基于高精度4D數(shù)據(jù)庫的DOM生產(chǎn)方案探討及精度比較

王瑋龍

(南京長天測繪技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211100)

0 引 言

目前,作為社會基礎(chǔ)性、公益性事業(yè)的國家基礎(chǔ)測繪工作正在如火如荼地進行。對于大范圍的基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品的獲取,最常用的方法還是采用航空攝影測量的手段。但為了將空中三角測量中的立體模型納入到相應(yīng)的大地坐標系中,這就需要外業(yè)工作人員到實地去勘測獲取像片控制點。外業(yè)像控不僅耗費較大的人力物力,而且經(jīng)常容易受到天氣的影響,周期較長,從而影響整體項目的推進進度?？紤]到江蘇基礎(chǔ)測繪經(jīng)過幾輪五年規(guī)劃的發(fā)展,已經(jīng)積累了較豐富的4D數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。因此,本著節(jié)約成本提高生產(chǎn)效率的目的,對于江蘇省后續(xù)新一輪基礎(chǔ)測繪1∶1萬DOM的生產(chǎn),本文嘗試利用這些現(xiàn)成的精度可靠的資料,進行試驗區(qū)1∶1萬DOM的試驗生產(chǎn),探索分別運用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角形測量、單片空間后方交會、GPS輔助空中三角測量等方法進行校正生產(chǎn)DOM的幾種方案[1-2],并比較了不同糾正方案對應(yīng)的成果精度。

1 試驗區(qū)概況及數(shù)據(jù)情況

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)域位于江蘇省長江南岸常州市新北區(qū)西北部的孟河鎮(zhèn)一帶,北靠長江,區(qū)域內(nèi)大部為2～10 m左右的平坦地區(qū),在試驗區(qū)域中上部有小部分東西走向丘陵,最高海拔92.1 m。東西長約15 km,南北寬約11 km,面積約為165 km2。其范圍如圖1所示。

圖1 試驗測區(qū)圖

1.2 已有基礎(chǔ)測繪成果數(shù)據(jù)

平面控制資料:控制點平面坐標采用1980西安坐標系,采集自江蘇省2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DOM成果(實際上該批次基礎(chǔ)測繪成果是按照1∶5 000成圖規(guī)范要求生成的,地面分辨率為0.5 m)。以JX-4數(shù)字攝影測量工作站為工作平臺,采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量加密校正及制作的。經(jīng)江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測驗收,平面精度滿足1∶5 000DOM成圖精度要求。

高程控制資料:高程采用1985年國家高程基準?？刂泣c高程采集自2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DEM成果(5 m間隔)。以JX-4數(shù)字攝影測量工作站為工作平臺,采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量加密校正及制作的。經(jīng)江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測驗收,平面精度優(yōu)于1∶1萬DEM成圖要求。

地形投影差的改正源:來自2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DEM成果(5 m間隔)。與控制高程資料來源相同。

監(jiān)督檢查參考源:使用2006年4月常州市區(qū)土地更新調(diào)查1∶5 000DOM成果(0.5 m分辨率)作為精度檢測依據(jù)。該成果是在Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)平臺上的LPS(Leica Photogrammetry Suite)模塊中,采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量加密校正制作的,經(jīng)江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測驗收,平面精度滿足1∶5 000成圖要求,其地形投影差改正也是采用2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DEM成果。

1.3 航攝數(shù)據(jù)

航攝資料為2006年4月第二輪基礎(chǔ)測繪常泰測區(qū)航空攝影資料,航空攝影機的相關(guān)參數(shù)如表1所示?？驑俗鴺巳绫?所示。

表1 航攝相機參數(shù)表

表2 航攝資料中框標坐標表

航攝比例尺為1∶2萬,行高為3 km,灰度級影像航片。航片經(jīng)由Intergraph 公司的PhotoScan掃描儀掃描轉(zhuǎn)為數(shù)字影像,掃描分辨率為21 μm,換算實地分辨率約為0.42 m,掃描后航片如圖2所示。

圖2 試驗測區(qū)航片圖

2 試驗方案

Erdas Imagine是美國ERDAS公司開發(fā)的遙感圖像處理系統(tǒng)[3]。它以其先進的圖像處理技術(shù),友好、靈活的用戶界面和操作方式,面向廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品模塊,服務(wù)于不同層次用戶的模型開發(fā)工具以及高度的RS/GIS(遙感圖像處理和地理信息系統(tǒng))集成功能,為遙感及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的用戶提供了內(nèi)容豐富而功能強大的圖像處理工具。

Erdas數(shù)字攝影測量軟件包LPS(Leica Photogrammetry Suite)是在Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)上運行的多用途的軟件產(chǎn)品,可以對來自不同類型相機及衛(wèi)星傳感器的圖像進行快速和精確的三角測量和正射校正。

Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊Dataprep由一組實用的圖像數(shù)據(jù)處理工具構(gòu)成,其中Image Geometric Correction子模塊也同樣可以對圖像進行幾何校正[4-10]。

本文的試驗主要在Erdas平臺上進行,結(jié)合LPS模塊和Data Perparation模塊,采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量校正、單片空間后方交會校正、GPS輔助空中三角測量校正等3種方法,各選用高密控制點布網(wǎng)和低密控制點布網(wǎng)兩種情況來實施,模擬不同的實地條件,以期獲得更多的比較結(jié)果加以分析。具體實施方案有6種(圖3):

