀，通過精確校檢獲取準確改正參數(shù)，并結(jié)合計算機后處理，完成了昆明市2期約8500張歷史航空攝影膠片的數(shù)字化試驗，成果各項指標均符合要求，達到了項目預期目的。

關鍵詞:工業(yè)相機;歷史檔案;航攝膠片;掃描;數(shù)字化;翻拍儀

自20世紀80年代以來，航測成圖在城市各比例尺地形圖測繪中得到快速推廣應用［1-3］。筆者單位于1986年組建了航測機構(gòu)以開展航空攝影測量業(yè)務，并于1989年、1994年先后開展了多次航測成圖，比例尺包括1∶500、1∶3000及1∶15000等，覆蓋面積5000余平方千米，區(qū)域涵蓋昆明主城區(qū)、嵩明、富民、昆陽等。至2000年前后，數(shù)字攝影測量慢慢普及，模擬攝影測量逐漸退出歷史舞臺，航空影像進入了數(shù)字化時代［4］。在此期間，筆者單位積累了大量的歷史航空攝影像片膠片，一直存放在院檔案室，隨著時間的推移，現(xiàn)影像膠片正慢慢變質(zhì)，因此，搶救歷史資料檔案勢在必行［5-9］。航空攝影測量原始膠片具有幅面大、變形小、幾何精度高等特點［10］，其影像資料的準確性、直觀性獨具優(yōu)勢，歷史價值極高。如何盡可能還原并實現(xiàn)永久保持上述屬性，是本文研究重點。目前，航攝資料掃描數(shù)字化主要是利用高清影像掃描儀，按照一定的分辨率進行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)按照規(guī)定的存儲格式和要求進行整理并保存在硬盤或其他存儲介質(zhì)上［11-16］。按照如今的設備和技術(shù)手段，掃描全部歷史膠片費時費力，遠遠達不到歷史影像數(shù)字化的時效性，而對于膠片來說，時間越久，損毀的風險就越大。因此，有必要對現(xiàn)行的硬件設備及傳統(tǒng)掃描手段進行創(chuàng)新，以便能快速地對航空攝影資料進行數(shù)字化，提高掃描效率，挽救歷史航攝影像膠片。隨著1億及以上像素的工業(yè)級別相機的誕生，如HasselbladA6D(1億像素)、飛思IQ4150MP(1億像素)、飛思IQ4150MPAchromatic(1．5億像素)，使拍照代替掃描成為可能。

1硬件創(chuàng)新

本文將自行制作高精度大幅面膠片翻拍儀命名“F-scanner”，通過高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner及相關處理軟件，對航攝膠片進行數(shù)字化采集、處理，從而獲取高分辨率數(shù)字影像。

1．1設備概況

使用兩塊透明平板玻璃作為承壓片裝置，一個平面光源作為透射照明單元，一臺超高分辨率數(shù)碼相機作為數(shù)字影像采集設備。數(shù)碼相機經(jīng)機械固定后，首先精確校準其鏡頭畸變差，然后以精密玻璃格網(wǎng)為基準，精確測定感光面與膠片平面的不平行誤差和像元尺寸歸一化參數(shù)，如圖1所示。

1．2主要指標

翻拍儀主要性能指標見表1。

1．3影像數(shù)字化分辨率

(1)傳感器短邊為10652像素，調(diào)整成像，對應航片邊長240mm。(2)最大分辨率=240000/10652≈22．5μm，后處理進行誤差改正和像幅裁切時，規(guī)格化為22．5μm。

1．4影像數(shù)字化檢校及精度

1．4．1精度追述工具選用蔡司230mm×230mm精密玻璃格網(wǎng)板(10mm間隔，面積240mm×240mm，有效精度范圍230mm×230mm，任意格網(wǎng)線交叉點間幾何誤差小于1μm)。在F-scanner設備上獲取影像，如圖2所示，并讀取各格網(wǎng)點指標(x，y)，形成輸入文件。

1．4．2微型檢校場建立微型檢測場，如圖3所示，有效精度范圍為230mm×230mm，并在F-scanner設備上獲取影像，計算得到改正模型十參數(shù):

