高清衛星立體像對測制1∶2 000地形圖的精度研究

羅火箭

(福建省測繪院, 福建 福州 350003)

0 引言

1 實驗數據概況

測試數據是以福建省三明市將樂縣城為中心的25(5×5) km2區域,區域內包含平地、丘陵、山地等地貌,且包含了居民地、交通、水域、管線、植被等各種地形要素。實驗區域數據有兩種數據源,分別是兩景GeoEye-1同軌相鄰衛星影像和兩景WorldView-2同軌相鄰衛星影像,其中GeoEye-1全色影像原始分辨率為0.41 m,多光譜影像原始分辨率1.65 m,區域含云量7.0%,側視角6.8°,WorldView-2全色影像原始分辨率為0.46 m,多光譜影像原始分辨率1.85 m,區域含云量7.9%,側視角24.6°,均包含紅、綠、藍、近紅外四個波段。

MAXAR公司已利用其專有的超分辨率算法,將原始數據全色影像分辨率優化成0.3 m,多光譜影像分辨率優化成1.2 m。該算法充分利用整個MAXAR衛星群的數據獲取能力,對多幅具有互補信息的低分辨率衛星遙感影像進行處理,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數,通過減少像素化來提高圖像的視覺清晰度,使影像美觀精致,邊緣精確,細節重現細膩,最終實現對分辨率的優化。

2 數據處理

對兩種數據源,測試三種情況下有理多項式系數(Rational Polynomial Coefficient,RPC)模型所構建的衛星影像立體像對測圖精度:

(1)野外實地采集控制點校正RPC;

(2)利用原始影像與參考資料匹配出控制點校正RPC;

(3)原始無校正RPC。

根管彎曲，特別是根管入口處彎曲可增加根管治療的難度。上頜第二磨牙髓室及根管系統的變異率更高[1]，狹窄的髓室底視野較差，易導致MB2根管的遺漏，同時也增加了預備MB2的難度。1-2 型MB2是根管上段為1個根管口，中下端分為兩個根管，其發生率約3.7%[2-4]。我們接診了1例上頜第二磨牙根管入口急彎伴近頰根1-2型的患者，現報道如下。

同時對后續制作出的數字正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)、數字地表模型(Digital Surface Model,DSM)、數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)等數字產品查看其精度及成圖效果,處理流程如圖1所示。

圖1 數據處理流程圖

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)、恒星相機和陀螺獲取的星歷參數及姿態參數都存在不同程度的誤差, 會給獲取的RPC帶來一定的誤差,這種誤差一般體現為系統誤差,通過適當的地面控制點就可以將大部分誤差消除,進而獲得更高的定位精度[4]。

本次實驗外業實地采集了30個點,將其中的16個點作為控制點(三角點),14個點作為檢查點(方框點),如圖2所示,將全色衛星影像和初始RPC參數導入到遙感影像處理平臺中,建立平差校正工程,將外業控制點及檢查點坐標導入,依據外業點之記仔細量測外業點,進行平差分析,并對點位進行微調,使其滿足要求,最后得到精準校正后的RPC[5]。

圖2 外業控制點、檢查點點位圖

將全色衛星影像和初始RPC參數導入到遙感影像處理平臺中,利用已有的1∶2 000正射影像作為參考DOM,1∶2 000數字高程模型作為參考DEM,進行控制點匹配,密集匹配出控制點,如圖3所示,并從參考DOM和DEM上分別獲取控制點的平面和高程坐標,再進行區域網平差,剔除粗差大的點,最后利用剔除粗差后的控制點對衛星初始軌道參數進行校正,獲取精準的RPC參數。

圖3 匹配控制點點位圖

利用校正后的全色RPC參數及全色原始影像,在測圖軟件中構建立體像對,進行立體測圖,經過外業調繪、數據編輯得到最終的數字線劃圖(Digital Line Graphic,DLG)[6-7]。本次實驗是為了驗證立體像對測圖精度,僅在立體像對上測制檢查點,并未生產DLG。

在遙感影像處理平臺中,對全色影像和多光譜影像進行匹配配準,利用校正后的全色RPC參數及配準點,對多光譜影像的RPC參數進行校正。利用最終的全色及多光譜RPC和參考DEM,分別對全色和多光譜影像進行正射糾正,對糾正后的全色和多光譜影像進行融合、色彩增強,生成最終的高分辨率彩色正射影像DOM。

在遙感影像處理平臺中,利用構建出的立體像對,進行高精度特征匹配,匹配出數字地表模型DSM,對DSM進行濾波,去除掉建筑物及植被等非地面信息,困難區域輔以人工編輯,得到最終的數字高程模型成果DEM。

3 精度檢測方法

在測區范圍內布設30個影像上清晰易判且實地未發生變化的外業點,野外實地采集其坐標,點位分布均勻,且包括了平地、丘陵、山地等各種地貌,如圖2所示。

對于第一種情況,由于已經將其中的16個點作為控制點,控制點的權重大,已參與平差,不能反映立體像對的真實精度[8],所以只需量測剩下的14個檢查點即可。對于第二和第三種情況,直接將所有的30個外業點當成檢查點,在立體像對上量測出來。

在測圖軟件中打開立體像對,根據外業檢查點之記,在立體像對上的精準量測同名點。將立體像對上量測完的檢查點坐標導出,與野外實測坐標進行比對,分別計算出三種情況下的立體像對測圖中誤差。

