基于低空影像的平原地區(qū)DOM制作及精度分析*

車耀偉，穆寶勝，王 靖，吳 見

(1. 滁州學(xué)院安徽地理信息集成應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 滁州 239000；2.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院國(guó)土信息與管理系,河南 鄭州 450000)

引言

數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)是對(duì)航空航天像片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按照一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像圖集[1].數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬[2].DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快速、信息性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的判讀性、量測(cè)性和管理性能[3].數(shù)字正射影像圖可作為地圖分析背景控制信息、也可從中提取自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要信息，為災(zāi)害防治和公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等應(yīng)用提供可靠依據(jù)，還可從中提取和派生新的信息，為地圖的更新更正提供便利[4].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)DOM的生成與制作方法進(jìn)行了大量研究.Sutha S等介紹了一種將大影像分割為多個(gè)子影像，將子影像映射到陣列處理器中進(jìn)行校正，并將結(jié)果組合成正射影像的技術(shù)，使得數(shù)字正射影像的產(chǎn)量得到了顯著提高[5]；官云蘭等以航空影像為例，闡述了利用Erdas Imagine軟件制作正射影像圖的方法，進(jìn)一步指出了操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)[6]；臧海鳳等簡(jiǎn)要介紹了利用Virtuozo軟件制作數(shù)字正射影像圖的過(guò)程，闡述了實(shí)踐過(guò)程中DOM制作的技巧[7]；石平等分析比較了Inpho和Photomod軟件在數(shù)字正射影像圖制作過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，為測(cè)繪生產(chǎn)單位選擇航測(cè)成圖軟件提供了借鑒[8]；王茂勝等以六旋翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)完成小區(qū)域大比例尺正射影像圖制作為實(shí)例，介紹了六旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成、功能特點(diǎn)及作業(yè)方法，并對(duì)航測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了精度檢核[9]；韓濤等介紹了一種在缺少GPS/IMU數(shù)據(jù)支持的情況下，利用相關(guān)遙感影像和資料快速制作DOM的方法[10]；祝明等通過(guò)對(duì)衛(wèi)星影像、ADS80影像、DMC框幅式影像三種數(shù)據(jù)源的處理，分析了三種數(shù)據(jù)源處理過(guò)程中生產(chǎn)DOM各個(gè)環(huán)節(jié)的流程[11]；張亞亞等以廣西壯族自治區(qū)北海市銀海區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，針對(duì)多源高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)，制定相應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程，提出了一種快速、有效的多源高分辨率DOM制作方法[12]；張丹等結(jié)合開封市DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)行了1∶10 000DOM的制作工作，并探討了利用MapMatrix制作DOM的方法[13].

上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何快速高質(zhì)量生成與制作DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量研究，國(guó)外例如美國(guó)ERDAS公司的Erdas Imagine、德國(guó)Inpho公司的Inpho、俄羅斯Racurs公司的Photomod、以及瑞士Pix4D公司的Pix4 Mapper等的文獻(xiàn)較多，而基于國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)如Virtuozo、Matrix系列等的相對(duì)較少，尤其針對(duì)1∶1 000這種大比例尺的DOM制作分析較少.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于安徽省利辛縣無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，利用航天遠(yuǎn)景MapMatrix系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字影像處理，制作DEM、DOM并對(duì)其進(jìn)行精度檢查與結(jié)果分析，以期為航空攝影技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用提供參考.

1 研究區(qū)概況

利辛縣隸屬于安徽省亳州市，位于亳州市南部，北鄰渦陽(yáng)縣，東靠蒙城縣，南至淮南市的鳳臺(tái)縣、阜陽(yáng)市的潁上縣，西接阜陽(yáng)市的潁東區(qū)和太和縣，總面積1 950平方千米，總?cè)丝?73.3萬(wàn)人.利辛縣處于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量適中，地勢(shì)較為平坦，自然坡降很小，西北部最高處海拔32 m，東南部最低海拔22 m，平均海拔28 m，屬于淮北平原中南部、砂礓黑土平原亞區(qū)，為研究平原地區(qū)攝影測(cè)量提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中使用的航空影像為輕型固定翼無(wú)人機(jī)掛載普通佳能數(shù)碼相機(jī)航拍，航拍前對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校并獲取相機(jī)文件.為保證數(shù)據(jù)拼接效果，航飛時(shí)航向重疊率設(shè)為80%，旁向重疊率設(shè)為60%，每張航片適時(shí)記錄POS坐標(biāo)信息.航拍后選取中間區(qū)域1 891張像片，現(xiàn)場(chǎng)均勻選取12個(gè)控制點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn).經(jīng)處理后的部分POS文件數(shù)據(jù)信息如表1所示.