圖3 6種方案作業(yè)流程圖

A.無外方位元素預(yù)測的區(qū)域網(wǎng)校正(16控制點)。

B.有外方位元素預(yù)測的區(qū)域網(wǎng)校正(5控制點)。

C.單片空間后方交會校正(13控制點)。

D.單片空間后方交會校正(6控制點)。

E.精確外方位元素(等權(quán)值)預(yù)測無控制點的區(qū)域網(wǎng)校正。

F.有概略外方位元素(不等權(quán)值)預(yù)測無控制點的區(qū)域網(wǎng)校正。

方案A是我們以Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)平臺LPS模塊進行加密的常規(guī)作業(yè)校正方法,常州土地利用調(diào)查1∶5 000DOM、海門測區(qū)1∶5 000DOM的制作就是采用了該方法。我們認為它是作業(yè)方法比較成熟、校正精度能夠達到規(guī)范要求的一種方法。對其后5種方法的適宜性和精度優(yōu)劣基本上都是相對于這種方法來說的。而對于數(shù)據(jù)源等的精度是否滿足校正要求也是主要依據(jù)該種校正方法來說的。

方案B是為了檢驗通過影像自動匹配獲得的連接點(Tie)的效率及檢驗在Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)平臺下的LPS模塊中以最低密度要求布控的校正精度,以期在今后生產(chǎn)中是否可以降低控制網(wǎng)布點密度,仍然可以獲得可靠的精度。

方案C是為了檢驗在實地狀況不允許布設(shè)控制網(wǎng)來實施方案A時,是否可以通過采用單片空間后方交會校正的方法提供合格的DOM數(shù)據(jù)。

方案D是為了檢驗在單片空間后方交會校正中,若選點條件不好,只提供最低要求的6個控制點,單片空間后方交會校正的方法是否可以滿足校正精度的要求。

方案E正是利用方法A計算得到的外方位元素數(shù)據(jù)來模擬航攝機提供的GPS-IMU機載定位定向系統(tǒng)POS的導(dǎo)航數(shù)據(jù),來檢驗在LPS模塊中進行利用GPS數(shù)據(jù)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差校正出的DOM數(shù)據(jù)的精度。

方案F是假設(shè)無航攝機提供的POS導(dǎo)航數(shù)據(jù),采用在已有資料上概略選取像主點坐標及行高、航向來模擬導(dǎo)航數(shù)據(jù)的數(shù)值,來檢驗在LPS模塊中進行無精確導(dǎo)航信息的利用GPS數(shù)據(jù)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差校正出的DOM數(shù)據(jù)的精度。

為方便起見,下文以A、B、C、D、E、F來分別代替以上6種校正方案。

3 精度統(tǒng)計與分析

本次試驗的精度檢測參考源為2006年4月常州市區(qū)土地更新調(diào)查1∶5 000DOM成果(0.5 m分辨率)。采用在參考源和試驗成果數(shù)據(jù)上選取同名點影像進行坐標較差的精度檢測方法,統(tǒng)計精度指標。將其與相關(guān)規(guī)范比較,判斷其是否符合精度要求。精度檢驗時,區(qū)分平坦地區(qū)和丘陵地區(qū)分別進行比較。對于平坦地區(qū),選擇3條航線,每航線3片共9張航片進行比較實驗,每張航片分別選取:航片中心附近、左上、左下、右下、右上共5個采樣點,總共45個采樣點。對于丘陵地區(qū),選擇1條航線3張航片進行比較試驗(本試驗測區(qū)只有一條航線存在丘陵地貌),每張航片在判讀為丘陵地區(qū)的影像上選取10個采樣點,總共30個采樣點進行比較。統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

由表3可知,6種方案的精度由高到低,平坦地區(qū)依次為E、B、C、D、A、F;丘陵地區(qū)依次為E、B、D、C、A、F。6種校正方案中,方案E的校正精度符合規(guī)范要求,并且相對最好,方案B、D、C、A的校正精度符合規(guī)范要求,方案F的校正精度不符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

利用江蘇省2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DOM成果為平面控制、江蘇省2001年基礎(chǔ)測繪1∶1萬DEM成果作為高程控制,以Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)作為工作平臺,采用不同的幾何糾正方案,進行1∶1萬DOM生產(chǎn),可以得出如下結(jié)論:

(1)利用已有成果數(shù)據(jù),方案A、B、C、D、E都能滿足1∶1萬DOM生產(chǎn)規(guī)范的精度要求。

(2)選取符合規(guī)范精度要求的DEM用于地形投影差的改正,所生成的DOM成果,平坦地區(qū)和丘陵地區(qū)的平面精度基本相當,但由于本次檢測的樣本數(shù)并不完全一致,故該成果僅有一定借鑒參考意義。

本次試驗的結(jié)果表明,Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)的數(shù)種技術(shù)和方法完全可以進行基礎(chǔ)測繪的生產(chǎn),并且能夠充分體現(xiàn)出Erdas Imagine遙感圖像處理系統(tǒng)快速、高效、智能、自動化程度高的特點。同時,本次試驗也驗證了在保證數(shù)據(jù)精確性和現(xiàn)勢性的前提下,可以用高等級精度的4D產(chǎn)品資料來實施的低等級精度4D產(chǎn)品的生產(chǎn),其精度可以滿足相應(yīng)生產(chǎn)規(guī)范的要求。

由于資料有限,本次試驗可能存在一定的局限性,在后續(xù)的應(yīng)用研究中,將采用多種典型類型的數(shù)據(jù)對本文的結(jié)論進行進一步的驗證。