將DOM成果與參考DOM資料進行對比,記錄DOM圖面上同名點平面偏差值,計算正射影像平面中誤差,也可將外業檢查點導入到DOM成果圖上,計算出中誤差,由于正射影像上地物投影差的存在,房角點等非地面點需要剔除,不能參與精度評定。

因DSM濾波編輯生成DEM時會有一部分精度損失,為了更好地檢測立體模型匹配精度,直接將匹配出的DSM與參考DEM資料進行比對,分別查看裸露地面上同名點的高程值,對比計算DSM的高程中誤差,同樣,也可將外業檢查點導入到DSM成果圖上,檢查其實測Z坐標與DSM上同XY坐標對應的Z坐標差值,房角點等非地面點也需要剔除,不參與精度評定。

4 精度分析及結論

根據外業實測檢查點坐標,分別計算出三種情況的測圖中誤差、DOM平面中誤差及DSM高程中誤差,如表1所示。

實驗區域主要以丘陵地為主,范圍內有少量平地與山地。因此，本次實驗數據的精度指標按照丘陵地類別來進行判定,國標1∶2 000丘陵地DLG中誤差為0.6 m/0.5 m(平面/高程),DOM平面中誤差為1.2 m,DEM高程中誤差分別為0.7 m[9]。從表1可以看出:

表1 實驗成果中誤差統計表 單位：m

(1)GeoEye-1和WorldView-2無控制點的平面和高程精度在2.5 m左右,考慮人工量測控制點及檢查點時產生的誤差,基本符合優于2.3 m的標稱無控精度。

(2)在控制點參考資料相同、分辨率相同(超分算法優化后)、云量覆蓋相當的情況下,GeoEye-1比WorldView-2的精度高很多,兩者僅有側視角差異較大(6.8°和24.6°),說明側視角對精度的影響比較大,側視角越小,精度越高[10]。

(3)采用實測控制點法校正RPC比匹配控制點法校正RPC精度高,雖然匹配控制點法控制點數量多得多,但其匹配出的控制點精度完全依賴于參考DOM與參考DEM的精度,而參考資料本身成圖過程中存在一定的誤差,所以肯定會對精度造成影響,參考資料精度越高,成果精度也越高。

(4)采用實測控制點法,盡管WorldView-2的側視角高達24.6°,處理后的兩種衛星立體像精度均滿足測制1∶2 000DLG、DOM、DEM要求,由于實驗數據源有限,無法測試出衛星側視角符合測制1∶2 000地形圖精度要求的極限值。

(5)采用匹配控制點法,只有側視角小的GeoEye-1剛好滿足制作測制1∶2 000DLG、DOM、DEM要求,而側視角大的WorldView-2僅有DOM滿足精度要求,且從DOM成圖效果上看,側視角大的DOM圖面上地物拉伸變形較多。

(6)因立體像對是由衛星的同軌相鄰影像構建,衛星軌道高度高,造成重疊度過大,交會角過小,導致立體顯示效果相對于普通航攝像片立體像對偏“陡峭”,視差也更大,會對測圖員的采集造成較大影響,加上原始影像的分辨率是0.3 m,一個像素的偏差即可造成0.3 m的誤差,容錯率更低,因此要使DLG產品整體達到1∶2 000比例尺的精度要求,就需要測圖員全神貫注地去量測每一個地物,這對測圖員來說是一個相當大的挑戰。

綜上所述,可以得出以下結論:MAXAR 30 cm HD立體像對基本符合2.3 m的無控定位標稱精度;采用野外實測控制點校正RPC,可以滿足1∶2 000地形圖測制及相關系列數字產品的生產需求,但該方式生產成本相對較高;采用匹配控制點校正RPC(參考資料精度不低于1∶2 000比例尺),當側視角不大時,也可以滿足以滿足1∶2 000地形圖測制及相關系列數字產品的生產需求,當側視角過大時(數據源所限,暫時無法測試出閾值),不能滿足精度要求,該方法成本相對較低。

5 結束語

當前省級基礎測繪4D產品,基本上是以1∶10 000比例尺為主,1∶2 000比例尺數據產品較少,在部分省自然資源部門的十四五規劃中,已將1∶2 000比例尺4D數據產品的制作的列入基礎測繪計劃之中,并且還需要基于大比例尺產品制作實景三維模型,這對數據的獲取提出了更高的要求。傳統的機載航攝相機獲取技術雖然在精度和清晰度上有一定優勢,但受成本、天氣及空域等因素的影響,其成本高昂,工序繁多,工期較長,且更新較為困難,時效性差。

從上面的實驗可以看出,MAXAR公司提供的30 cm HD立體影像產品原始無控立體像對平面、高程精度可達到2.3 m以內,其下一代衛星群無控定位標稱精度可達1.4 m以內,成像清晰、色彩豐富、辨識度高,在經過適當的處理后,能夠達到1∶2 000制圖的精度需求。加之其重訪周期短,數據獲取便捷,單景影像覆蓋面積大,可以為縣、市、省級1∶2 000比例尺系列數字產品的制作及更新提供強大的數據保障能力,將在自然資源調查與監測、國土空間規劃、基礎測繪更新、實景三維建設等領域發揮重要作用。