以高分辨率卫星影像为数据源的1∶2000 3D产品精度检测及分析

田海涛，倪曙，朱发浩，徐焰

(昆明市测绘研究院，云南 昆明 650051)

1 引 言

与航空摄影测量相比，遥感卫星影像具有覆盖范围广、获取周期短、受地域及气候条件限制低等优势；尤其是近年来以WorldView-3为代表的高分辨率光学遥感卫星的出现，极大地拓宽了遥感影像的实际应用，所获取的高达分米级别的高分辨率立体影像为测制大比例尺3D产品提供了条件。昆明市滇中新区某片区1∶2 000 3D产品(DLG、DEM、DOM)生产项目就采用了以WorldView-3立体影像为数据源按摄影测量立体测图方法生产的技术路线。本文在此项目基础上野外实测检测点对产品进行了精度检测，评定了产品精度、验证了较复杂地形条件下此技术路线的可行性，并通过对精度统计结果进行研究得出了相关结论。

2 项目基本情况

昆明市滇中新区某片区1∶2 000 3D产品制作项目的生产面积约 159.5 km2，测区位于昆明主城区东北方向，南侧紧邻昆明长水国际机场；测区地形以平地丘陵地为主，部分区域为山地。昆明市测绘研究院在生产前对项目进行了分析：①测区紧邻机场，空域限制严格，采用航空摄影测量方法难以协调；②测区面积大、地形比较复杂、工期紧，采用野外数字测图难以保证工期；③利用WorldView-3高分辨率卫星影像立体测图生产1∶2 000 3D产品的方法已经在行业内得到了理论验证和实际应用，昆明市测绘研究院也在昆明城区进行过实验证实了方法的可行性，本项目测区地形相比城区较复杂，因此确定项目采用高分辨率卫星影像立体测图的方法进行生产，如局部地区精度不能保证则以辅助方法加强。

昆明市测绘研究院共采购了3组2019年2月份的WorldView-3立体像对作为数据源，项目的基本生产路线如图1所示。

图1 项目基本技术路线

项目自2020年8月初开始～2020年10月底完成了生产，顺利提交昆明市测绘研究院质检中心进行最终检查。

3 精度检测及结果分析

3.1 数学精度检测与评定

测区共涉及CGCS2000坐标系下195个1∶2 000图幅的3D产品(可折合为159.5个满幅数据)，根据国标《数字测绘成果质量检查与验收》检测样本不能少于13个满幅产品，最终检查时为确保检测结果又适当增加了样本数量(分布如图2所示)。

精度检测结果如表1所示。

图2 项目3D产品最终检查的样本分布

精度统计的基本情况 表1

通过精度检测结果以及各样本内的误差大小和分布情况，可得出以下结论：

(1)各样本内无明显系统误差存在；

(2)各样本的粗差率均未超限(规范规定不大于5%)；

(3)各样本的中误差均未超限，符合精度指标。

因此，可评定该项目1∶2 000 3D产品的数学精度“批合格”。

3.2 结果分析及检测遇到的困难

(1)通过表1中的精度检测结果以及各样本内的误差情况可以看出：

①山地地形样本的中误差大于丘陵地地形样本的中误差，说明采用高分辨率卫星影像按摄影测量立体测图的方法生产 1∶2 000 3D产品时，坡度越大，误差也越大。

②虽然样本中误差均未超限，但部分偏大，甚至已临近允许值，因此利用此技术路线生产 1∶2 000 3D产品，当面对地形比较复杂的区域时需做好采取辅助手段加强精度控制的准备。

(2)虽然对产品的精度检测和评定工作已经完成，但是在检测过程中发现存在两个明显特点：

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①外业检测点的数量难以完全保证。由于昆明地区的气候特点，城郊区域往往存在大片植被覆盖，加之部分区域存在现场施工、难以进入等情况，导致个别样本内难以布设足够数量的检测点，如图3所示。

图3 检测点数量不足情况示意

当参与精度统计的检测点数量不足20个时，虽然中误差可以用算术平均值代替，但如果出现一个粗差则粗差率超限(规范规定不能大于5%)，因此对采集检测点的质量要求非常严格。

②外业检测点的分布难以实现充分均匀。分布均匀不仅是指检测点的空间位置，还应包含检测点的采集位置需适当兼顾各种代表性地物、地形，而昆明地区乃至整个云南省的整体地形以山地为主，地形坡度较大的区域往往植被覆盖较多，难以采集检测点，而地势平缓区域点位相比更加密集(如图3所示)。

