基于低空影像的平原地区DOM制作及精度分析*

车耀伟，穆宝胜，王 靖，吴 见

(1. 滁州学院安徽地理信息集成应用协同创新中心,安徽 滁州 239000；2.河南测绘职业学院国土信息与管理系,河南 郑州 450000)

引言

数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)是对航空航天像片进行数字微分纠正和镶嵌，按照一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像图集[1].数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟[2].DOM具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快速、信息性强等特点，具有良好的判读性、量测性和管理性能[3].数字正射影像图可作为地图分析背景控制信息、也可从中提取自然资源和社会经济发展的重要信息，为灾害防治和公共基础设施建设规划等应用提供可靠依据，还可从中提取和派生新的信息，为地图的更新更正提供便利[4].

国内外学者针对DOM的生成与制作方法进行了大量研究.Sutha S等介绍了一种将大影像分割为多个子影像，将子影像映射到阵列处理器中进行校正，并将结果组合成正射影像的技术，使得数字正射影像的产量得到了显著提高[5]；官云兰等以航空影像为例，阐述了利用Erdas Imagine软件制作正射影像图的方法，进一步指出了操作过程中的注意事项[6]；臧海凤等简要介绍了利用Virtuozo软件制作数字正射影像图的过程，阐述了实践过程中DOM制作的技巧[7]；石平等分析比较了Inpho和Photomod软件在数字正射影像图制作过程中的优缺点，为测绘生产单位选择航测成图软件提供了借鉴[8]；王茂胜等以六旋翼无人机航摄系统完成小区域大比例尺正射影像图制作为实例，介绍了六旋翼无人机系统的组成、功能特点及作业方法，并对航测的结果进行了精度检核[9]；韩涛等介绍了一种在缺少GPS/IMU数据支持的情况下，利用相关遥感影像和资料快速制作DOM的方法[10]；祝明等通过对卫星影像、ADS80影像、DMC框幅式影像三种数据源的处理，分析了三种数据源处理过程中生产DOM各个环节的流程[11]；张亚亚等以广西壮族自治区北海市银海区为试验区，针对多源高分辨率遥感卫星数据特点，制定相应数据处理流程，提出了一种快速、有效的多源高分辨率DOM制作方法[12]；张丹等结合开封市DOM数据生产实践，进行了1∶10 000DOM的制作工作，并探讨了利用MapMatrix制作DOM的方法[13].

上述国内外学者对如何快速高质量生成与制作DOM数据进行了大量研究，国外例如美国ERDAS公司的Erdas Imagine、德国Inpho公司的Inpho、俄罗斯Racurs公司的Photomod、以及瑞士Pix4D公司的Pix4 Mapper等的文献较多，而基于国产系统如Virtuozo、Matrix系列等的相对较少，尤其针对1∶1 000这种大比例尺的DOM制作分析较少.本文在前人研究的基础上，基于安徽省利辛县无人机影像数据，利用航天远景MapMatrix系统进行数字影像处理，制作DEM、DOM并对其进行精度检查与结果分析，以期为航空摄影技术在实际中的应用提供参考.

1 研究区概况

利辛县隶属于安徽省亳州市，位于亳州市南部，北邻涡阳县，东靠蒙城县，南至淮南市的凤台县、阜阳市的颍上县，西接阜阳市的颍东区和太和县，总面积1 950平方千米，总人口173.3万人.利辛县处于暖温带半湿润季风气候区，四季分明，气候温和，雨量适中，地势较为平坦，自然坡降很小，西北部最高处海拔32 m，东南部最低海拔22 m，平均海拔28 m，属于淮北平原中南部、砂礓黑土平原亚区，为研究平原地区摄影测量提供了良好的实验条件.

2 研究方法

2.1 数据来源

文中使用的航空影像为轻型固定翼无人机挂载普通佳能数码相机航拍，航拍前对相机进行检校并获取相机文件.为保证数据拼接效果，航飞时航向重叠率设为80%，旁向重叠率设为60%，每张航片适时记录POS坐标信息.航拍后选取中间区域1 891张像片，现场均匀选取12个控制点作为验证点.经处理后的部分POS文件数据信息如表1所示.

表1 POS文件数据信息表

2.2 MapMatrix系统

MapMatrix是基于无人机、航空、卫星遥感等数据的最新一代网络版数字摄影测量系统.该系统采用网络化集群模式进行协同作业，不仅具有强大的基础测绘标准4D产品生产能力，还可借助数据集管理工具将处理过的数据管理起来，对地理信息数据提供了综合的解决方案，包括数据的采集、数据处理、导入数据库以及对其进行维护.MapMatrix软件具有众多独特功能，主要包括：多种数据源支持、采编入库一体化测图、强大的漫游和显示引擎、粗细粒度结合的并行处理、丰富的DEM/DOM处理功能、丰富的硬件兼容、人性化设计，内置分布式作业支持和强大的坐标系转换功能[14].其数据处理流程如下：

图1 MapMatrix数据处理流程图

2.3 数据处理

2.3.1 数据预处理

原始影像的质量是保证DOM精度的基础，必须确保用来制作DOM的原始航拍数据足够精确且精度足够高.包括确定POS数据信息是否正确、影像是否清晰等，初步检查结果显示本文实验所采集基础数据符合DOM制作的要求.

