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        以高分辨率衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源的1∶2000 3D產(chǎn)品精度檢測及分析

        2021-11-10 06:00:44田海濤倪曙朱發(fā)浩徐焰
        城市勘測 2021年5期
        關(guān)鍵詞:檢測點測區(qū)昆明市

        田海濤,倪曙,朱發(fā)浩,徐焰

        (昆明市測繪研究院,云南 昆明 650051)

        1 引 言

        與航空攝影測量相比,遙感衛(wèi)星影像具有覆蓋范圍廣、獲取周期短、受地域及氣候條件限制低等優(yōu)勢;尤其是近年來以WorldView-3為代表的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的出現(xiàn),極大地拓寬了遙感影像的實際應(yīng)用,所獲取的高達分米級別的高分辨率立體影像為測制大比例尺3D產(chǎn)品提供了條件。昆明市滇中新區(qū)某片區(qū)1∶2 000 3D產(chǎn)品(DLG、DEM、DOM)生產(chǎn)項目就采用了以WorldView-3立體影像為數(shù)據(jù)源按攝影測量立體測圖方法生產(chǎn)的技術(shù)路線。本文在此項目基礎(chǔ)上野外實測檢測點對產(chǎn)品進行了精度檢測,評定了產(chǎn)品精度、驗證了較復(fù)雜地形條件下此技術(shù)路線的可行性,并通過對精度統(tǒng)計結(jié)果進行研究得出了相關(guān)結(jié)論。

        2 項目基本情況

        昆明市滇中新區(qū)某片區(qū)1∶2 000 3D產(chǎn)品制作項目的生產(chǎn)面積約 159.5 km2,測區(qū)位于昆明主城區(qū)東北方向,南側(cè)緊鄰昆明長水國際機場;測區(qū)地形以平地丘陵地為主,部分區(qū)域為山地。昆明市測繪研究院在生產(chǎn)前對項目進行了分析:①測區(qū)緊鄰機場,空域限制嚴格,采用航空攝影測量方法難以協(xié)調(diào);②測區(qū)面積大、地形比較復(fù)雜、工期緊,采用野外數(shù)字測圖難以保證工期;③利用WorldView-3高分辨率衛(wèi)星影像立體測圖生產(chǎn)1∶2 000 3D產(chǎn)品的方法已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)得到了理論驗證和實際應(yīng)用,昆明市測繪研究院也在昆明城區(qū)進行過實驗證實了方法的可行性,本項目測區(qū)地形相比城區(qū)較復(fù)雜,因此確定項目采用高分辨率衛(wèi)星影像立體測圖的方法進行生產(chǎn),如局部地區(qū)精度不能保證則以輔助方法加強。

        昆明市測繪研究院共采購了3組2019年2月份的WorldView-3立體像對作為數(shù)據(jù)源,項目的基本生產(chǎn)路線如圖1所示。

        圖1 項目基本技術(shù)路線

        項目自2020年8月初開始~2020年10月底完成了生產(chǎn),順利提交昆明市測繪研究院質(zhì)檢中心進行最終檢查。

        3 精度檢測及結(jié)果分析

        3.1 數(shù)學(xué)精度檢測與評定

        測區(qū)共涉及CGCS2000坐標系下195個1∶2 000圖幅的3D產(chǎn)品(可折合為159.5個滿幅數(shù)據(jù)),根據(jù)國標《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》檢測樣本不能少于13個滿幅產(chǎn)品,最終檢查時為確保檢測結(jié)果又適當增加了樣本數(shù)量(分布如圖2所示)。

        精度檢測結(jié)果如表1所示。

        圖2 項目3D產(chǎn)品最終檢查的樣本分布

        精度統(tǒng)計的基本情況 表1

        通過精度檢測結(jié)果以及各樣本內(nèi)的誤差大小和分布情況,可得出以下結(jié)論:

        (1)各樣本內(nèi)無明顯系統(tǒng)誤差存在;

        (2)各樣本的粗差率均未超限(規(guī)范規(guī)定不大于5%);

