數(shù)字正射影像質(zhì)量檢驗(yàn)的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)★

陳 蓉，王 博

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065； 2.湖北省測繪質(zhì)量監(jiān)督檢查站，湖北 武漢 430074)

0 引言

數(shù)字正射影像(DOM, Digital Orthophoto Map)是利用遙感影像生成數(shù)字地面模型(DEM)后進(jìn)行數(shù)字微分糾正并經(jīng)過鑲嵌和勻光勻色處理生成的影像，DOM同時具有地圖幾何精度和影像物理特性，擁有數(shù)學(xué)精度高、紋理豐富、直觀、宏觀等優(yōu)點(diǎn)，可作為多領(lǐng)域的基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)[1]。目前數(shù)字正射影像在測繪遙感、智慧城市、環(huán)保督查、“違建別墅”等多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，其遙感獲取方式(高、中、低空)也在不斷豐富，在制作大面積數(shù)字正射影像時，往往采用傳統(tǒng)有人固定翼飛機(jī)或三角翼飛機(jī)進(jìn)行航空攝影，隨著近年無人機(jī)廣泛應(yīng)用，無人機(jī)航空攝影也成為一種重要手段[2-4]，比如分散的作業(yè)區(qū)或者面積不大的區(qū)域，采用的是固定翼或旋翼型無人機(jī)進(jìn)行傳統(tǒng)航空攝影或者傾斜攝影能快速獲取數(shù)據(jù)。以目前生產(chǎn)產(chǎn)品情況來看，除了國家、省級基礎(chǔ)測繪定期進(jìn)行中小比例尺的DOM生產(chǎn)外，市場上大量成果主要有分幅與不分幅情況，分幅成果比例尺有1∶500，1∶1 000，1∶2 000，地面分辨率涉及0.05 m,0.1 m,0.2 m。高質(zhì)量的高分辨率數(shù)字正射影像為各項(xiàng)工作提供了直觀性或基礎(chǔ)性的參考。本文通過對數(shù)字正射影像質(zhì)量控制工作經(jīng)常遇到的問題進(jìn)行總結(jié)分析，用以指導(dǎo)數(shù)字正射影像生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢查和最終成果質(zhì)量檢驗(yàn)，最終提高正射影像產(chǎn)品質(zhì)量，為各項(xiàng)工作提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)圖件，輔助各項(xiàng)工作決策。

1 目前數(shù)字正射影像的生產(chǎn)特點(diǎn)

隨著國產(chǎn)遙感衛(wèi)星和無人機(jī)的快速發(fā)展，目前我國獲取遙感影像的國產(chǎn)平臺已經(jīng)形成了航天、航空、低空全方位全覆蓋的體系。國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星在地面分辨率和對地定位精度取得了長足的進(jìn)步，而無人機(jī)用于測繪遙感的發(fā)展更是達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。在一些國家基礎(chǔ)測繪或是其他大型項(xiàng)目上，高分辨率衛(wèi)片比例越來越大，尤其在地理國情監(jiān)測、第三次全國土地調(diào)查等利用上。衛(wèi)星平臺主要有高分系列、北京二號、高景一號、WorldView等國內(nèi)外主流遙感衛(wèi)星。無人機(jī)的普及，尤其大疆進(jìn)入傳統(tǒng)測繪市場后，其發(fā)布的RTK版本的系列旋翼無人機(jī)，給一些中小型測繪單位和小面積項(xiàng)目提供了快速、經(jīng)濟(jì)的方案，使得遙感影像獲取越來越簡單、高效，同時由于無人機(jī)的低空特性，遙感影像的地面分辨率越來越高，可根據(jù)產(chǎn)品需求，達(dá)到0.01 m甚至更高的地面分辨率。目前無人機(jī)平臺主要是兩大類:固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)續(xù)航時間長、速度較快;多旋翼無人機(jī)速度相對慢，單架次作業(yè)時間較短。各生產(chǎn)作業(yè)單位根據(jù)實(shí)際需求，選擇不同的載體。數(shù)字正射影像的生產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)形成了多源、多比例尺、高分辨率的特點(diǎn)。

2 數(shù)字正射影像質(zhì)檢的關(guān)鍵點(diǎn)

