大比例正射影像圖質(zhì)量控制技術(shù)探討

邱春曉

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

由航測生產(chǎn)的大比例尺數(shù)字正射影像圖(DOM)產(chǎn)品，在軍工、交通、規(guī)劃、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋等領(lǐng)域的運用越來越廣泛，用戶對產(chǎn)品精度要求隨之變高，與傳統(tǒng)的大例尺地形圖相比，數(shù)字正射影像圖具有信息性、時效性、直觀性、連續(xù)性、時間性、現(xiàn)勢性等特點[1]。為土地利用監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災害應急、災后重建規(guī)劃、地質(zhì)勘探調(diào)查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、道路設(shè)計等提供基礎(chǔ)用圖起了重要保障的作用。隨著航測技術(shù)的不斷提升發(fā)展，從模擬膠片到數(shù)碼像片，影像的地面分辨率可達到0.005 m，甚至更高。隨著4D產(chǎn)品的市場大量需求，大比例尺數(shù)字正射影像圖(以下簡稱DOM)的影像微分糾正技術(shù)也在不斷改進，滿足精度要求。數(shù)字高程模型(以下簡稱DEM)的選用是影響大比例尺DOM平面精度的首要因素，相對DEM精度不足的部分進行有效編輯處理，使影像既不變形扭曲，又能達到設(shè)計要求。

1 數(shù)字影像微分糾正

數(shù)字影像實際上是對灰度和空間都連續(xù)變化的影像，按一定的灰度級和空間分辨率進行離散化處理,并使之成為離散的灰度矩陣。數(shù)字正射影像是對中心投影或其他投影方式的數(shù)字影像進行投影差改正,一般采用DEM逐像元進行數(shù)字微分糾正,使之成為正垂向平行投影的數(shù)字影像[2]。

影像數(shù)字微分糾正依采用的數(shù)學模型可分為參數(shù)法(共線方程法)和非參數(shù)法(如多項式法)兩類。重點討論共線方程法，航空攝影獲取的原始影像由于相機傾斜拍攝或地面高程起伏投影差等引起的像點位移，使得像片上的幾何圖形與地面上的幾何圖形產(chǎn)生的變形，即像片上影像比例尺從中心點往外逐漸產(chǎn)生投影差，除中心點同半徑圓上比例尺相等外，其余比例尺不相等，需基于DEM進行共線方程糾正(或稱數(shù)字微分糾正)，經(jīng)糾正后的影像稱為DOM。共線方程組公式[3]：

式中：Z為像點P對應的地面點高程，由DEM內(nèi)插求得，(х,у)為P的像點坐標，(х0,у0)為像主點的偏移量，(XS，YS，ZS)為攝站的地面坐標，(X,Y)為P對應的地面坐標，f為像機的主距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3為旋轉(zhuǎn)矩陣元素。

外方位元素包括三個角元素(ψ，ω，κ)、三個線元素(XS，YS，ZS)，利用地面控制信息通過平差計算得到，或者利用POS系統(tǒng)測定；內(nèi)方位元素像主點在像框標坐標系中坐標(х0,у0)及攝影中心到像片的垂距f，一般視為已知，由航飛公司提供航攝參數(shù)?；趦?nèi)、外方位元素就能解出共線方程．在空三加密完成后，影像立體匹配生產(chǎn)DEM點數(shù)據(jù)集。

2 影像精度控制

2.1 1∶500，1∶1 000，1∶2 000比例尺影像圖的精度指標

內(nèi)業(yè)加密點、地物點相對鄰近野外控制點的平面位置精度要求(表1)[4]。

表1空三加密測量平面位置精度限差

Table1Theprecisionlimiterrorofplanepositionoftheaerialtriangulationencryptionmeasurement

點類型平地、丘陵地平面中誤差山地、高山地平面中誤差加密點中誤差≤0.4mm≤0.55mm地物點中誤差≤0.6mm≤0.8mm

空中三角加密測量是整個航空攝影測量工序中的核心部分，是連接外業(yè)與內(nèi)業(yè)信息極為重要的一道工序。利用施測的有限外業(yè)像控點，基于像片內(nèi)的幾何特性，通過區(qū)域網(wǎng)平差計算獲取大量加密點的地面坐標和像片外方位元素，為立體量測和影像解譯提供重要基礎(chǔ)[5]。平差后加密點的精度限差(表2)。

