基于高精度4D数据库的DOM生产方案探讨及精度比较

王玮龙

(南京长天测绘技术有限公司,江苏 南京 211100)

0 引 言

目前,作为社会基础性、公益性事业的国家基础测绘工作正在如火如荼地进行。对于大范围的基础测绘产品的获取,最常用的方法还是采用航空摄影测量的手段。但为了将空中三角测量中的立体模型纳入到相应的大地坐标系中,这就需要外业工作人员到实地去勘测获取像片控制点。外业像控不仅耗费较大的人力物力,而且经常容易受到天气的影响,周期较长,从而影响整体项目的推进进度。考虑到江苏基础测绘经过几轮五年规划的发展,已经积累了较丰富的4D数据库产品。因此,本着节约成本提高生产效率的目的,对于江苏省后续新一轮基础测绘1∶1万DOM的生产,本文尝试利用这些现成的精度可靠的资料,进行试验区1∶1万DOM的试验生产,探索分别运用光束法区域网空中三角形测量、单片空间后方交会、GPS辅助空中三角测量等方法进行校正生产DOM的几种方案[1-2],并比较了不同纠正方案对应的成果精度。

1 试验区概况及数据情况

1.1 试验区概况

试验区域位于江苏省长江南岸常州市新北区西北部的孟河镇一带,北靠长江,区域内大部为2～10 m左右的平坦地区,在试验区域中上部有小部分东西走向丘陵,最高海拔92.1 m。东西长约15 km,南北宽约11 km,面积约为165 km2。其范围如图1所示。

图1 试验测区图

1.2 已有基础测绘成果数据

平面控制资料:控制点平面坐标采用1980西安坐标系,采集自江苏省2001年基础测绘1∶1万DOM成果(实际上该批次基础测绘成果是按照1∶5 000成图规范要求生成的,地面分辨率为0.5 m)。以JX-4数字摄影测量工作站为工作平台,采用光束法区域网空中三角测量加密校正及制作的。经江苏省测绘产品质量监督检验站检测验收,平面精度满足1∶5 000DOM成图精度要求。

高程控制资料:高程采用1985年国家高程基准。控制点高程采集自2001年基础测绘1∶1万DEM成果(5 m间隔)。以JX-4数字摄影测量工作站为工作平台,采用光束法区域网空中三角测量加密校正及制作的。经江苏省测绘产品质量监督检验站检测验收,平面精度优于1∶1万DEM成图要求。

地形投影差的改正源:来自2001年基础测绘1∶1万DEM成果(5 m间隔)。与控制高程资料来源相同。

监督检查参考源:使用2006年4月常州市区土地更新调查1∶5 000DOM成果(0.5 m分辨率)作为精度检测依据。该成果是在Erdas Imagine遥感图像处理系统平台上的LPS(Leica Photogrammetry Suite)模块中,采用光束法区域网空中三角测量加密校正制作的,经江苏省测绘产品质量监督检验站检测验收,平面精度满足1∶5 000成图要求,其地形投影差改正也是采用2001年基础测绘1∶1万DEM成果。

1.3 航摄数据

航摄资料为2006年4月第二轮基础测绘常泰测区航空摄影资料,航空摄影机的相关参数如表1所示。框标坐标如表2所示。

表1 航摄相机参数表

表2 航摄资料中框标坐标表

航摄比例尺为1∶2万,行高为3 km,灰度级影像航片。航片经由Intergraph 公司的PhotoScan扫描仪扫描转为数字影像,扫描分辨率为21 μm,换算实地分辨率约为0.42 m,扫描后航片如图2所示。

图2 试验测区航片图

2 试验方案

Erdas Imagine是美国ERDAS公司开发的遥感图像处理系统[3]。它以其先进的图像处理技术,友好、灵活的用户界面和操作方式,面向广阔应用领域的产品模块,服务于不同层次用户的模型开发工具以及高度的RS/GIS(遥感图像处理和地理信息系统)集成功能,为遥感及相关应用领域的用户提供了内容丰富而功能强大的图像处理工具。

Erdas数字摄影测量软件包LPS(Leica Photogrammetry Suite)是在Erdas Imagine遥感图像处理系统上运行的多用途的软件产品,可以对来自不同类型相机及卫星传感器的图像进行快速和精确的三角测量和正射校正。

Erdas Imagine遥感图像处理系统的数据预处理模块Dataprep由一组实用的图像数据处理工具构成,其中Image Geometric Correction子模块也同样可以对图像进行几何校正[4-10]。

本文的试验主要在Erdas平台上进行,结合LPS模块和Data Perparation模块,采用光束法区域网空中三角测量校正、单片空间后方交会校正、GPS辅助空中三角测量校正等3种方法,各选用高密控制点布网和低密控制点布网两种情况来实施,模拟不同的实地条件,以期获得更多的比较结果加以分析。具体实施方案有6种(图3):