目前，正射影像的質(zhì)量檢查或者最終驗(yàn)收主要參考的是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18316—2008數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收[5]。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是我國中小比例尺3D產(chǎn)品(DLG，DEM，DOM)的檢查驗(yàn)收，其中一部分質(zhì)量元素或質(zhì)量子元素不太適合用于大比例尺高分辨率或者不分幅的正射影像成果，其中的一些評定指標(biāo)也不太適合目前生產(chǎn)的正射影像成果。例如大部分?jǐn)?shù)字正射影像為了更方便實(shí)際應(yīng)用，并不制作圖廓，只是按照相應(yīng)比例尺裁切，導(dǎo)致國家相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收規(guī)范中時間精度和表征質(zhì)量這兩項(xiàng)質(zhì)量元素并不適合大部分正射影像成果的質(zhì)量檢驗(yàn)。因此，在質(zhì)量檢驗(yàn)時可以考慮不同的數(shù)字正射影像采取不同的質(zhì)量元素，通過對質(zhì)量元素(質(zhì)量子元素)進(jìn)行評分，從而獲得數(shù)字正射影像成果的質(zhì)量評分。綜合考慮國家規(guī)范、實(shí)際生產(chǎn)情況和使用成果方的需求，在對數(shù)字正射影像成果進(jìn)行質(zhì)檢時，其檢驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)在空間參考系、位置精度、邏輯一致性、影像質(zhì)量、附件質(zhì)量這五個質(zhì)量元素上。

2.1 空間參考系

空間參考系的檢查項(xiàng)都是符合性檢查，在生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢查。一般利用GIS軟件、查看XML文件或自動檢查軟件等方式，內(nèi)業(yè)核查分析測量成果的大地基準(zhǔn)和地圖投影，檢查空間參考系的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢查成果的坐標(biāo)系統(tǒng)、投影參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 位置精度

位置精度評價的是成果的平面精度，通過檢測點(diǎn)進(jìn)行檢查，檢測點(diǎn)的獲取方法有外業(yè)實(shí)地采集點(diǎn)和內(nèi)業(yè)已有成果取點(diǎn)兩種方式。外業(yè)檢測點(diǎn)的獲取需要測量人員在測區(qū)實(shí)地利用GPS測量儀器，通過千尋網(wǎng)絡(luò)RTK或者各地自建的CORS系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)坐標(biāo)采集，若是面積較小區(qū)域，可以采用GPS RTK的電臺模式。需要注意的是采集檢測點(diǎn)要求為影像上明顯特征點(diǎn)，如水泥地塊、明顯道路交叉口，不能采集在屋頂或看不到底部的墻角處。內(nèi)業(yè)檢測點(diǎn)可從已驗(yàn)收合格的相同比例尺(同精度)或者更大比例尺(高精度)的數(shù)字地形圖、數(shù)字正射影像成果中直接選取檢測點(diǎn)，或者直接將地形圖和DOM套合在一起直接選點(diǎn)量測，也可通過攝影測量方法(空三加密點(diǎn)法、立體采集法)獲取檢測點(diǎn)。

檢查位置精度的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢查主要檢查成果的平面位置精度和影像接邊，在實(shí)際作業(yè)中，影像接邊主要關(guān)注不同作業(yè)人員或空三任務(wù)接邊處的接邊質(zhì)量。位置精度檢查是數(shù)字正射影像成果質(zhì)檢中的重中之重，其他做得再好，如果數(shù)學(xué)精度達(dá)不到要求，后期成果就無法使用。因此，在質(zhì)檢時，該項(xiàng)檢查是成果是否合格的關(guān)鍵。

2.3 邏輯一致性

邏輯一致性和坐標(biāo)空間參考系質(zhì)量元素都是符合性檢查，通過內(nèi)業(yè)核查測繪成果的邏輯一致性，主要檢查數(shù)據(jù)命名、數(shù)據(jù)格式是否正確，容易出現(xiàn)的錯誤主要為數(shù)據(jù)格式或文件命名不符合要求。數(shù)據(jù)格式不符合要求主要表現(xiàn)為技術(shù)設(shè)計(jì)要求為*.tif+*tfw格式，實(shí)際為*img或其他格式；文件命名不符合要求主要表現(xiàn)為名稱的小數(shù)位數(shù)不符合設(shè)計(jì)或規(guī)范要求。檢查邏輯一致性的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢查數(shù)據(jù)文件命名、數(shù)據(jù)文件格式是否符合要求。

2.4 影像質(zhì)量

檢查影像質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)在于檢查影像地面分辨率、圖幅范圍、影像特性是否符合要求。內(nèi)業(yè)檢查數(shù)據(jù)地面分辨率、圖幅范圍、色彩模式、色彩特性、影像噪聲、信息丟失。 地面分辨率的檢查可通過TFW文件查看，也可直接使用GIS軟件打開影像查看屬性或?qū)⒂跋穹糯蟮较袼乜梢姴⒅苯恿咳?，圖幅范圍、影像特性(色彩模式、色彩特性、影像噪聲、信息丟失)的檢查可使用GIS或者其他看圖軟件檢查，建議使用GIS軟件，方便進(jìn)行范圍標(biāo)注及面積統(tǒng)計(jì)。