檢查點是用于一級過程檢查中檢查DOM的平面精度，在立體測圖下采集獲得明顯地物點(道路、田埂、水系、地類界或是明顯的地物拐點等)，與DOM的成果套合檢查平面精度是否符合設(shè)計要求。所謂保密檢查點是指在生產(chǎn)過程采用測繪質(zhì)量監(jiān)控手段與措施，由檢查人員采集檢查點，是控制產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)。

影響DOM平面精度因素包括控制點的精度、空三加密的平差結(jié)果和DEM的編輯等。DOM平面精度難以控制，現(xiàn)有生產(chǎn)工序中，并不是DOM產(chǎn)品的紋理清晰就保證了平面精度，若按精編輯的DEM糾正影像，效果不佳，特殊地區(qū)反而會造成影像模糊，DEM需要經(jīng)過一些特殊處理，保證平面位置精度又保證影像清晰，比如坡式的居民地、道路、高架橋等地物。經(jīng)試驗表明，DEM點高程偏高1 m以上，糾正的DOM產(chǎn)品平面精度就有可能超限，為了保證大比例尺DOM精度要求，采集大量檢查點檢查的同時，必須研究快速有效的技術(shù)方法來解決平面精度問題。

表2 絕對定向后平面位置與高程限差[6，7]

注：基本定向點殘差為加密點中誤差的0.75倍;多余控制點的不符值為加密點中誤差的1.25倍;公共點的較差為加密點中誤差的2.0倍。

2.2 技術(shù)流程

以武夷山測區(qū)1∶2 000正射影像生產(chǎn)為例，該測區(qū)為滿足農(nóng)村集體土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記頒證工作的需要，利用2016年基礎(chǔ)航空攝影資料，采用全數(shù)字航攝測量技術(shù)方法開展1∶2 000的DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)。為農(nóng)村集體土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記、頒證工作提供現(xiàn)勢性好、分辨率高的工作底圖[8]。

生產(chǎn)流程: 野外布設(shè)控制點→空三加密→生成DEM→DEM裁切→DEM編輯→糾正單片DOM→DOM拼接→采集檢查點→過程檢查→DOM分幅裁切等工序。

2.2.1 控制點精度

數(shù)字航空攝影得到的原始影像地面分辨率為0.06 m/dpi,按航測規(guī)范布設(shè)229個像片控制點,空三加密平差后像片控制點精度統(tǒng)計(表3)。

表3 空三加密像片控點精度統(tǒng)計

該測區(qū)地貌類型多數(shù)為山地、高山地，內(nèi)業(yè)加密點相對鄰近野外控制點的平面位置統(tǒng)計的誤差為0.3 m,該測區(qū)的加密成果符合精度要求。

2.2.2 DEM選取

GPS技術(shù)、CCD陣列數(shù)碼掃描技術(shù)、慣導技術(shù)、激光測距技術(shù)、雷達掃描等高端精確技術(shù)的緊密融合,出現(xiàn)了諸如GPS輔助航空攝影測量、POS輔助航空攝影測量、LiDAR激光測高掃描系統(tǒng)[9]。

在無外業(yè)控制點的情況下，可利用GPS和POS數(shù)據(jù)進行空中三角測量解算，進行粗略的影像糾正，生成整個加密分區(qū)的DOM，為布設(shè)像片控制點提供底圖，為前期的野外布控、制作點提供了便利，優(yōu)化空中三角測量的作業(yè)流程。

該試驗研究在傳統(tǒng)的正射影像制作方法上做了重大改進，大塊的DEM不再利用單模型生成的DEM進行拼接，該方法生成的DEM存在模型與模型之間的接邊問題。為省去拼接問題，在拼接前，先將單模型的DEM沿拼接線邊緣裁切，然后人工拼接成大塊的DEM。利用INPHO軟件平臺完成空三加密成果后，直接無縫生成全區(qū)匹配的DEM。

