大比例正射影像图质量控制技术探讨

邱春晓

(福建省地质测绘院，福州，350011)

由航测生产的大比例尺数字正射影像图(DOM)产品，在军工、交通、规划、国土、农业、林业、水利、海洋等领域的运用越来越广泛，用户对产品精度要求随之变高，与传统的大例尺地形图相比，数字正射影像图具有信息性、时效性、直观性、连续性、时间性、现势性等特点[1]。为土地利用监管、环境监测、地质灾害应急、灾后重建规划、地质勘探调查、城乡规划、道路设计等提供基础用图起了重要保障的作用。随着航测技术的不断提升发展，从模拟胶片到数码像片，影像的地面分辨率可达到0.005 m，甚至更高。随着4D产品的市场大量需求，大比例尺数字正射影像图(以下简称DOM)的影像微分纠正技术也在不断改进，满足精度要求。数字高程模型(以下简称DEM)的选用是影响大比例尺DOM平面精度的首要因素，相对DEM精度不足的部分进行有效编辑处理，使影像既不变形扭曲，又能达到设计要求。

1 数字影像微分纠正

数字影像实际上是对灰度和空间都连续变化的影像，按一定的灰度级和空间分辨率进行离散化处理,并使之成为离散的灰度矩阵。数字正射影像是对中心投影或其他投影方式的数字影像进行投影差改正,一般采用DEM逐像元进行数字微分纠正,使之成为正垂向平行投影的数字影像[2]。

影像数字微分纠正依采用的数学模型可分为参数法(共线方程法)和非参数法(如多项式法)两类。重点讨论共线方程法，航空摄影获取的原始影像由于相机倾斜拍摄或地面高程起伏投影差等引起的像点位移，使得像片上的几何图形与地面上的几何图形产生的变形，即像片上影像比例尺从中心点往外逐渐产生投影差，除中心点同半径圆上比例尺相等外，其余比例尺不相等，需基于DEM进行共线方程纠正(或称数字微分纠正)，经纠正后的影像称为DOM。共线方程组公式[3]：

式中：Z为像点P对应的地面点高程，由DEM内插求得，(х,у)为P的像点坐标，(х0,у0)为像主点的偏移量，(XS，YS，ZS)为摄站的地面坐标，(X,Y)为P对应的地面坐标，f为像机的主距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3为旋转矩阵元素。

外方位元素包括三个角元素(ψ，ω，κ)、三个线元素(XS，YS，ZS)，利用地面控制信息通过平差计算得到，或者利用POS系统测定；内方位元素像主点在像框标坐标系中坐标(х0,у0)及摄影中心到像片的垂距f，一般视为已知，由航飞公司提供航摄参数。基于内、外方位元素就能解出共线方程．在空三加密完成后，影像立体匹配生产DEM点数据集。

2 影像精度控制

2.1 1∶500，1∶1 000，1∶2 000比例尺影像图的精度指标

内业加密点、地物点相对邻近野外控制点的平面位置精度要求(表1)[4]。

表1空三加密测量平面位置精度限差

Table1Theprecisionlimiterrorofplanepositionoftheaerialtriangulationencryptionmeasurement

点类型平地、丘陵地平面中误差山地、高山地平面中误差加密点中误差≤0.4mm≤0.55mm地物点中误差≤0.6mm≤0.8mm

空中三角加密测量是整个航空摄影测量工序中的核心部分，是连接外业与内业信息极为重要的一道工序。利用施测的有限外业像控点，基于像片内的几何特性，通过区域网平差计算获取大量加密点的地面坐标和像片外方位元素，为立体量测和影像解译提供重要基础[5]。平差后加密点的精度限差(表2)。

检查点是用于一级过程检查中检查DOM的平面精度，在立体测图下采集获得明显地物点(道路、田埂、水系、地类界或是明显的地物拐点等)，与DOM的成果套合检查平面精度是否符合设计要求。所谓保密检查点是指在生产过程采用测绘质量监控手段与措施，由检查人员采集检查点，是控制产品质量最重要的环节。

影响DOM平面精度因素包括控制点的精度、空三加密的平差结果和DEM的编辑等。DOM平面精度难以控制，现有生产工序中，并不是DOM产品的纹理清晰就保证了平面精度，若按精编辑的DEM纠正影像，效果不佳，特殊地区反而会造成影像模糊，DEM需要经过一些特殊处理，保证平面位置精度又保证影像清晰，比如坡式的居民地、道路、高架桥等地物。经试验表明，DEM点高程偏高1 m以上，纠正的DOM产品平面精度就有可能超限，为了保证大比例尺DOM精度要求，采集大量检查点检查的同时，必须研究快速有效的技术方法来解决平面精度问题。