表1 POS文件數(shù)據(jù)信息表

2.2 MapMatrix系統(tǒng)

MapMatrix是基于無(wú)人機(jī)、航空、衛(wèi)星遙感等數(shù)據(jù)的最新一代網(wǎng)絡(luò)版數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng).該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化集群模式進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，不僅具有強(qiáng)大的基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)4D產(chǎn)品生產(chǎn)能力，還可借助數(shù)據(jù)集管理工具將處理過(guò)的數(shù)據(jù)管理起來(lái)，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)提供了綜合的解決方案，包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)其進(jìn)行維護(hù).MapMatrix軟件具有眾多獨(dú)特功能，主要包括：多種數(shù)據(jù)源支持、采編入庫(kù)一體化測(cè)圖、強(qiáng)大的漫游和顯示引擎、粗細(xì)粒度結(jié)合的并行處理、豐富的DEM/DOM處理功能、豐富的硬件兼容、人性化設(shè)計(jì)，內(nèi)置分布式作業(yè)支持和強(qiáng)大的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能[14].其數(shù)據(jù)處理流程如下：

圖1 MapMatrix數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始影像的質(zhì)量是保證DOM精度的基礎(chǔ)，必須確保用來(lái)制作DOM的原始航拍數(shù)據(jù)足夠精確且精度足夠高.包括確定POS數(shù)據(jù)信息是否正確、影像是否清晰等，初步檢查結(jié)果顯示本文實(shí)驗(yàn)所采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合DOM制作的要求.

2.3.2 DEM生成

在軟件中對(duì)影像采取核線采樣處理，處理后將其自行匹配，匹配成功后可生成初步DEM，而后需要根據(jù)實(shí)際地形特征進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)工作，在編輯DEM的時(shí)候需要注意：匹配點(diǎn)以及高程線均應(yīng)切準(zhǔn)模型表面；DEM編輯之后生成相應(yīng)的等高線和模型套合或者跟相應(yīng)的地形圖作比較，倘若不能反映真實(shí)的地貌特征，則需要進(jìn)一步核查修改[15].最終生成的DEM如圖2所示.

圖2 DEM成果圖

2.3.3 DOM生成

MapMatrix系統(tǒng)可完成DOM的自動(dòng)生成工作，但是由于全自動(dòng)化過(guò)程的局限性，生成的DOM存在拉花、扭曲以及不夠精細(xì)的現(xiàn)象，此時(shí)就需要對(duì)其進(jìn)行編輯直至制作的DOM達(dá)到數(shù)據(jù)質(zhì)量要求為止.包括：進(jìn)行影像的均光、鑲嵌以及裁切成圖等.需要注意的是，在進(jìn)行鑲嵌線編輯時(shí)，應(yīng)沿著地物的輪廓前進(jìn)，盡量避開或回避建筑物.編輯前后的數(shù)字正射影像圖如圖3所示.待全部區(qū)域編輯完畢，經(jīng)過(guò)勻光勻色，最終生成的正射影像圖.

(1)編輯前DOM

(2)編輯后DOM

3 結(jié)果與分析

3.1 DEM高程精度分析

常見的DEM精度評(píng)定方法有檢查點(diǎn)、剖面和等高線法等，其中檢查點(diǎn)法簡(jiǎn)單易行，是一種最常用的方法.本文使用檢查點(diǎn)法對(duì)生成的DEM進(jìn)行精度評(píng)定，即在研究區(qū)利用一些已知點(diǎn)，對(duì)生成的DEM在這些點(diǎn)處進(jìn)行檢查.在生成的DEM上量取檢測(cè)點(diǎn)的高程和外業(yè)測(cè)量得到的高程進(jìn)行比較得到誤差，然后計(jì)算中誤差.計(jì)算公式如式(1)：

(1)

其中，n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù).Zk為外業(yè)測(cè)量得出的z坐標(biāo)，Rk為從DEM中測(cè)得的z坐標(biāo).