選用加密區(qū)域生成全區(qū)匹配的DEM具有以下優(yōu)點：①基于INPHO平臺具有高效自動匹配、算法先進匹配精度高，匹配參數(shù)設(shè)置多樣化；②根據(jù)用戶需求選擇地形類型，可生成整個測區(qū)或任意作業(yè)區(qū)域無縫拼接的數(shù)字地面模型(DTM)等特點。地形類型分別為平地、丘陵、山地或高山地。該方法生成的DEM可不用編輯快拼DOM，生成的DOM可用于布設(shè)像片控制點；③對精度不足的部分編輯處理后，既可生成精確的DOM。測區(qū)地貌屬山地，所以選用山地類進行匹配，DEM格網(wǎng)間距為2 m。

選用加密區(qū)域全區(qū)匹配的DEM與用單模型DEM拼接成大塊的DEM對比，分析表明，單模型拼接的DEM產(chǎn)生的奇變效應未處理用于糾正DOM會造成影像扭曲變形，要處理DEM產(chǎn)生的奇變效應需花費大量的時間，而加密區(qū)域全區(qū)匹配的DEM無縫拼接除特殊地形需人工編輯處理外，可直接用于糾正DOM，具有明顯優(yōu)勢。圖1-a中1，2處顯示單模型拼接后DEM存在像對邊界奇變效應，圖1-b加密全區(qū)匹配DEM回放地形等高線地形逼真、無縫拼接。

圖1 全區(qū)與單模型匹配DEM反生成的等高線比對圖Fig.1 Contour comparison maps of DEM inverse generation matching with single model in the areaa—單模型拼接后的DEM；b—加密分區(qū)匹配的DEM

3 DEM編輯工藝分析

3.1 道路編輯

道路屬線狀緩變推平面高程模型。如果沒有樹木或是其它地物遮擋，自動匹配生成的DEM基本可以滿足精度要求，反之，若有樹木或是其它地物遮擋，匹配的DEM點的位置會在樹頂其它地物頂上，直接用于糾正DOM，平面精度往往達不到設(shè)計要求，所以這部分DEM需要人工交互編輯，用道路推平的方法，就能解決這一難題。在立體模型畫出道路的中心線指定路寬向兩邊推平，處理路邊的等高線，不要讓等高線呈堆積狀態(tài)，否則影像扭曲變形的可能性極大。道路推平前和推平后的DOM與路邊界的套合效果比對(圖2)，其中，圖2-b中(1)位置 DEM點高程高出地形等高線1 m，與檢查點套合平面差了2.6 m，(2)位置的DEM點高程高出地形等高線最大值為11 m，與檢查點套合平面誤差6.5 m。

圖2 道路編輯前與編輯后的DEM回放等高線對比圖Fig.2 Contour comparison maps of DEM playback of before and after road editinga—編輯前的DEM反生成的等高線；b—編輯前的DEM與檢查點的套合誤差； c—編輯后的DEM點用道路推平法反生成的等高線；d—編輯后的DEM與檢查點套合的效果圖

3.2 山地編輯

對于沒有線狀地物的山地，DEM只需處理等高線堆積的地區(qū)，保證樹木不變形，若是山地有梯田或是果園、茶園，用量測點內(nèi)插方法將DEM編輯正確，處理好邊沿的等高線，勿讓等高線堆積交叉。

3.3 房屋編輯

坡式的房屋容易變形，所以DEM生成的等高線需從上到下平緩過渡，這樣解決房屋不容易變形的問題；山坡上獨立的房屋可以將房屋范圍的DEM置平至地面，房后等高線處理好，不要堆積，一排連一排坡式的房屋，要先保證路面上的DEM點正確，再將房屋下的等高線平緩過渡，保證了平面精度也不易變形。坡式的房屋DEM編輯前后的效果對比圖(圖3)。

圖3 房屋編輯前與編輯后的對比圖Fig.3 The comparison chart of a house before editor and after editora—編輯前的DEM反生成的等高線；b—用編輯前DEM糾正的DOM；c—編輯后的DEM反生成的等高線；d—用編輯后DEM糾正的DOM