表2 绝对定向后平面位置与高程限差[6，7]

注：基本定向点残差为加密点中误差的0.75倍;多余控制点的不符值为加密点中误差的1.25倍;公共点的较差为加密点中误差的2.0倍。

2.2 技术流程

以武夷山测区1∶2 000正射影像生产为例，该测区为满足农村集体土地承包经营权确权登记颁证工作的需要，利用2016年基础航空摄影资料，采用全数字航摄测量技术方法开展1∶2 000的DOM数据生产。为农村集体土地承包经营权确权登记、颁证工作提供现势性好、分辨率高的工作底图[8]。

生产流程: 野外布设控制点→空三加密→生成DEM→DEM裁切→DEM编辑→纠正单片DOM→DOM拼接→采集检查点→过程检查→DOM分幅裁切等工序。

2.2.1 控制点精度

数字航空摄影得到的原始影像地面分辨率为0.06 m/dpi,按航测规范布设229个像片控制点,空三加密平差后像片控制点精度统计(表3)。

表3 空三加密像片控点精度统计

该测区地貌类型多数为山地、高山地，内业加密点相对邻近野外控制点的平面位置统计的误差为0.3 m,该测区的加密成果符合精度要求。

2.2.2 DEM选取

GPS技术、CCD阵列数码扫描技术、惯导技术、激光测距技术、雷达扫描等高端精确技术的紧密融合,出现了诸如GPS辅助航空摄影测量、POS辅助航空摄影测量、LiDAR激光测高扫描系统[9]。

在无外业控制点的情况下，可利用GPS和POS数据进行空中三角测量解算，进行粗略的影像纠正，生成整个加密分区的DOM，为布设像片控制点提供底图，为前期的野外布控、制作点提供了便利，优化空中三角测量的作业流程。

该试验研究在传统的正射影像制作方法上做了重大改进，大块的DEM不再利用单模型生成的DEM进行拼接，该方法生成的DEM存在模型与模型之间的接边问题。为省去拼接问题，在拼接前，先将单模型的DEM沿拼接线边缘裁切，然后人工拼接成大块的DEM。利用INPHO软件平台完成空三加密成果后，直接无缝生成全区匹配的DEM。

选用加密区域生成全区匹配的DEM具有以下优点：①基于INPHO平台具有高效自动匹配、算法先进匹配精度高，匹配参数设置多样化；②根据用户需求选择地形类型，可生成整个测区或任意作业区域无缝拼接的数字地面模型(DTM)等特点。地形类型分别为平地、丘陵、山地或高山地。该方法生成的DEM可不用编辑快拼DOM，生成的DOM可用于布设像片控制点；③对精度不足的部分编辑处理后，既可生成精确的DOM。测区地貌属山地，所以选用山地类进行匹配，DEM格网间距为2 m。

选用加密区域全区匹配的DEM与用单模型DEM拼接成大块的DEM对比，分析表明，单模型拼接的DEM产生的奇变效应未处理用于纠正DOM会造成影像扭曲变形，要处理DEM产生的奇变效应需花费大量的时间，而加密区域全区匹配的DEM无缝拼接除特殊地形需人工编辑处理外，可直接用于纠正DOM，具有明显优势。图1-a中1，2处显示单模型拼接后DEM存在像对边界奇变效应，图1-b加密全区匹配DEM回放地形等高线地形逼真、无缝拼接。

图1 全区与单模型匹配DEM反生成的等高线比对图Fig.1 Contour comparison maps of DEM inverse generation matching with single model in the areaa—单模型拼接后的DEM；b—加密分区匹配的DEM

3 DEM编辑工艺分析

3.1 道路编辑

道路属线状缓变推平面高程模型。如果没有树木或是其它地物遮挡，自动匹配生成的DEM基本可以满足精度要求，反之，若有树木或是其它地物遮挡，匹配的DEM点的位置会在树顶其它地物顶上，直接用于纠正DOM，平面精度往往达不到设计要求，所以这部分DEM需要人工交互编辑，用道路推平的方法，就能解决这一难题。在立体模型画出道路的中心线指定路宽向两边推平，处理路边的等高线，不要让等高线呈堆积状态，否则影像扭曲变形的可能性极大。道路推平前和推平后的DOM与路边界的套合效果比对(图2)，其中，图2-b中(1)位置 DEM点高程高出地形等高线1 m，与检查点套合平面差了2.6 m，(2)位置的DEM点高程高出地形等高线最大值为11 m，与检查点套合平面误差6.5 m。