        (3)各樣本的中誤差均未超限,符合精度指標。

        因此,可評定該項目1∶2 000 3D產(chǎn)品的數(shù)學(xué)精度“批合格”。

        3.2 結(jié)果分析及檢測遇到的困難

        (1)通過表1中的精度檢測結(jié)果以及各樣本內(nèi)的誤差情況可以看出:

        ①山地地形樣本的中誤差大于丘陵地地形樣本的中誤差,說明采用高分辨率衛(wèi)星影像按攝影測量立體測圖的方法生產(chǎn) 1∶2 000 3D產(chǎn)品時,坡度越大,誤差也越大。

        ②雖然樣本中誤差均未超限,但部分偏大,甚至已臨近允許值,因此利用此技術(shù)路線生產(chǎn) 1∶2 000 3D產(chǎn)品,當面對地形比較復(fù)雜的區(qū)域時需做好采取輔助手段加強精度控制的準備。

        (2)雖然對產(chǎn)品的精度檢測和評定工作已經(jīng)完成,但是在檢測過程中發(fā)現(xiàn)存在兩個明顯特點:

        廣西ETC發(fā)展制約因素分析及其對策………………………………………………………………………………… 宋 健(3/23)

        ①外業(yè)檢測點的數(shù)量難以完全保證。由于昆明地區(qū)的氣候特點,城郊區(qū)域往往存在大片植被覆蓋,加之部分區(qū)域存在現(xiàn)場施工、難以進入等情況,導(dǎo)致個別樣本內(nèi)難以布設(shè)足夠數(shù)量的檢測點,如圖3所示。

        圖3 檢測點數(shù)量不足情況示意

        當參與精度統(tǒng)計的檢測點數(shù)量不足20個時,雖然中誤差可以用算術(shù)平均值代替,但如果出現(xiàn)一個粗差則粗差率超限(規(guī)范規(guī)定不能大于5%),因此對采集檢測點的質(zhì)量要求非常嚴格。

        ②外業(yè)檢測點的分布難以實現(xiàn)充分均勻。分布均勻不僅是指檢測點的空間位置,還應(yīng)包含檢測點的采集位置需適當兼顧各種代表性地物、地形,而昆明地區(qū)乃至整個云南省的整體地形以山地為主,地形坡度較大的區(qū)域往往植被覆蓋較多,難以采集檢測點,而地勢平緩區(qū)域點位相比更加密集(如圖3所示)。

        3.3 解決方案

        對于上述問題,結(jié)合實際經(jīng)驗可采取以下方法進行解決。

        (1)提高檢測點的選點質(zhì)量;對粗差點位進行實地核實,避免粗差率統(tǒng)計錯誤導(dǎo)致精度評定誤判。

        例如在對DLG樣本“2 787.0-599.0”進行平面位置精度檢測時,原本布設(shè)的17個檢測點中出現(xiàn)了1個粗差,粗差率達到了5.9%,因粗差率超限而判定成果不合格;但是在返改復(fù)查過程中生產(chǎn)人員發(fā)現(xiàn)實際位置的精度并不存在超限情況,造成粗查出現(xiàn)的原因是該點位現(xiàn)場為機耕路路口,存在季節(jié)性和臨時性變化影響(如圖4所示)。因此該點位選點質(zhì)量不佳,不應(yīng)作為檢測點參與精度統(tǒng)計。

        圖4 實測點位與本項目DOM以及昆明市測繪研究院其他DOM的比對

        (2)樣本內(nèi)檢測點在選點或施測特別困難時,可考慮更換樣本或?qū)⒁詷颖窘M合為單位進行精度統(tǒng)計。

        例如對DOM成果進行平面精度統(tǒng)計時,16個樣本中有8個樣本的檢測點數(shù)量均不足20個。最終以“樣本位置相鄰或相近、整體地形相同”的原則將樣本2個為一組進行了精度評定。如表2所示。

        DOM平面精度檢測統(tǒng)計表 表2

        (3)將所有檢測點匯總進行精度統(tǒng)計,有助于掌握成果整體的精度水平,在一定程度上彌補局部點位不足的缺陷。匯總統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