3.4 高架橋編輯

高架橋影像糾正屬疑難技術(shù)，高架橋DEM涉及橋面與橋下地物編輯難以控制。若是保證了橋面高程，橋下的地物就難保證；若是保證橋下的地物，橋面的高程不對，而且橋會變型扭曲。有效作法是針對高架橋需編輯兩套DEM，首先編輯一套基于橋面DEM,正射糾正生成DOM，再編輯一套基于橋下地物的DEM生成DOM,而后采用影像修補方法將橋兩側(cè)編輯在橋下的DOM與橋面的DOM貼合在一起，這樣橋面和橋下的地物不僅不會扭曲變形，還保證了平面精度。按該方法編輯的鐵路高架橋與大車路并行的效果圖(圖4)。

圖4 高架路(橋)編輯前與編輯后DEM糾正的DOM對比圖Fig.4 DEM corrected DOM comparison chart of the elevated road (bridge) before editor and after editora—橋面DEM點回放等高線效果圖；b—檢查點與編輯前的單DEM糾正的DOM套合的效果圖；c—橋下DEM點回放等高線效果圖；d—檢查點與編輯后的雙DEM糾正的DOM套合的效果圖

4 DOM產(chǎn)品質(zhì)量控制

4.1 基于專業(yè)平臺影像質(zhì)量檢查

質(zhì)量控制實行的是二級檢查、一級驗收。即過程檢查、最終檢查、檢查驗收，過程檢查、最終檢查是100%全數(shù)檢查，檢查驗收實行的抽樣檢查，抽樣比例為5%。由此可以看出，生產(chǎn)符合國家規(guī)范要求的測繪成果質(zhì)量控制的關(guān)鍵在于過程檢查。在生產(chǎn)過程中， 目前能與矢量套合的常用軟件有AutoCAD、ArcGIS等，DOM裁切分幅圖之前，拼接完成的分塊DOM每塊大約有2 GB，甚至數(shù)據(jù)更大。

基于AutoCAD與矢量套合檢查平面精度， AutoCAD能打開的影像數(shù)據(jù)最大為2 GB，進行過程檢查時受數(shù)據(jù)量的影響，嚴重影響檢查員的檢查進度。

基于ArcGIS平臺進行DOM的質(zhì)量檢查，ArcGIS容納海量數(shù)據(jù)的特點，提供了4種用于創(chuàng)建全色銳化圖像的融合方法，分別是Brovey變換、HIS變換、ESRI全色銳化變換和簡單均值變換[10]。為質(zhì)量檢查提供了各種選擇，平面精度檢查、影像紋理質(zhì)量、分塊間接邊檢查可同步進行。大大提高了檢查進度。DOM空間參考系的檢查用已有的相同坐標系的圖件進行套合檢查，若是已有圖件與其坐標系統(tǒng)不相同，可以進行圖形轉(zhuǎn)換相同坐標系，然后再進行套合檢查。

4.2 影像質(zhì)量綜合評估

4.2.1 成果分類

DOM產(chǎn)品顏色分為全色和彩色兩類，全色代號為D，彩色代號為C。

4.2.2 成果要求

(1)坐標系采用2000國家大地坐標系，必要時，亦可采用依法批準的獨立坐標系。地圖投影采用高斯-克呂格投影，按3°分帶，必要時按1.5°分帶。

(2)DOM的分幅與編號應符合GB/T 20257.1的規(guī)定。

(3)大比例尺DOM影像地面分辨率應優(yōu)于0.0001M米(M為比例尺分母)。

(4)DOM是由二維像元構(gòu)成的柵格數(shù)據(jù)。水平方向為行，順序從上至下排列；垂直方向為列，順序從左至右排列；左上角第一個像元的柵格坐標定為(0，0)，對應的高斯平面坐標(X起，Y起)為DOM的起始點。一般情況下，柵格坐標系平行于平面坐標系，DOM柵格的平面坐標值應為像元分辨率的整數(shù)倍。

(5)DOM按正方形或矩形分幅時，以GB/T 20257.1規(guī)定的圖幅向四邊擴展(圖上約10 mm)提供數(shù)據(jù)；按梯形分幅時，以GB/T 20257.1規(guī)定的圖幅內(nèi)圖廓線最小外接矩形，向四邊擴展，以矩形覆蓋范圍為單位提供數(shù)據(jù)。

