車耀偉，穆寶勝，王 靖，吳 見

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

引言

數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)是對航空航天像片進行數(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)是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬[2].DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快速、信息性強等特點，具有良好的判讀性、量測性和管理性能[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經(jīng)濟發(fā)展的重要信息，為災害防治和公共基礎設施建設規(guī)劃等應用提供可靠依據(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].

國內(nèi)外學者針對DOM的生成與制作方法進行了大量研究.Sutha S等介紹了一種將大影像分割為多個子影像，將子影像映射到陣列處理器中進行校正，并將結(jié)果組合成正射影像的技術，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，進一步指出了操作過程中的注意事項[6]；臧海鳳等簡要介紹了利用Virtuozo軟件制作數(shù)字正射影像圖的過程，闡述了實踐過程中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程中的優(yōu)缺點，為測繪生產(chǎn)單位選擇航測成圖軟件提供了借鑒[8]；王茂勝等以六旋翼無人機航攝系統(tǒng)完成小區(qū)域大比例尺正射影像圖制作為實例，介紹了六旋翼無人機系統(tǒng)的組成、功能特點及作業(yè)方法，并對航測的結(jié)果進行了精度檢核[9]；韓濤等介紹了一種在缺少GPS/IMU數(shù)據(jù)支持的情況下，利用相關遙感影像和資料快速制作DOM的方法[10]；祝明等通過對衛(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)源處理過程中生產(chǎn)DOM各個環(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)為試驗區(qū)，針對多源高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點，制定相應數(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)實踐，進行了1∶10 000DOM的制作工作，并探討了利用MapMatrix制作DOM的方法[13].

上述國內(nèi)外學者對如何快速高質(zhì)量生成與制作DOM數(shù)據(jù)進行了大量研究，國外例如美國ERDAS公司的Erdas Imagine、德國Inpho公司的Inpho、俄羅斯Racurs公司的Photomod、以及瑞士Pix4D公司的Pix4 Mapper等的文獻較多，而基于國產(chǎn)系統(tǒng)如Virtuozo、Matrix系列等的相對較少，尤其針對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上，基于安徽省利辛縣無人機影像數(shù)據(jù)，利用航天遠景MapMatrix系統(tǒng)進行數(shù)字影像處理，制作DEM、DOM并對其進行精度檢查與結(jié)果分析，以期為航空攝影技術在實際中的應用提供參考.

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，北鄰渦陽縣，東靠蒙城縣，南至淮南市的鳳臺縣、阜陽市的潁上縣，西接阜陽市的潁東區(qū)和太和縣，總面積1 950平方千米，總?cè)丝?73.3萬人.利辛縣處于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量適中，地勢較為平坦，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)攝影測量提供了良好的實驗條件.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中使用的航空影像為輕型固定翼無人機掛載普通佳能數(shù)碼相機航拍，航拍前對相機進行檢校并獲取相機文件.為保證數(shù)據(jù)拼接效果，航飛時航向重疊率設為80%，旁向重疊率設為60%，每張航片適時記錄POS坐標信息.航拍后選取中間區(qū)域1 891張像片，現(xiàn)場均勻選取12個控制點作為驗證點.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是基于無人機、航空、衛(wèi)星遙感等數(shù)據(jù)的最新一代網(wǎng)絡版數(shù)字攝影測量系統(tǒng).該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化集群模式進行協(xié)同作業(yè)，不僅具有強大的基礎測繪標準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的數(shù)據(jù)管理起來，對地理信息數(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、導入數(shù)據(jù)庫以及對其進行維護.MapMatrix軟件具有眾多獨特功能，主要包括：多種數(shù)據(jù)源支持、采編入庫一體化測圖、強大的漫游和顯示引擎、粗細粒度結(jié)合的并行處理、豐富的DEM/DOM處理功能、豐富的硬件兼容、人性化設計，內(nèi)置分布式作業(yè)支持和強大的坐標系轉(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)預處理

原始影像的質(zhì)量是保證DOM精度的基礎，必須確保用來制作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)果顯示本文實驗所采集基礎數(shù)據(jù)符合DOM制作的要求.