1．4．3精度評定運行本翻拍儀專用變換檢校軟件，裝載輸入文件。計算鏡頭畸變改正參數(shù)文件(．prs)，經(jīng)檢測，影像各格網(wǎng)點偏移量均小于規(guī)定要求，通過25個格網(wǎng)點偏移量，計算得到翻拍儀幾何檢校的中誤差為2．7μm，小于3μm，符合《城市測量規(guī)范》關于航攝像片掃描的要求。糾正格網(wǎng)影像，檢查最終改正后格網(wǎng)影像，通過查看格網(wǎng)線的直線性、同方向格網(wǎng)線之間的平行性、實測任意兩個格網(wǎng)點間距離等方法進行最終驗證。本次F-scanner設備精度檢校結(jié)果，能滿足設計和作業(yè)要求。

2作業(yè)流程及項目實踐

首先在作業(yè)時直接拍攝整幅膠片影像存儲于計算機存儲介質(zhì);然后進行影像后處理，包括格式轉(zhuǎn)換，誤差改正，畫幅裁切，以及可選勻光勻色處理;最后得到16bit灰階級別通用TIFF格式影像。

2．1拍攝操作

本翻拍儀拍攝相機是一臺PhaseOne高分辨率大面陣數(shù)碼相機，其拍攝軟件為配套的CaptureOne，拍攝參數(shù)設置主要包括光圈大小、感光度、快門速度。為取得盡可能好的影像質(zhì)量，快門參數(shù)可通過試拍攝影像，觀察其直方圖的位置，整體偏左時，加大曝光時間，而偏右時減小曝光時間，直至直方圖大概居中且不出現(xiàn)飽和像素值即可。此外，框標位置是恢復膠片影像內(nèi)方位參數(shù)的必要條件，因此，設置拍攝快門時間時，還需顧及拍攝原始影像上框標中心點有一定的對比度，以保證后處理增強后能在最終成果上辨識出來。

2．2后處理

拍攝影像后處理包括格式轉(zhuǎn)換，誤差改正和有效畫幅裁切。而勻光勻色等處理可以根據(jù)原始資料情況適當選擇。當航攝膠片地面影像與其框標密度差別較大時，選擇勻色處理軟件對其框標影像實施增強處理。另外，當部分影像畫幅內(nèi)有明顯不均勻時，本文選擇勻光處理，以改善影像的均勻性。同時，為盡量保留原影像有效灰階信息，后處理中間過程一律采用16bit灰階長度，只在最終結(jié)果輸出8bit灰階影像。

2．2．1格式轉(zhuǎn)換CaptureOne軟件拍攝保存的原始影像為非通用壓縮格式，使用該軟件需轉(zhuǎn)換為通用格式才能被后續(xù)軟件識別處理。轉(zhuǎn)換前需對每張影像的轉(zhuǎn)換參數(shù)設置為與翻拍儀檢校拍攝影像轉(zhuǎn)換一致的參數(shù)，即去除鏡頭校正等所有與影像幾何位置有關的變形改正，噪聲濾除，影像銳化，輸出格式一律選擇16bitTIFF。為提高后處理批量作業(yè)的效率，將若干航線或整卷影像轉(zhuǎn)換輸出設置為單一文件夾，待生成合格的最終成果后，再移動影像文件至相應航帶目錄。影像轉(zhuǎn)換參數(shù)的設置和轉(zhuǎn)換均使用軟件的批量處理方式完成。

2．2．2誤差改正與有效畫幅裁切膠片翻拍儀的固有幾何誤差，通過專用軟件DDstrPlus進行改正。同時，該軟件還可以裁切畫幅外多余的無效影像，以減少存儲空間，加快后處理速度。幾何誤差改正包括拍攝相機的鏡頭畸變改正和糾正安裝傾角的透視變換及像元尺寸歸一化，操作時選擇相應的檢校參數(shù)文件即可。自動裁切基于每張影像與選定影像之間相同畫幅邊界的相對旋轉(zhuǎn)角近似為零，且依據(jù)邊界內(nèi)外明顯的灰度差構(gòu)建的二值圖像邊界與畫幅邊界幾乎重合等特性。其過程為人工選定樣片上的裁切范圍和包括部分不規(guī)則畫幅邊界(不能為簡單直線)的二值圖像矩形模板，計算機程序自動尋找每張影像相同畫幅邊界，從而定位與操作者選取的為相同的裁切范圍，從而實現(xiàn)每張影像多余部分的自動裁切。