2.5 附件質(zhì)量

檢查附件質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)在于技術(shù)設(shè)計(jì)書、技術(shù)總結(jié)等文檔的正確性和齊全性。文檔資料檢查內(nèi)容主要為技術(shù)設(shè)計(jì)書、技術(shù)總結(jié)、過程檢查記錄，如果是二級檢查，需要審核一級檢查記錄，如果是最終的甲方驗(yàn)收或者第三方驗(yàn)收，則需要檢查生產(chǎn)單位的檢查報(bào)告。

3 數(shù)字正射影像質(zhì)量檢驗(yàn)具體案例

3.1 空間參考系

空間參考系的評分結(jié)果只有0分和100分，因此，生產(chǎn)過程中需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，一般可通過查看文本文件或者利用相關(guān)專業(yè)軟件查看屬性的方式來檢查。常見的問題主要有坐標(biāo)系統(tǒng)未定義(如圖1所示)或者定義錯誤(如圖2所示)等。

3.2 位置精度

位置精度按照平面位置中誤差的區(qū)間線性內(nèi)插方式評分。平面位置中誤差計(jì)算時，檢測點(diǎn)數(shù)量小于20時，由算術(shù)平均值代替中誤差。檢測點(diǎn)數(shù)量大于20時，且為高精度檢測(即檢測點(diǎn)獲取途徑是外業(yè)采集點(diǎn)或者通過更高精度成果獲取)時，通過式(1)執(zhí)行：

(1)

同精度檢測(即檢測點(diǎn)獲取途徑是相同精度的成果)時，通過式(2)執(zhí)行：

(2)

精度統(tǒng)計(jì)的時候可按照面積分區(qū)進(jìn)行位置精度統(tǒng)計(jì)，通過對正射影像進(jìn)行質(zhì)量檢查的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來看，這種做法對成果最終的符合性影響很小，可以滿足平面精度評價的需要，同時可以提高作業(yè)效率。在實(shí)際量取距離時，可采用一些檢測點(diǎn)快速精度統(tǒng)計(jì)的方法[6]。位置精度檢查是數(shù)字正射影像成果一項(xiàng)非常重要的檢查內(nèi)容，必須嚴(yán)格、仔細(xì)地進(jìn)行檢查。

3.3 邏輯一致性

邏輯一致性檢查中主要存在的問題是數(shù)據(jù)文件命名、格式符合要求，主要表現(xiàn)為技術(shù)設(shè)計(jì)要求為*.tif+*tfw格式，實(shí)際為*img或其他格式，文件命名的小數(shù)位數(shù)不符合設(shè)計(jì)或規(guī)范要求。

3.4 影像質(zhì)量

影像質(zhì)量檢查時容易發(fā)現(xiàn)的問題如道路、橋梁錯位，橋梁、房屋扭曲，山體植被拉花，水面、屋頂過度曝光，云影覆蓋、陰影處過暗導(dǎo)致信息丟失等情況(如圖3所示)。此外，還存在圖幅范圍為未按要求外擴(kuò)。

3.5 附件質(zhì)量

檢查附件質(zhì)量時，主要檢查文檔、附件(元數(shù)據(jù)、其他信息文件)完整性、正確性、權(quán)威性。作為生產(chǎn)單位的質(zhì)檢部門，應(yīng)對文檔資料的權(quán)威性和正確性進(jìn)行再次核查，檢查技術(shù)設(shè)計(jì)方案、技術(shù)總結(jié)、檢查報(bào)告等文檔資料是否存在簽字蓋章問題，文檔中是否存在典型的技術(shù)路線問題、前后矛盾問題，技術(shù)設(shè)計(jì)書是否存在主要技術(shù)參數(shù)未明確情況，主要表現(xiàn)為成果坐標(biāo)系統(tǒng)未明確、生成的數(shù)字正射影像圖地面分辨率要求未明確、是否生成圖廓注記不明確、外擴(kuò)像素值不明確、成果格式要求不明確、成果命名不明確、設(shè)計(jì)書中技術(shù)路線為地形圖生產(chǎn)的技術(shù)路線、非涉密文檔中存在詳細(xì)的控制點(diǎn)坐標(biāo)或存在測區(qū)的詳細(xì)七參數(shù)數(shù)據(jù)。