3.3 解决方案

对于上述问题，结合实际经验可采取以下方法进行解决。

(1)提高检测点的选点质量；对粗差点位进行实地核实，避免粗差率统计错误导致精度评定误判。

例如在对DLG样本“2 787.0-599.0”进行平面位置精度检测时，原本布设的17个检测点中出现了1个粗差，粗差率达到了5.9%，因粗差率超限而判定成果不合格；但是在返改复查过程中生产人员发现实际位置的精度并不存在超限情况，造成粗查出现的原因是该点位现场为机耕路路口，存在季节性和临时性变化影响(如图4所示)。因此该点位选点质量不佳，不应作为检测点参与精度统计。

图4 实测点位与本项目DOM以及昆明市测绘研究院其他DOM的比对

(2)样本内检测点在选点或施测特别困难时，可考虑更换样本或将以样本组合为单位进行精度统计。

例如对DOM成果进行平面精度统计时，16个样本中有8个样本的检测点数量均不足20个。最终以“样本位置相邻或相近、整体地形相同”的原则将样本2个为一组进行了精度评定。如表2所示。

DOM平面精度检测统计表 表2

(3)将所有检测点汇总进行精度统计，有助于掌握成果整体的精度水平，在一定程度上弥补局部点位不足的缺陷。汇总统计结果如表3所示。

精度统计情况 表3

部分产品的误差分布情况 表4

从表3可以看出，检测点的数量不足突出表现在DLG等高线的精度检测工作中，主要原因是等高线大多位于坡度较大的区域，加之植被影响较大，故采集的点位较少。

(4)可以将汇总后的检测点按不同地形类别进行统计，进一步掌握检测点的分布质量。

①对测区进行坡度计算：在ArcGIS中加载测区整体DEM，打开工具“3DAnalyst ToolsRaster SurfaceSlope”设置参数进行坡度计算(如图5所示)。

图5 测区坡度分析结果

计算结果显示测区的坡度均值为5.26°，因此测区属于丘陵地地形，接近山地地形。

②对坡度计算结果重分级：右键点击坡度计算结果文件“属性”，在“SymbologyClassified”中设置“Classes”为4，“Classify”中依次按2、6、25、90设置坡度断值；选择“Spatial Analyst ToolsReclassReclassify”对坡度文件进行重分级(values值按坡度选择)，由此可获得不同地形区域所占的格网数，继而可计算出测区不同地形类别所占面积的比重。

③重分级结果栅格转矢量面：用“Conversion ToolsFrom RasterRaster to Polygen”工具转换。

④用矢量面文件按位置筛选检测点，可以获得不同地形区域所占检测点的数量和比重(如表5所示)。

根据表5可以确定测区的平地、丘陵地面积占总面积的69.5%，按地形类别衡量，检测点的分布在个别检测项上是有缺陷的：①平地区域的检测点比重整体过低，丘陵地山地偏高，与对应的面积比重不协调；这是由于抽样样本的平地比重较低的原因造成的，由于坡度更大的丘陵地和山地精度合格，故这种分布缺陷并不影响精度评定结论；②在高山地区域对DLG高程注记进行精度评定的检测点比例也非常低，这是因为坡度越大的区域往往采集检测点越困难；由于测区高山地的面积比重太小，且大多是植被覆盖区域，在本项目中为非重点关注区域，因此这个分布缺陷也不影响本项目的精度评定结论。

样本检测点在不同地形区域中的分布统计 表5

此外还可以利用ArcGIS软件继续进行坡向分析，或对单个样本或局部地块可按上述方法进行坡度分析，加强对精度检测工作合理性、科学性的掌握。需要注意的是，上述坡度分析法获得的地形边界不能保证十分精确，只能用于整体分析。

4 结 论

在昆明地区利用高分辨率卫星立体影像按摄影测量立体测图方法生产的 1∶2 000 3D产品精度合格，此技术路线可行；但是当地形条件复杂时也应注意对精度的控制。此外还可得出以下结论：

(1)精度检测时遇到检测点数量不足、分布不均的情况，应对粗差进行核实，避免粗差率统计错误导致精度评定时误判；同时可以考虑更换样本，或将样本按地形及位置组合后进行评定。

(2)将所有检测点汇总进行精度评定，可以在一定程度上弥补样本点位数量和分布的缺陷，掌握产品整体的精度水平。

(3)可以对测区进行坡度分析并将检测点按地形筛选以了解其坡度分布和比重，对精度检测工作本身的质量进行衡量，促进精度检测工作更加科学合理。