图3 6种方案作业流程图

A.无外方位元素预测的区域网校正(16控制点)。

B.有外方位元素预测的区域网校正(5控制点)。

C.单片空间后方交会校正(13控制点)。

D.单片空间后方交会校正(6控制点)。

E.精确外方位元素(等权值)预测无控制点的区域网校正。

F.有概略外方位元素(不等权值)预测无控制点的区域网校正。

方案A是我们以Erdas Imagine遥感图像处理系统平台LPS模块进行加密的常规作业校正方法,常州土地利用调查1∶5 000DOM、海门测区1∶5 000DOM的制作就是采用了该方法。我们认为它是作业方法比较成熟、校正精度能够达到规范要求的一种方法。对其后5种方法的适宜性和精度优劣基本上都是相对于这种方法来说的。而对于数据源等的精度是否满足校正要求也是主要依据该种校正方法来说的。

方案B是为了检验通过影像自动匹配获得的连接点(Tie)的效率及检验在Erdas Imagine遥感图像处理系统平台下的LPS模块中以最低密度要求布控的校正精度,以期在今后生产中是否可以降低控制网布点密度,仍然可以获得可靠的精度。

方案C是为了检验在实地状况不允许布设控制网来实施方案A时,是否可以通过采用单片空间后方交会校正的方法提供合格的DOM数据。

方案D是为了检验在单片空间后方交会校正中,若选点条件不好,只提供最低要求的6个控制点,单片空间后方交会校正的方法是否可以满足校正精度的要求。

方案E正是利用方法A计算得到的外方位元素数据来模拟航摄机提供的GPS-IMU机载定位定向系统POS的导航数据,来检验在LPS模块中进行利用GPS数据的光束法区域网平差校正出的DOM数据的精度。

方案F是假设无航摄机提供的POS导航数据,采用在已有资料上概略选取像主点坐标及行高、航向来模拟导航数据的数值,来检验在LPS模块中进行无精确导航信息的利用GPS数据的光束法区域网平差校正出的DOM数据的精度。

为方便起见,下文以A、B、C、D、E、F来分别代替以上6种校正方案。

3 精度统计与分析

本次试验的精度检测参考源为2006年4月常州市区土地更新调查1∶5 000DOM成果(0.5 m分辨率)。采用在参考源和试验成果数据上选取同名点影像进行坐标较差的精度检测方法,统计精度指标。将其与相关规范比较,判断其是否符合精度要求。精度检验时,区分平坦地区和丘陵地区分别进行比较。对于平坦地区,选择3条航线,每航线3片共9张航片进行比较实验,每张航片分别选取:航片中心附近、左上、左下、右下、右上共5个采样点,总共45个采样点。对于丘陵地区,选择1条航线3张航片进行比较试验(本试验测区只有一条航线存在丘陵地貌),每张航片在判读为丘陵地区的影像上选取10个采样点,总共30个采样点进行比较。统计结果如表3所示。

由表3可知,6种方案的精度由高到低,平坦地区依次为E、B、C、D、A、F;丘陵地区依次为E、B、D、C、A、F。6种校正方案中,方案E的校正精度符合规范要求,并且相对最好,方案B、D、C、A的校正精度符合规范要求,方案F的校正精度不符合规范要求。

4 结 语

利用江苏省2001年基础测绘1∶1万DOM成果为平面控制、江苏省2001年基础测绘1∶1万DEM成果作为高程控制,以Erdas Imagine遥感图像处理系统作为工作平台,采用不同的几何纠正方案,进行1∶1万DOM生产,可以得出如下结论:

(1)利用已有成果数据,方案A、B、C、D、E都能满足1∶1万DOM生产规范的精度要求。

(2)选取符合规范精度要求的DEM用于地形投影差的改正,所生成的DOM成果,平坦地区和丘陵地区的平面精度基本相当,但由于本次检测的样本数并不完全一致,故该成果仅有一定借鉴参考意义。

本次试验的结果表明,Erdas Imagine遥感图像处理系统的数种技术和方法完全可以进行基础测绘的生产,并且能够充分体现出Erdas Imagine遥感图像处理系统快速、高效、智能、自动化程度高的特点。同时,本次试验也验证了在保证数据精确性和现势性的前提下,可以用高等级精度的4D产品资料来实施的低等级精度4D产品的生产,其精度可以满足相应生产规范的要求。

由于资料有限,本次试验可能存在一定的局限性,在后续的应用研究中,将采用多种典型类型的数据对本文的结论进行进一步的验证。