2.3.2 DEM生成

在软件中对影像采取核线采样处理，处理后将其自行匹配，匹配成功后可生成初步DEM，而后需要根据实际地形特征进行相应的修复工作，在编辑DEM的时候需要注意：匹配点以及高程线均应切准模型表面；DEM编辑之后生成相应的等高线和模型套合或者跟相应的地形图作比较，倘若不能反映真实的地貌特征，则需要进一步核查修改[15].最终生成的DEM如图2所示.

图2 DEM成果图

2.3.3 DOM生成

MapMatrix系统可完成DOM的自动生成工作，但是由于全自动化过程的局限性，生成的DOM存在拉花、扭曲以及不够精细的现象，此时就需要对其进行编辑直至制作的DOM达到数据质量要求为止.包括：进行影像的均光、镶嵌以及裁切成图等.需要注意的是，在进行镶嵌线编辑时，应沿着地物的轮廓前进，尽量避开或回避建筑物.编辑前后的数字正射影像图如图3所示.待全部区域编辑完毕，经过匀光匀色，最终生成的正射影像图.

(1)编辑前DOM

(2)编辑后DOM

3 结果与分析

3.1 DEM高程精度分析

常见的DEM精度评定方法有检查点、剖面和等高线法等，其中检查点法简单易行，是一种最常用的方法.本文使用检查点法对生成的DEM进行精度评定，即在研究区利用一些已知点，对生成的DEM在这些点处进行检查.在生成的DEM上量取检测点的高程和外业测量得到的高程进行比较得到误差，然后计算中误差.计算公式如式(1)：

(1)

其中，n为检测点个数.Zk为外业测量得出的z坐标，Rk为从DEM中测得的z坐标.

利用Globalmapper软件打开生成的DEM并与DOM套合，并找到已知点的位置，记录高程值，然后与实际高程值进行对比.计算结果如表2所示.

表2 测区内检测点高程差值 m

将高程差的结果带入式(1)，计算结果得出σDEM=0.359 927 m，依据《CHT 9008.2-2010基础地理信息数字成果1∶5 00 1∶10 00 1∶2 000数字高程模型》，数字地形模型高程中误差精度指标(如表3)可知，由本次实验得出的DEM满足1∶1 000比例尺平地高程中误差标准.

表3 高程中误差的精度指标 m

3.2 DOM平面精度分析

对于DOM进行精度分析的方法主要包括加密点检测法、坐标检验法、数字摄影测量法及外业检测法.本文使用坐标检验法对于生成的DOM进行精度分析.检验方法为外业实测特征点的坐标值与生成的DOM上对应点的坐标值进行比较，统计其误差.

计算方法如式(2)：

(2)

其中，Xi为外业测量得出的x坐标，xi为从正射影像图中测得的x坐标，n为检测点个数，Yi为外业测量得出的y坐标，yi为从正射影像图中测得的y坐标.最终的精度分析结果如表4所示.

表4 DOM精度分析表

将计算得出的x方向上的差值与y方向的差值代入式(2)，计算得出M= 0.505 4 m，依据国家测绘行业标准《CHT 9008.3-2010基础地理信息数字成果1∶5 001∶10 001∶2 000数字正射影像图》平面位置中误差精度指标(如表5)得出，该精度满足1∶1 000比例尺的精度要求.

表5 平面位置中误差精度指标 m

4 结论与讨论

4.1 结论

以安徽省利辛县为研究区域，基于小型无人机航空影像数据，使用MapMatrix系统对数据进行预处理，经过检校、编辑、镶嵌、拼接及匀色等操作完成了数字高程模型及数字正射影像图的制作.对生成的DEM、DOM进行精度分析，主要结论如下：

1)利用MapMatrix系统完成1 891张影像处理，生成DEM及DOM，从数据准备到精度检验一天内完成，生产效率较高；

2)基于平原地区无人机低空影像数据，采用MapMatrix系统，获取的DOM其平面精度中误差为0.505 4 m，DEM高程精度中误差为0.359 9 m，均高于国家测绘行业标准中1∶1 000比例尺数字产品中的误差标准，可以应用于城市规划设计、生态环境调查及地理国情监测等诸多方面.

4.2 讨论

高精度数字正射影像图快速制作在地理国情监测、国土空间规划等行业有现实的应用意义，大比例尺数字产品与传统遥感图像能够实现有效的结合.使用MapMatrix系统可以在短时间内快速高效实现数字正射影像图的制作，并且制作的产品精度符合国家规范，但仍存在一些问题：

1)依靠软件自动生成的数字高程模型及数字正射影像图存在拉花、扭曲以及不够精细的现象，必须加以后期编辑镶嵌才能达到制作需求，需要作业员有丰富的经验和熟练的操作技能，否则会影响最终的产品精度，如何提高软件的自动化处理水平需要进一步研究.

2)数据处理过程中的系统误差：包括航摄相片的变形、航摄仪物镜的畸变差、大气折光差和地球曲率及投影误差等都会影响最终产品的精度，需要更深层次的分析.