        精度統(tǒng)計情況 表3

        部分產(chǎn)品的誤差分布情況 表4

        從表3可以看出,檢測點的數(shù)量不足突出表現(xiàn)在DLG等高線的精度檢測工作中,主要原因是等高線大多位于坡度較大的區(qū)域,加之植被影響較大,故采集的點位較少。

        (4)可以將匯總后的檢測點按不同地形類別進行統(tǒng)計,進一步掌握檢測點的分布質(zhì)量。

        ①對測區(qū)進行坡度計算:在ArcGIS中加載測區(qū)整體DEM,打開工具“3DAnalyst ToolsRaster SurfaceSlope”設(shè)置參數(shù)進行坡度計算(如圖5所示)。

        圖5 測區(qū)坡度分析結(jié)果

        計算結(jié)果顯示測區(qū)的坡度均值為5.26°,因此測區(qū)屬于丘陵地地形,接近山地地形。

        ②對坡度計算結(jié)果重分級:右鍵點擊坡度計算結(jié)果文件“屬性”,在“SymbologyClassified”中設(shè)置“Classes”為4,“Classify”中依次按2、6、25、90設(shè)置坡度斷值;選擇“Spatial Analyst ToolsReclassReclassify”對坡度文件進行重分級(values值按坡度選擇),由此可獲得不同地形區(qū)域所占的格網(wǎng)數(shù),繼而可計算出測區(qū)不同地形類別所占面積的比重。

        ③重分級結(jié)果柵格轉(zhuǎn)矢量面:用“Conversion ToolsFrom RasterRaster to Polygen”工具轉(zhuǎn)換。

        ④用矢量面文件按位置篩選檢測點,可以獲得不同地形區(qū)域所占檢測點的數(shù)量和比重(如表5所示)。

        根據(jù)表5可以確定測區(qū)的平地、丘陵地面積占總面積的69.5%,按地形類別衡量,檢測點的分布在個別檢測項上是有缺陷的:①平地區(qū)域的檢測點比重整體過低,丘陵地山地偏高,與對應(yīng)的面積比重不協(xié)調(diào);這是由于抽樣樣本的平地比重較低的原因造成的,由于坡度更大的丘陵地和山地精度合格,故這種分布缺陷并不影響精度評定結(jié)論;②在高山地區(qū)域?qū)LG高程注記進行精度評定的檢測點比例也非常低,這是因為坡度越大的區(qū)域往往采集檢測點越困難;由于測區(qū)高山地的面積比重太小,且大多是植被覆蓋區(qū)域,在本項目中為非重點關(guān)注區(qū)域,因此這個分布缺陷也不影響本項目的精度評定結(jié)論。

        樣本檢測點在不同地形區(qū)域中的分布統(tǒng)計 表5

        此外還可以利用ArcGIS軟件繼續(xù)進行坡向分析,或?qū)蝹€樣本或局部地塊可按上述方法進行坡度分析,加強對精度檢測工作合理性、科學(xué)性的掌握。需要注意的是,上述坡度分析法獲得的地形邊界不能保證十分精確,只能用于整體分析。

        4 結(jié) 論

        在昆明地區(qū)利用高分辨率衛(wèi)星立體影像按攝影測量立體測圖方法生產(chǎn)的 1∶2 000 3D產(chǎn)品精度合格,此技術(shù)路線可行;但是當?shù)匦螚l件復(fù)雜時也應(yīng)注意對精度的控制。此外還可得出以下結(jié)論:

        (1)精度檢測時遇到檢測點數(shù)量不足、分布不均的情況,應(yīng)對粗差進行核實,避免粗差率統(tǒng)計錯誤導(dǎo)致精度評定時誤判;同時可以考慮更換樣本,或?qū)颖景吹匦渭拔恢媒M合后進行評定。

        (2)將所有檢測點匯總進行精度評定,可以在一定程度上彌補樣本點位數(shù)量和分布的缺陷,掌握產(chǎn)品整體的精度水平。

        (3)可以對測區(qū)進行坡度分析并將檢測點按地形篩選以了解其坡度分布和比重,對精度檢測工作本身的質(zhì)量進行衡量,促進精度檢測工作更加科學(xué)合理。

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