历史航片数字化中工业相机的应用

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摘要:航空摄影胶片作为历史档案的一种，详细地记录了城市规模、设施等地貌信息变迁。因胶片材质保质期有限，有必要将其进行数字化永久保存。传统的扫描手段效率过低，随着一亿及以上像素的工业级别相机的诞生，使得拍照代替扫描成为可能。本文采用自行制作高精度大幅面胶片翻拍仪，通过精确校检获取准确改正参数，并结合计算机后处理，完成了昆明市2期约8500张历史航空摄影胶片的数字化试验，成果各项指标均符合要求，达到了项目预期目的。

关键词:工业相机;历史档案;航摄胶片;扫描;数字化;翻拍仪

自20世纪80年代以来，航测成图在城市各比例尺地形图测绘中得到快速推广应用［1-3］。笔者单位于1986年组建了航测机构以开展航空摄影测量业务，并于1989年、1994年先后开展了多次航测成图，比例尺包括1∶500、1∶3000及1∶15000等，覆盖面积5000余平方千米，区域涵盖昆明主城区、嵩明、富民、昆阳等。至2000年前后，数字摄影测量慢慢普及，模拟摄影测量逐渐退出历史舞台，航空影像进入了数字化时代［4］。在此期间，笔者单位积累了大量的历史航空摄影像片胶片，一直存放在院档案室，随着时间的推移，现影像胶片正慢慢变质，因此，抢救历史资料档案势在必行［5-9］。航空摄影测量原始胶片具有幅面大、变形小、几何精度高等特点［10］，其影像资料的准确性、直观性独具优势，历史价值极高。如何尽可能还原并实现永久保持上述属性，是本文研究重点。目前，航摄资料扫描数字化主要是利用高清影像扫描仪，按照一定的分辨率进行扫描，并将扫描数据按照规定的存储格式和要求进行整理并保存在硬盘或其他存储介质上［11-16］。按照如今的设备和技术手段，扫描全部历史胶片费时费力，远远达不到历史影像数字化的时效性，而对于胶片来说，时间越久，损毁的风险就越大。因此，有必要对现行的硬件设备及传统扫描手段进行创新，以便能快速地对航空摄影资料进行数字化，提高扫描效率，挽救历史航摄影像胶片。随着1亿及以上像素的工业级别相机的诞生，如HasselbladA6D(1亿像素)、飞思IQ4150MP(1亿像素)、飞思IQ4150MPAchromatic(1．5亿像素)，使拍照代替扫描成为可能。

1硬件创新

本文将自行制作高精度大幅面胶片翻拍仪命名“F-scanner”，通过高精度大幅面胶片翻拍仪F-scanner及相关处理软件，对航摄胶片进行数字化采集、处理，从而获取高分辨率数字影像。

1．1设备概况

使用两块透明平板玻璃作为承压片装置，一个平面光源作为透射照明单元，一台超高分辨率数码相机作为数字影像采集设备。数码相机经机械固定后，首先精确校准其镜头畸变差，然后以精密玻璃格网为基准，精确测定感光面与胶片平面的不平行误差和像元尺寸归一化参数，如图1所示。

1．2主要指标

翻拍仪主要性能指标见表1。

1．3影像数字化分辨率

(1)传感器短边为10652像素，调整成像，对应航片边长240mm。(2)最大分辨率=240000/10652≈22．5μm，后处理进行误差改正和像幅裁切时，规格化为22．5μm。

1．4影像数字化检校及精度

1．4．1精度追述工具选用蔡司230mm×230mm精密玻璃格网板(10mm间隔，面积240mm×240mm，有效精度范围230mm×230mm，任意格网线交叉点间几何误差小于1μm)。在F-scanner设备上获取影像，如图2所示，并读取各格网点指标(x，y)，形成输入文件。

1．4．2微型检校场建立微型检测场，如图3所示，有效精度范围为230mm×230mm，并在F-scanner设备上获取影像，计算得到改正模型十参数:

1．4．3精度评定运行本翻拍仪专用变换检校软件，装载输入文件。计算镜头畸变改正参数文件(．prs)，经检测，影像各格网点偏移量均小于规定要求，通过25个格网点偏移量，计算得到翻拍仪几何检校的中误差为2．7μm，小于3μm，符合《城市测量规范》关于航摄像片扫描的要求。纠正格网影像，检查最终改正后格网影像，通过查看格网线的直线性、同方向格网线之间的平行性、实测任意两个格网点间距离等方法进行最终验证。本次F-scanner设备精度检校结果，能满足设计和作业要求。

2作业流程及项目实践

首先在作业时直接拍摄整幅胶片影像存储于计算机存储介质;然后进行影像后处理，包括格式转换，误差改正，画幅裁切，以及可选匀光匀色处理;最后得到16bit灰阶级别通用TIFF格式影像。

2．1拍摄操作

本翻拍仪拍摄相机是一台PhaseOne高分辨率大面阵数码相机，其拍摄软件为配套的CaptureOne，拍摄参数设置主要包括光圈大小、感光度、快门速度。为取得尽可能好的影像质量，快门参数可通过试拍摄影像，观察其直方图的位置，整体偏左时，加大曝光时间，而偏右时减小曝光时间，直至直方图大概居中且不出现饱和像素值即可。此外，框标位置是恢复胶片影像内方位参数的必要条件，因此，设置拍摄快门时间时，还需顾及拍摄原始影像上框标中心点有一定的对比度，以保证后处理增强后能在最终成果上辨识出来。

