高清卫星立体像对测制1∶2 000地形图的精度研究

罗火箭

(福建省测绘院, 福建 福州 350003)

0 引言

1 实验数据概况

测试数据是以福建省三明市将乐县城为中心的25(5×5) km2区域,区域内包含平地、丘陵、山地等地貌,且包含了居民地、交通、水域、管线、植被等各种地形要素。实验区域数据有两种数据源,分别是两景GeoEye-1同轨相邻卫星影像和两景WorldView-2同轨相邻卫星影像,其中GeoEye-1全色影像原始分辨率为0.41 m,多光谱影像原始分辨率1.65 m,区域含云量7.0%,侧视角6.8°,WorldView-2全色影像原始分辨率为0.46 m,多光谱影像原始分辨率1.85 m,区域含云量7.9%,侧视角24.6°,均包含红、绿、蓝、近红外四个波段。

MAXAR公司已利用其专有的超分辨率算法,将原始数据全色影像分辨率优化成0.3 m,多光谱影像分辨率优化成1.2 m。该算法充分利用整个MAXAR卫星群的数据获取能力,对多幅具有互补信息的低分辨率卫星遥感影像进行处理,重建出一幅或多幅高分辨率影像[3],它可以智能地增加像素数,通过减少像素化来提高图像的视觉清晰度,使影像美观精致,边缘精确,细节重现细腻,最终实现对分辨率的优化。

2 数据处理

对两种数据源,测试三种情况下有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficient,RPC)模型所构建的卫星影像立体像对测图精度:

(1)野外实地采集控制点校正RPC;

(2)利用原始影像与参考资料匹配出控制点校正RPC;

(3)原始无校正RPC。

根管弯曲，特别是根管入口处弯曲可增加根管治疗的难度。上颌第二磨牙髓室及根管系统的变异率更高[1]，狭窄的髓室底视野较差，易导致MB2根管的遗漏，同时也增加了预备MB2的难度。1-2 型MB2是根管上段为1个根管口，中下端分为两个根管，其发生率约3.7%[2-4]。我们接诊了1例上颌第二磨牙根管入口急弯伴近颊根1-2型的患者，现报道如下。

同时对后续制作出的数字正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)、数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)、数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)等数字产品查看其精度及成图效果,处理流程如图1所示。

图1 数据处理流程图

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、恒星相机和陀螺获取的星历参数及姿态参数都存在不同程度的误差, 会给获取的RPC带来一定的误差,这种误差一般体现为系统误差,通过适当的地面控制点就可以将大部分误差消除,进而获得更高的定位精度[4]。

本次实验外业实地采集了30个点,将其中的16个点作为控制点(三角点),14个点作为检查点(方框点),如图2所示,将全色卫星影像和初始RPC参数导入到遥感影像处理平台中,建立平差校正工程,将外业控制点及检查点坐标导入,依据外业点之记仔细量测外业点,进行平差分析,并对点位进行微调,使其满足要求,最后得到精准校正后的RPC[5]。

图2 外业控制点、检查点点位图

将全色卫星影像和初始RPC参数导入到遥感影像处理平台中,利用已有的1∶2 000正射影像作为参考DOM,1∶2 000数字高程模型作为参考DEM,进行控制点匹配,密集匹配出控制点,如图3所示,并从参考DOM和DEM上分别获取控制点的平面和高程坐标,再进行区域网平差,剔除粗差大的点,最后利用剔除粗差后的控制点对卫星初始轨道参数进行校正,获取精准的RPC参数。

图3 匹配控制点点位图

利用校正后的全色RPC参数及全色原始影像,在测图软件中构建立体像对,进行立体测图,经过外业调绘、数据编辑得到最终的数字线划图(Digital Line Graphic,DLG)[6-7]。本次实验是为了验证立体像对测图精度,仅在立体像对上测制检查点,并未生产DLG。

在遥感影像处理平台中,对全色影像和多光谱影像进行匹配配准,利用校正后的全色RPC参数及配准点,对多光谱影像的RPC参数进行校正。利用最终的全色及多光谱RPC和参考DEM,分别对全色和多光谱影像进行正射纠正,对纠正后的全色和多光谱影像进行融合、色彩增强,生成最终的高分辨率彩色正射影像DOM。

在遥感影像处理平台中,利用构建出的立体像对,进行高精度特征匹配,匹配出数字地表模型DSM,对DSM进行滤波,去除掉建筑物及植被等非地面信息,困难区域辅以人工编辑,得到最终的数字高程模型成果DEM。

3 精度检测方法

在测区范围内布设30个影像上清晰易判且实地未发生变化的外业点,野外实地采集其坐标,点位分布均匀,且包括了平地、丘陵、山地等各种地貌,如图2所示。

对于第一种情况,由于已经将其中的16个点作为控制点,控制点的权重大,已参与平差,不能反映立体像对的真实精度[8],所以只需量测剩下的14个检查点即可。对于第二和第三种情况,直接将所有的30个外业点当成检查点,在立体像对上量测出来。

在测图软件中打开立体像对,根据外业检查点之记,在立体像对上的精准量测同名点。将立体像对上量测完的检查点坐标导出,与野外实测坐标进行比对,分别计算出三种情况下的立体像对测图中误差。