利用Globalmapper軟件打開生成的DEM并與DOM套合，并找到已知點(diǎn)的位置，記錄高程值，然后與實(shí)際高程值進(jìn)行對(duì)比.計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 測(cè)區(qū)內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)高程差值 m

將高程差的結(jié)果帶入式(1)，計(jì)算結(jié)果得出σDEM=0.359 927 m，依據(jù)《CHT 9008.2-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 00 1∶10 00 1∶2 000數(shù)字高程模型》，數(shù)字地形模型高程中誤差精度指標(biāo)(如表3)可知，由本次實(shí)驗(yàn)得出的DEM滿足1∶1 000比例尺平地高程中誤差標(biāo)準(zhǔn).

表3 高程中誤差的精度指標(biāo) m

3.2 DOM平面精度分析

對(duì)于DOM進(jìn)行精度分析的方法主要包括加密點(diǎn)檢測(cè)法、坐標(biāo)檢驗(yàn)法、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法及外業(yè)檢測(cè)法.本文使用坐標(biāo)檢驗(yàn)法對(duì)于生成的DOM進(jìn)行精度分析.檢驗(yàn)方法為外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值與生成的DOM上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)其誤差.

計(jì)算方法如式(2)：

(2)

其中，Xi為外業(yè)測(cè)量得出的x坐標(biāo)，xi為從正射影像圖中測(cè)得的x坐標(biāo)，n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Yi為外業(yè)測(cè)量得出的y坐標(biāo)，yi為從正射影像圖中測(cè)得的y坐標(biāo).最終的精度分析結(jié)果如表4所示.

表4 DOM精度分析表

將計(jì)算得出的x方向上的差值與y方向的差值代入式(2)，計(jì)算得出M= 0.505 4 m，依據(jù)國(guó)家測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CHT 9008.3-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 001∶10 001∶2 000數(shù)字正射影像圖》平面位置中誤差精度指標(biāo)(如表5)得出，該精度滿足1∶1 000比例尺的精度要求.

表5 平面位置中誤差精度指標(biāo) m

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

以安徽省利辛縣為研究區(qū)域，基于小型無(wú)人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)，使用MapMatrix系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)檢校、編輯、鑲嵌、拼接及勻色等操作完成了數(shù)字高程模型及數(shù)字正射影像圖的制作.對(duì)生成的DEM、DOM進(jìn)行精度分析，主要結(jié)論如下：

1)利用MapMatrix系統(tǒng)完成1 891張影像處理，生成DEM及DOM，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到精度檢驗(yàn)一天內(nèi)完成，生產(chǎn)效率較高；

2)基于平原地區(qū)無(wú)人機(jī)低空影像數(shù)據(jù)，采用MapMatrix系統(tǒng)，獲取的DOM其平面精度中誤差為0.505 4 m，DEM高程精度中誤差為0.359 9 m，均高于國(guó)家測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中1∶1 000比例尺數(shù)字產(chǎn)品中的誤差標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查及地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等諸多方面.

4.2 討論

高精度數(shù)字正射影像圖快速制作在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、國(guó)土空間規(guī)劃等行業(yè)有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義，大比例尺數(shù)字產(chǎn)品與傳統(tǒng)遙感圖像能夠?qū)崿F(xiàn)有效的結(jié)合.使用MapMatrix系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)快速高效實(shí)現(xiàn)數(shù)字正射影像圖的制作，并且制作的產(chǎn)品精度符合國(guó)家規(guī)范，但仍存在一些問(wèn)題：

1)依靠軟件自動(dòng)生成的數(shù)字高程模型及數(shù)字正射影像圖存在拉花、扭曲以及不夠精細(xì)的現(xiàn)象，必須加以后期編輯鑲嵌才能達(dá)到制作需求，需要作業(yè)員有豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟練的操作技能，否則會(huì)影響最終的產(chǎn)品精度，如何提高軟件的自動(dòng)化處理水平需要進(jìn)一步研究.

2)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的系統(tǒng)誤差：包括航攝相片的變形、航攝儀物鏡的畸變差、大氣折光差和地球曲率及投影誤差等都會(huì)影響最終產(chǎn)品的精度，需要更深層次的分析.