4 數(shù)字正射影像的質(zhì)檢關(guān)鍵流程

測繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)體系目前主要采用的是“二級檢查一級驗(yàn)收”體系：測繪作業(yè)部門進(jìn)行一級檢查，測繪單位質(zhì)量管理部門進(jìn)行二級檢查，項(xiàng)目管理單位(項(xiàng)目甲方)組織驗(yàn)收或者委托有資質(zhì)的質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。隨著一些大型的測繪項(xiàng)目(例如全國地理國情普查或監(jiān)測、第三次全國土地調(diào)查數(shù)字正射影像分項(xiàng))的實(shí)施，為更好進(jìn)行質(zhì)量控制，采用的是“過程質(zhì)量控制-最終成果復(fù)核”體系：測繪單位、監(jiān)理單位等部門對生產(chǎn)作業(yè)全過程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，質(zhì)檢驗(yàn)收機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程質(zhì)量監(jiān)督抽查和最終成果復(fù)核驗(yàn)收。目前，大部分的測繪項(xiàng)目仍采用的是“二級檢查一級驗(yàn)收”體系。按照《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收》規(guī)定和實(shí)際質(zhì)量檢驗(yàn)工作要求，數(shù)字正射影像的質(zhì)檢關(guān)鍵流程可設(shè)計(jì)為圖4。

其中，一級檢查不抽樣，應(yīng)全數(shù)檢查，二級檢查中內(nèi)業(yè)部分逐單位成果詳查，對野外實(shí)地檢查項(xiàng)，可進(jìn)行抽樣，樣本量不低于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)收則按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽樣。

5 典型問題分析及思考

隨著遙感影像獲取的方式越來越多，遙感影像分辨率越來越高，遙感影像使用范圍越來越廣，多源多分辨率數(shù)字正射影像質(zhì)檢中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題也是五花八門，通過分析，發(fā)現(xiàn)了在數(shù)字正射影像成果質(zhì)量的一些共性問題，從這些問題也可以一定程度上反映行業(yè)內(nèi)普遍面臨的挑戰(zhàn)。

1)技術(shù)文檔存在內(nèi)容缺失、內(nèi)容錯誤、文檔編制隨意的情況，主要存在于一些測繪乙級資質(zhì)及以下單位，個別存在于甲級測繪單位。導(dǎo)致的原因是多方面的，一是部分行業(yè)單位的技術(shù)力量較為薄弱，編寫人員和審核人員水平參差不齊，會出現(xiàn)一些前后矛盾以及常識性的錯誤；二是行業(yè)單位管理人員對設(shè)計(jì)的不重視。因此，生產(chǎn)單位、管理單位應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)和交流，強(qiáng)化設(shè)計(jì)的各項(xiàng)程序，并確保設(shè)計(jì)與生產(chǎn)不能脫節(jié)。

2)不同的作業(yè)方式和生產(chǎn)軟件生產(chǎn)出來的成果大致相同，真正體現(xiàn)生產(chǎn)水平的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在人工編輯。在地形明顯變化處特別容易引起人工地物或山體變形，因此，應(yīng)著重對地形變化處的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理。線狀地物或者建筑物如果出現(xiàn)錯位問題，則一般是由于未編輯鑲嵌線。目前大部分的攝影測量軟件可通過一定算法自動生成鑲嵌線，雖然目前鑲嵌線算法可以避開一部分房屋、色彩不一致地方，但仍然存在直接穿越地物情況[7-8]。在鑲嵌線編輯時應(yīng)最大可能利用中心區(qū)域影像，同時避開大型建筑物和影像差異較大的地方，盡可能選擇道路、水面、田埂等線狀地物的邊沿，盡量避免在同一道路上來回穿越，避免切割人工地物。一名好的生產(chǎn)作業(yè)人員，可以通過合理有效的影像鑲嵌來消除由于高層建筑、高架橋等投影差造成的地物錯位的情況。

3)杜絕不符合項(xiàng)上出現(xiàn)質(zhì)量問題。例如坐標(biāo)系統(tǒng)定義錯誤、投影參數(shù)錯誤、文件格式錯誤、文件命名錯誤、地面分辨率與設(shè)計(jì)不符、影像范圍外擴(kuò)錯誤、元數(shù)據(jù)(如有)的屬性項(xiàng)定義錯誤等等，生產(chǎn)過程中尤其是一二級檢查中應(yīng)將大面積的影像質(zhì)量問題提前發(fā)現(xiàn)，避免影像質(zhì)量來回改、越改錯越多的情況。通過此項(xiàng)工作，可以在很大程度上確保最終正射影像成果符合設(shè)計(jì)和國家規(guī)范要求。

6 結(jié)語

本文對數(shù)字正射影像質(zhì)檢的關(guān)鍵點(diǎn)和具體問題案例進(jìn)行了分析，提出了現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中不適合部分?jǐn)?shù)字正射影像成果質(zhì)檢的內(nèi)容，并總結(jié)了一個數(shù)字正射影像成果檢驗(yàn)中關(guān)鍵質(zhì)檢流程，在數(shù)字正射影像的生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗(yàn)工作中均有一定參考指導(dǎo)意義。