将DOM成果与参考DOM资料进行对比,记录DOM图面上同名点平面偏差值,计算正射影像平面中误差,也可将外业检查点导入到DOM成果图上,计算出中误差,由于正射影像上地物投影差的存在,房角点等非地面点需要剔除,不能参与精度评定。

因DSM滤波编辑生成DEM时会有一部分精度损失,为了更好地检测立体模型匹配精度,直接将匹配出的DSM与参考DEM资料进行比对,分别查看裸露地面上同名点的高程值,对比计算DSM的高程中误差,同样,也可将外业检查点导入到DSM成果图上,检查其实测Z坐标与DSM上同XY坐标对应的Z坐标差值,房角点等非地面点也需要剔除,不参与精度评定。

4 精度分析及结论

根据外业实测检查点坐标,分别计算出三种情况的测图中误差、DOM平面中误差及DSM高程中误差,如表1所示。

实验区域主要以丘陵地为主,范围内有少量平地与山地。因此，本次实验数据的精度指标按照丘陵地类别来进行判定,国标1∶2 000丘陵地DLG中误差为0.6 m/0.5 m(平面/高程),DOM平面中误差为1.2 m,DEM高程中误差分别为0.7 m[9]。从表1可以看出:

表1 实验成果中误差统计表 单位：m

(1)GeoEye-1和WorldView-2无控制点的平面和高程精度在2.5 m左右,考虑人工量测控制点及检查点时产生的误差,基本符合优于2.3 m的标称无控精度。

(2)在控制点参考资料相同、分辨率相同(超分算法优化后)、云量覆盖相当的情况下,GeoEye-1比WorldView-2的精度高很多,两者仅有侧视角差异较大(6.8°和24.6°),说明侧视角对精度的影响比较大,侧视角越小,精度越高[10]。

(3)采用实测控制点法校正RPC比匹配控制点法校正RPC精度高,虽然匹配控制点法控制点数量多得多,但其匹配出的控制点精度完全依赖于参考DOM与参考DEM的精度,而参考资料本身成图过程中存在一定的误差,所以肯定会对精度造成影响,参考资料精度越高,成果精度也越高。

(4)采用实测控制点法,尽管WorldView-2的侧视角高达24.6°,处理后的两种卫星立体像精度均满足测制1∶2 000DLG、DOM、DEM要求,由于实验数据源有限,无法测试出卫星侧视角符合测制1∶2 000地形图精度要求的极限值。

(5)采用匹配控制点法,只有侧视角小的GeoEye-1刚好满足制作测制1∶2 000DLG、DOM、DEM要求,而侧视角大的WorldView-2仅有DOM满足精度要求,且从DOM成图效果上看,侧视角大的DOM图面上地物拉伸变形较多。

(6)因立体像对是由卫星的同轨相邻影像构建,卫星轨道高度高,造成重叠度过大,交会角过小,导致立体显示效果相对于普通航摄像片立体像对偏“陡峭”,视差也更大,会对测图员的采集造成较大影响,加上原始影像的分辨率是0.3 m,一个像素的偏差即可造成0.3 m的误差,容错率更低,因此要使DLG产品整体达到1∶2 000比例尺的精度要求,就需要测图员全神贯注地去量测每一个地物,这对测图员来说是一个相当大的挑战。

综上所述,可以得出以下结论:MAXAR 30 cm HD立体像对基本符合2.3 m的无控定位标称精度;采用野外实测控制点校正RPC,可以满足1∶2 000地形图测制及相关系列数字产品的生产需求,但该方式生产成本相对较高;采用匹配控制点校正RPC(参考资料精度不低于1∶2 000比例尺),当侧视角不大时,也可以满足以满足1∶2 000地形图测制及相关系列数字产品的生产需求,当侧视角过大时(数据源所限,暂时无法测试出阈值),不能满足精度要求,该方法成本相对较低。

5 结束语

当前省级基础测绘4D产品,基本上是以1∶10 000比例尺为主,1∶2 000比例尺数据产品较少,在部分省自然资源部门的十四五规划中,已将1∶2 000比例尺4D数据产品的制作的列入基础测绘计划之中,并且还需要基于大比例尺产品制作实景三维模型,这对数据的获取提出了更高的要求。传统的机载航摄相机获取技术虽然在精度和清晰度上有一定优势,但受成本、天气及空域等因素的影响,其成本高昂,工序繁多,工期较长,且更新较为困难,时效性差。

从上面的实验可以看出,MAXAR公司提供的30 cm HD立体影像产品原始无控立体像对平面、高程精度可达到2.3 m以内,其下一代卫星群无控定位标称精度可达1.4 m以内,成像清晰、色彩丰富、辨识度高,在经过适当的处理后,能够达到1∶2 000制图的精度需求。加之其重访周期短,数据获取便捷,单景影像覆盖面积大,可以为县、市、省级1∶2 000比例尺系列数字产品的制作及更新提供强大的数据保障能力,将在自然资源调查与监测、国土空间规划、基础测绘更新、实景三维建设等领域发挥重要作用。