4.2.3 影像精度

(1)大比例DOM明顯地物點的平面位置中誤差：平地、丘陵地圖上中誤差≤0.6 mm，山地、高山地圖上中誤差≤0.8 mm，平面位置中誤差的兩倍為其最大誤差。DOM應與相鄰影像圖接邊精度，接邊誤差不應大于2像元。

(2)在保證空三加密成果的精度符合規(guī)范要求下，引用加密成果建立體模型，采集一部分有特征的保密檢查點，如道路、田埂、水系、橋梁等等進行套合檢查。

(3)過程檢查結(jié)束并修改完成后，對最終的成果作精度評估，即采集DOM上的明顯地物點，如路交叉、居民地內(nèi)的水泥地角點、花圃拐角點等，然后在立體狀態(tài)下采集同名點，生成坐標表格，求算中誤差△d=△立體-△平面，評定精度，最大誤差不大于2倍中誤差，否則返回修改，直至精度達標為止。該測區(qū)中誤差為0.11 m, 最大誤差為0.381 m,最小誤差為0 m。

4.2.4 影像質(zhì)量

(1)根據(jù)生產(chǎn)使用數(shù)據(jù)源的不同，數(shù)字正射影像圖的色彩模式分為全色和彩色兩種模式，全色影像為8位(bit)存儲格式，彩色影像則為24位(bit)存儲格式。

(2)避免出現(xiàn)因影像缺損。如影像的紋理不清、噪聲、影像模糊、影像扭曲、錯開、裂縫、漏洞、污點、劃痕等，而造成無法判讀影像信息和精度的損失。

4.2.5 質(zhì)量檢驗

大例尺正射影像圖的質(zhì)量檢驗要求應符合GB/T 18316國家標準 、CH/T9008.3-2010行業(yè)標準的要求。

5 結(jié)語

DOM的質(zhì)量控制元素包括空間參考系、平面位置精度、邏輯一致性、影像質(zhì)量、附件質(zhì)量，其中空間參考系與平面位置精度為重要元素?？臻g參考系關(guān)鍵在于前期控制點的坐標系統(tǒng)的選擇正確性，這項在層層檢查控制下很難出錯。而平面位置精度的控制無論是傳統(tǒng)VirtuoZo3.3、Jx4平臺的的制作，還是像素工廠、INPHO、EPT2009、DPGRID系統(tǒng)制作，都有人機交互的操作流程。通過探討、研究大比例尺DOM產(chǎn)品利用檢查點和平面精度評估質(zhì)量控制技術(shù)、DEM的選用和人機交互部分關(guān)鍵點的編輯分析，對平面位置精度進行有效控制，不僅滿足規(guī)范要求，還大大提高了生產(chǎn)效率。

本文在寫作過程承蒙張書煌教授級高級工程師的悉心指導、審稿，在此表示衷心感謝。

1 楊勇.基于VirtioZo系統(tǒng)的數(shù)字城市數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作研究.科技資訊，2016.14(11).

2 周思怡，周茂春.基于Inpho 攝影測量系統(tǒng)數(shù)字正射影像圖的制作.江西科學，2015，33(6).

3 張祖勛，張劍清.數(shù)字攝影測量學.武漢大學出版社，2012.

4 GB/T 17160-2008 1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖數(shù)字化規(guī)范.

5 曹正響.1∶10000數(shù)字高程模型生產(chǎn)中質(zhì)量控制環(huán)節(jié)和技術(shù)分析，測繪標準化，2016,32(2).

6 CH/T 3007.1-2011 數(shù)字航空攝影測量測圖規(guī)范.

7 CH/T 9008.3-2010 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字正射影像圖.

8 翟娜，王靜茹，武曉莉.低空無人機在農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)中的應用.測繪標準化，2016,32(3).

9 肖志婷，郝娜.數(shù)字航空攝影測量數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)探討.測繪與空間地理信息，2014,(7).

10 喬玉良，尚彥玲，魏信.遙感圖像融合方法研究.氣象與環(huán)境科學，2010,33(1).