2．2后处理

拍摄影像后处理包括格式转换，误差改正和有效画幅裁切。而匀光匀色等处理可以根据原始资料情况适当选择。当航摄胶片地面影像与其框标密度差别较大时，选择匀色处理软件对其框标影像实施增强处理。另外，当部分影像画幅内有明显不均匀时，本文选择匀光处理，以改善影像的均匀性。同时，为尽量保留原影像有效灰阶信息，后处理中间过程一律采用16bit灰阶长度，只在最终结果输出8bit灰阶影像。

2．2．1格式转换CaptureOne软件拍摄保存的原始影像为非通用压缩格式，使用该软件需转换为通用格式才能被后续软件识别处理。转换前需对每张影像的转换参数设置为与翻拍仪检校拍摄影像转换一致的参数，即去除镜头校正等所有与影像几何位置有关的变形改正，噪声滤除，影像锐化，输出格式一律选择16bitTIFF。为提高后处理批量作业的效率，将若干航线或整卷影像转换输出设置为单一文件夹，待生成合格的最终成果后，再移动影像文件至相应航带目录。影像转换参数的设置和转换均使用软件的批量处理方式完成。

2．2．2误差改正与有效画幅裁切胶片翻拍仪的固有几何误差，通过专用软件DDstrPlus进行改正。同时，该软件还可以裁切画幅外多余的无效影像，以减少存储空间，加快后处理速度。几何误差改正包括拍摄相机的镜头畸变改正和纠正安装倾角的透视变换及像元尺寸归一化，操作时选择相应的检校参数文件即可。自动裁切基于每张影像与选定影像之间相同画幅边界的相对旋转角近似为零，且依据边界内外明显的灰度差构建的二值图像边界与画幅边界几乎重合等特性。其过程为人工选定样片上的裁切范围和包括部分不规则画幅边界(不能为简单直线)的二值图像矩形模板，计算机程序自动寻找每张影像相同画幅边界，从而定位与操作者选取的为相同的裁切范围，从而实现每张影像多余部分的自动裁切。

2．2．3框标增强航摄胶片框标与框幅内地物影像亮度差别普遍较大，为了保证地物影像亮度在正常范围，以相同参数一起处理的框标影像则难于辨识。为此除了在拍摄阶段确保框标处影像有一定反差，还应采用翻拍仪配套的色彩处理软件CVRTDMC，对裁切后影像进行亮度反差调整和框标增强，以同时确保地物影像显示在合适范围和框标中心点附近的影像有足够大的反差。

2．2．4匀光处理一幅航摄影像覆盖较大的地表面积，同时受光照角度，成像镜头渐晕，翻拍照明均匀性等因素的综合影响，大多数航摄胶片扫描影像都需进行适当的匀光处理，才能得到比较一致的亮度色彩。针对黑白影像，仅需应用近似的亮度反差参数，即能取得外观一致的影像。而少数水体面积较大的影像应适当减小反差，同时查看相邻影像重叠区的一致性，对明显差异进行微调。

2．3胶片数字化实践

近期，笔者单位已开始着手昆明市测绘历史资料档案整理工作。目前已整理出第一批航空摄影胶片，其中1∶3000航空像片计85条航线，总计有6101张胶片;1∶1．5万航空像片计49条航线，总计2381张胶片，合计8482张胶片。通过1台高精度大幅面胶片翻拍仪F-scanner，1名工作人员，一次性装入航片，曝光，过片，拍摄环节工作效率很高，综合拍摄达每天800～1000张，整个翻拍工作共耗时约15个工作日，其中包括仪器设备调试等，完成了昆明2期约8500张23cm×23cm航空影像胶片的翻拍作业。经检查，最终提交的数字影像为8bit、16bit2种形式的TIFF格式，分辨率为444．44pixels/cm，即22．5μm，如图4所示。除部分胶片掉膜，划伤、破损、粘连、自清晰度不高外，其余提交的影像灰度直方图基本呈正态分布，影像反差适中，色调基本一致，纹理清楚，层次丰富。框标完整、清晰，可判性与原始片相同，符合GB/T23236《数字航空摄影测量空中三角测量规范》附录B(规范性附录)航片扫描的要求。另外，几何精度在单筒胶片拍摄开始及拍摄结束2个节点，通过拍摄精密玻璃格网板定期检查，合格后方可进行后处理，经检查元文件，拍摄前、拍摄后的拍摄参数均符合要求。

3结语

随着城市建设的加速发展，城市面貌日新月异，如何记录城市规模、设施等地貌信息变迁尤为重要。昆明市测绘研究院作为昆明规划建设管理的测绘保障单位，以其专业技术参与了昆明的建设，通过航空影像记录了这座历史名城的变化过程。而如何保存这些历史资料，是笔者所在单位乃至测绘行业都面临的一个问题。本文提出并设计了高精度大幅面胶片翻拍仪F-scanner，实现了航摄胶片快速数字化，解决了历史胶片储存隐患，分辨率达22．5μm，扫描效率提升了4倍，为研究城市建设变迁、土地利用变化、拆迁补偿司法鉴定和国情监测等提供了有效服务。据了解，全国测绘系统历史胶片规模估计在400万张以上(包括原测绘局系统及城市院等)，现行扫描设备及技术手段远远无法满足影像扫描的工作要求，本文设备及技术方法将提供较好的改进方法。

作者：张君华 凌春丽 杨勇 王友昆 单位：昆明市测绘研究院