图2 道路编辑前与编辑后的DEM回放等高线对比图Fig.2 Contour comparison maps of DEM playback of before and after road editinga—编辑前的DEM反生成的等高线；b—编辑前的DEM与检查点的套合误差； c—编辑后的DEM点用道路推平法反生成的等高线；d—编辑后的DEM与检查点套合的效果图

3.2 山地编辑

对于没有线状地物的山地，DEM只需处理等高线堆积的地区，保证树木不变形，若是山地有梯田或是果园、茶园，用量测点内插方法将DEM编辑正确，处理好边沿的等高线，勿让等高线堆积交叉。

3.3 房屋编辑

坡式的房屋容易变形，所以DEM生成的等高线需从上到下平缓过渡，这样解决房屋不容易变形的问题；山坡上独立的房屋可以将房屋范围的DEM置平至地面，房后等高线处理好，不要堆积，一排连一排坡式的房屋，要先保证路面上的DEM点正确，再将房屋下的等高线平缓过渡，保证了平面精度也不易变形。坡式的房屋DEM编辑前后的效果对比图(图3)。

图3 房屋编辑前与编辑后的对比图Fig.3 The comparison chart of a house before editor and after editora—编辑前的DEM反生成的等高线；b—用编辑前DEM纠正的DOM；c—编辑后的DEM反生成的等高线；d—用编辑后DEM纠正的DOM

3.4 高架桥编辑

高架桥影像纠正属疑难技术，高架桥DEM涉及桥面与桥下地物编辑难以控制。若是保证了桥面高程，桥下的地物就难保证；若是保证桥下的地物，桥面的高程不对，而且桥会变型扭曲。有效作法是针对高架桥需编辑两套DEM，首先编辑一套基于桥面DEM,正射纠正生成DOM，再编辑一套基于桥下地物的DEM生成DOM,而后采用影像修补方法将桥两侧编辑在桥下的DOM与桥面的DOM贴合在一起，这样桥面和桥下的地物不仅不会扭曲变形，还保证了平面精度。按该方法编辑的铁路高架桥与大车路并行的效果图(图4)。

图4 高架路(桥)编辑前与编辑后DEM纠正的DOM对比图Fig.4 DEM corrected DOM comparison chart of the elevated road (bridge) before editor and after editora—桥面DEM点回放等高线效果图；b—检查点与编辑前的单DEM纠正的DOM套合的效果图；c—桥下DEM点回放等高线效果图；d—检查点与编辑后的双DEM纠正的DOM套合的效果图

4 DOM产品质量控制

4.1 基于专业平台影像质量检查

质量控制实行的是二级检查、一级验收。即过程检查、最终检查、检查验收，过程检查、最终检查是100%全数检查，检查验收实行的抽样检查，抽样比例为5%。由此可以看出，生产符合国家规范要求的测绘成果质量控制的关键在于过程检查。在生产过程中， 目前能与矢量套合的常用软件有AutoCAD、ArcGIS等，DOM裁切分幅图之前，拼接完成的分块DOM每块大约有2 GB，甚至数据更大。

基于AutoCAD与矢量套合检查平面精度， AutoCAD能打开的影像数据最大为2 GB，进行过程检查时受数据量的影响，严重影响检查员的检查进度。

基于ArcGIS平台进行DOM的质量检查，ArcGIS容纳海量数据的特点，提供了4种用于创建全色锐化图像的融合方法，分别是Brovey变换、HIS变换、ESRI全色锐化变换和简单均值变换[10]。为质量检查提供了各种选择，平面精度检查、影像纹理质量、分块间接边检查可同步进行。大大提高了检查进度。DOM空间参考系的检查用已有的相同坐标系的图件进行套合检查，若是已有图件与其坐标系统不相同，可以进行图形转换相同坐标系，然后再进行套合检查。