2．2．3框標增強航攝膠片框標與框幅內(nèi)地物影像亮度差別普遍較大，為了保證地物影像亮度在正常范圍，以相同參數(shù)一起處理的框標影像則難于辨識。為此除了在拍攝階段確?？驑颂幱跋裼幸欢ǚ床睿€應采用翻拍儀配套的色彩處理軟件CVRTDMC，對裁切后影像進行亮度反差調(diào)整和框標增強，以同時確保地物影像顯示在合適范圍和框標中心點附近的影像有足夠大的反差。

2．2．4勻光處理一幅航攝影像覆蓋較大的地表面積，同時受光照角度，成像鏡頭漸暈，翻拍照明均勻性等因素的綜合影響，大多數(shù)航攝膠片掃描影像都需進行適當?shù)膭蚬馓幚?，才能得到比較一致的亮度色彩。針對黑白影像，僅需應用近似的亮度反差參數(shù)，即能取得外觀一致的影像。而少數(shù)水體面積較大的影像應適當減小反差，同時查看相鄰影像重疊區(qū)的一致性，對明顯差異進行微調(diào)。

2．3膠片數(shù)字化實踐

近期，筆者單位已開始著手昆明市測繪歷史資料檔案整理工作。目前已整理出第一批航空攝影膠片，其中1∶3000航空像片計85條航線，總計有6101張膠片;1∶1．5萬航空像片計49條航線，總計2381張膠片，合計8482張膠片。通過1臺高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner，1名工作人員，一次性裝入航片，曝光，過片，拍攝環(huán)節(jié)工作效率很高，綜合拍攝達每天800～1000張，整個翻拍工作共耗時約15個工作日，其中包括儀器設備調(diào)試等，完成了昆明2期約8500張23cm×23cm航空影像膠片的翻拍作業(yè)。經(jīng)檢查，最終提交的數(shù)字影像為8bit、16bit2種形式的TIFF格式，分辨率為444．44pixels/cm，即22．5μm，如圖4所示。除部分膠片掉膜，劃傷、破損、粘連、自清晰度不高外，其余提交的影像灰度直方圖基本呈正態(tài)分布，影像反差適中，色調(diào)基本一致，紋理清楚，層次豐富?？驑送暾?、清晰，可判性與原始片相同，符合GB/T23236《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》附錄B(規(guī)范性附錄)航片掃描的要求。另外，幾何精度在單筒膠片拍攝開始及拍攝結(jié)束2個節(jié)點，通過拍攝精密玻璃格網(wǎng)板定期檢查，合格后方可進行后處理，經(jīng)檢查元文件，拍攝前、拍攝后的拍攝參數(shù)均符合要求。

3結(jié)語

隨著城市建設的加速發(fā)展，城市面貌日新月異，如何記錄城市規(guī)模、設施等地貌信息變遷尤為重要。昆明市測繪研究院作為昆明規(guī)劃建設管理的測繪保障單位，以其專業(yè)技術(shù)參與了昆明的建設，通過航空影像記錄了這座歷史名城的變化過程。而如何保存這些歷史資料，是筆者所在單位乃至測繪行業(yè)都面臨的一個問題。本文提出并設計了高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner，實現(xiàn)了航攝膠片快速數(shù)字化，解決了歷史膠片儲存隱患，分辨率達22．5μm，掃描效率提升了4倍，為研究城市建設變遷、土地利用變化、拆遷補償司法鑒定和國情監(jiān)測等提供了有效服務。據(jù)了解，全國測繪系統(tǒng)歷史膠片規(guī)模估計在400萬張以上(包括原測繪局系統(tǒng)及城市院等)，現(xiàn)行掃描設備及技術(shù)手段遠遠無法滿足影像掃描的工作要求，本文設備及技術(shù)方法將提供較好的改進方法。

作者：張君華 凌春麗 楊勇 王友昆 單位：昆明市測繪研究院