2.3.2 DEM生成

在軟件中對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)實際地形特征進行相應的修復工作，在編輯DEM的時候需要注意：匹配點以及高程線均應切準模型表面；DEM編輯之后生成相應的等高線和模型套合或者跟相應的地形圖作比較，倘若不能反映真實的地貌特征，則需要進一步核查修改[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的自動生成工作，但是由于全自動化過程的局限性，生成的DOM存在拉花、扭曲以及不夠精細的現(xiàn)象，此時就需要對其進行編輯直至制作的DOM達到數(shù)據(jù)質(zhì)量要求為止.包括：進行影像的均光、鑲嵌以及裁切成圖等.需要注意的是，在進行鑲嵌線編輯時，應沿著地物的輪廓前進，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精度評定方法有檢查點、剖面和等高線法等，其中檢查點法簡單易行，是一種最常用的方法.本文使用檢查點法對生成的DEM進行精度評定，即在研究區(qū)利用一些已知點，對生成的DEM在這些點處進行檢查.在生成的DEM上量取檢測點的高程和外業(yè)測量得到的高程進行比較得到誤差，然后計算中誤差.計算公式如式(1)：

(1)

其中，n為檢測點個數(shù).Zk為外業(yè)測量得出的z坐標，Rk為從DEM中測得的z坐標.

利用Globalmapper軟件打開生成的DEM并與DOM套合，并找到已知點的位置，記錄高程值，然后與實際高程值進行對比.計算結(jié)果如表2所示.

表2 測區(qū)內(nèi)檢測點高程差值 m

將高程差的結(jié)果帶入式(1)，計算結(jié)果得出σDEM=0.359 927 m，依據(jù)《CHT 9008.2-2010基礎地理信息數(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(如表3)可知，由本次實驗得出的DEM滿足1∶1 000比例尺平地高程中誤差標準.

表3 高程中誤差的精度指標 m

3.2 DOM平面精度分析

對于DOM進行精度分析的方法主要包括加密點檢測法、坐標檢驗法、數(shù)字攝影測量法及外業(yè)檢測法.本文使用坐標檢驗法對于生成的DOM進行精度分析.檢驗方法為外業(yè)實測特征點的坐標值與生成的DOM上對應點的坐標值進行比較，統(tǒng)計其誤差.

計算方法如式(2)：

(2)

其中，Xi為外業(yè)測量得出的x坐標，xi為從正射影像圖中測得的x坐標，n為檢測點個數(shù)，Yi為外業(yè)測量得出的y坐標，yi為從正射影像圖中測得的y坐標.最終的精度分析結(jié)果如表4所示.

表4 DOM精度分析表

將計算得出的x方向上的差值與y方向的差值代入式(2)，計算得出M= 0.505 4 m，依據(jù)國家測繪行業(yè)標準《CHT 9008.3-2010基礎地理信息數(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(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 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，基于小型無人機航空影像數(shù)據(jù)，使用MapMatrix系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行預處理，經(jīng)過檢校、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.對生成的DEM、DOM進行精度分析，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)準備到精度檢驗一天內(nèi)完成，生產(chǎn)效率較高；

2)基于平原地區(qū)無人機低空影像數(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，均高于國家測繪行業(yè)標準中1∶1 000比例尺數(shù)字產(chǎn)品中的誤差標準，可以應用于城市規(guī)劃設計、生態(tài)環(huán)境調(diào)查及地理國情監(jiān)測等諸多方面.

4.2 討論

高精度數(shù)字正射影像圖快速制作在地理國情監(jiān)測、國土空間規(guī)劃等行業(yè)有現(xiàn)實的應用意義，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)可以在短時間內(nèi)快速高效實現(xiàn)數(shù)字正射影像圖的制作，并且制作的產(chǎn)品精度符合國家規(guī)范，但仍存在一些問題：

1)依靠軟件自動生成的數(shù)字高程模型及數(shù)字正射影像圖存在拉花、扭曲以及不夠精細的現(xiàn)象，必須加以后期編輯鑲嵌才能達到制作需求，需要作業(yè)員有豐富的經(jīng)驗和熟練的操作技能，否則會影響最終的產(chǎn)品精度，如何提高軟件的自動化處理水平需要進一步研究.

2)數(shù)據(jù)處理過程中的系統(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影響最終產(chǎn)品的精度，需要更深層次的分析.