4.2 影像质量综合评估

4.2.1 成果分类

DOM产品颜色分为全色和彩色两类，全色代号为D，彩色代号为C。

4.2.2 成果要求

(1)坐标系采用2000国家大地坐标系，必要时，亦可采用依法批准的独立坐标系。地图投影采用高斯-克吕格投影，按3°分带，必要时按1.5°分带。

(2)DOM的分幅与编号应符合GB/T 20257.1的规定。

(3)大比例尺DOM影像地面分辨率应优于0.0001M米(M为比例尺分母)。

(4)DOM是由二维像元构成的栅格数据。水平方向为行，顺序从上至下排列；垂直方向为列，顺序从左至右排列；左上角第一个像元的栅格坐标定为(0，0)，对应的高斯平面坐标(X起，Y起)为DOM的起始点。一般情况下，栅格坐标系平行于平面坐标系，DOM栅格的平面坐标值应为像元分辨率的整数倍。

(5)DOM按正方形或矩形分幅时，以GB/T 20257.1规定的图幅向四边扩展(图上约10 mm)提供数据；按梯形分幅时，以GB/T 20257.1规定的图幅内图廓线最小外接矩形，向四边扩展，以矩形覆盖范围为单位提供数据。

4.2.3 影像精度

(1)大比例DOM明显地物点的平面位置中误差：平地、丘陵地图上中误差≤0.6 mm，山地、高山地图上中误差≤0.8 mm，平面位置中误差的两倍为其最大误差。DOM应与相邻影像图接边精度，接边误差不应大于2像元。

(2)在保证空三加密成果的精度符合规范要求下，引用加密成果建立体模型，采集一部分有特征的保密检查点，如道路、田埂、水系、桥梁等等进行套合检查。

(3)过程检查结束并修改完成后，对最终的成果作精度评估，即采集DOM上的明显地物点，如路交叉、居民地内的水泥地角点、花圃拐角点等，然后在立体状态下采集同名点，生成坐标表格，求算中误差△d=△立体-△平面，评定精度，最大误差不大于2倍中误差，否则返回修改，直至精度达标为止。该测区中误差为0.11 m, 最大误差为0.381 m,最小误差为0 m。

4.2.4 影像质量

(1)根据生产使用数据源的不同，数字正射影像图的色彩模式分为全色和彩色两种模式，全色影像为8位(bit)存储格式，彩色影像则为24位(bit)存储格式。

(2)避免出现因影像缺损。如影像的纹理不清、噪声、影像模糊、影像扭曲、错开、裂缝、漏洞、污点、划痕等，而造成无法判读影像信息和精度的损失。

4.2.5 质量检验

大例尺正射影像图的质量检验要求应符合GB/T 18316国家标准 、CH/T9008.3-2010行业标准的要求。

5 结语

DOM的质量控制元素包括空间参考系、平面位置精度、逻辑一致性、影像质量、附件质量，其中空间参考系与平面位置精度为重要元素。空间参考系关键在于前期控制点的坐标系统的选择正确性，这项在层层检查控制下很难出错。而平面位置精度的控制无论是传统VirtuoZo3.3、Jx4平台的的制作，还是像素工厂、INPHO、EPT2009、DPGRID系统制作，都有人机交互的操作流程。通过探讨、研究大比例尺DOM产品利用检查点和平面精度评估质量控制技术、DEM的选用和人机交互部分关键点的编辑分析，对平面位置精度进行有效控制，不仅满足规范要求，还大大提高了生产效率。

本文在写作过程承蒙张书煌教授级高级工程师的悉心指导、审稿，在此表示衷心感谢。

1 杨勇.基于VirtioZo系统的数字城市数据生产制作研究.科技资讯，2016.14(11).

2 周思怡，周茂春.基于Inpho 摄影测量系统数字正射影像图的制作.江西科学，2015，33(6).

3 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉大学出版社，2012.

4 GB/T 17160-2008 1∶500、1∶1000、1∶2000地形图数字化规范.

5 曹正响.1∶10000数字高程模型生产中质量控制环节和技术分析，测绘标准化，2016,32(2).

6 CH/T 3007.1-2011 数字航空摄影测量测图规范.

7 CH/T 9008.3-2010 基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字正射影像图.

8 翟娜，王静茹，武晓莉.低空无人机在农村土地承包经营权确权中的应用.测绘标准化，2016,32(3).

9 肖志婷，郝娜.数字航空摄影测量数据处理关键技术探讨.测绘与空间地理信息，2014,(7).

10 乔玉良，尚彦玲，魏信.遥感图像融合方法研究.气象与环境科学，2010,33(1).