以高分辨率衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源的1∶2000 3D產(chǎn)品精度檢測及分析

田海濤，倪曙，朱發(fā)浩，徐焰

(昆明市測繪研究院，云南 昆明 650051)

1 引 言

與航空攝影測量相比，遙感衛(wèi)星影像具有覆蓋范圍廣、獲取周期短、受地域及氣候條件限制低等優(yōu)勢；尤其是近年來以WorldView-3為代表的高分辨率光學遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)，極大地拓寬了遙感影像的實際應用，所獲取的高達分米級別的高分辨率立體影像為測制大比例尺3D產(chǎn)品提供了條件。昆明市滇中新區(qū)某片區(qū)1∶2 000 3D產(chǎn)品(DLG、DEM、DOM)生產(chǎn)項目就采用了以WorldView-3立體影像為數(shù)據(jù)源按攝影測量立體測圖方法生產(chǎn)的技術路線。本文在此項目基礎上野外實測檢測點對產(chǎn)品進行了精度檢測，評定了產(chǎn)品精度、驗證了較復雜地形條件下此技術路線的可行性，并通過對精度統(tǒng)計結果進行研究得出了相關結論。

2 項目基本情況

昆明市滇中新區(qū)某片區(qū)1∶2 000 3D產(chǎn)品制作項目的生產(chǎn)面積約 159.5 km2，測區(qū)位于昆明主城區(qū)東北方向，南側緊鄰昆明長水國際機場；測區(qū)地形以平地丘陵地為主，部分區(qū)域為山地。昆明市測繪研究院在生產(chǎn)前對項目進行了分析：①測區(qū)緊鄰機場，空域限制嚴格，采用航空攝影測量方法難以協(xié)調(diào)；②測區(qū)面積大、地形比較復雜、工期緊，采用野外數(shù)字測圖難以保證工期；③利用WorldView-3高分辨率衛(wèi)星影像立體測圖生產(chǎn)1∶2 000 3D產(chǎn)品的方法已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)得到了理論驗證和實際應用，昆明市測繪研究院也在昆明城區(qū)進行過實驗證實了方法的可行性，本項目測區(qū)地形相比城區(qū)較復雜，因此確定項目采用高分辨率衛(wèi)星影像立體測圖的方法進行生產(chǎn)，如局部地區(qū)精度不能保證則以輔助方法加強。

昆明市測繪研究院共采購了3組2019年2月份的WorldView-3立體像對作為數(shù)據(jù)源，項目的基本生產(chǎn)路線如圖1所示。

圖1 項目基本技術路線

項目自2020年8月初開始～2020年10月底完成了生產(chǎn)，順利提交昆明市測繪研究院質檢中心進行最終檢查。

3 精度檢測及結果分析

3.1 數(shù)學精度檢測與評定

測區(qū)共涉及CGCS2000坐標系下195個1∶2 000圖幅的3D產(chǎn)品(可折合為159.5個滿幅數(shù)據(jù))，根據(jù)國標《數(shù)字測繪成果質量檢查與驗收》檢測樣本不能少于13個滿幅產(chǎn)品，最終檢查時為確保檢測結果又適當增加了樣本數(shù)量(分布如圖2所示)。

精度檢測結果如表1所示。

圖2 項目3D產(chǎn)品最終檢查的樣本分布

精度統(tǒng)計的基本情況 表1

通過精度檢測結果以及各樣本內(nèi)的誤差大小和分布情況，可得出以下結論：

(1)各樣本內(nèi)無明顯系統(tǒng)誤差存在；

(2)各樣本的粗差率均未超限(規(guī)范規(guī)定不大于5%)；

(3)各樣本的中誤差均未超限，符合精度指標。

因此，可評定該項目1∶2 000 3D產(chǎn)品的數(shù)學精度“批合格”。

3.2 結果分析及檢測遇到的困難

(1)通過表1中的精度檢測結果以及各樣本內(nèi)的誤差情況可以看出：

①山地地形樣本的中誤差大于丘陵地地形樣本的中誤差，說明采用高分辨率衛(wèi)星影像按攝影測量立體測圖的方法生產(chǎn) 1∶2 000 3D產(chǎn)品時，坡度越大，誤差也越大。

②雖然樣本中誤差均未超限，但部分偏大，甚至已臨近允許值，因此利用此技術路線生產(chǎn) 1∶2 000 3D產(chǎn)品，當面對地形比較復雜的區(qū)域時需做好采取輔助手段加強精度控制的準備。

(2)雖然對產(chǎn)品的精度檢測和評定工作已經(jīng)完成，但是在檢測過程中發(fā)現(xiàn)存在兩個明顯特點：

廣西ETC發(fā)展制約因素分析及其對策………………………………………………………………………………… 宋 ?。?/23）

①外業(yè)檢測點的數(shù)量難以完全保證。由于昆明地區(qū)的氣候特點，城郊區(qū)域往往存在大片植被覆蓋，加之部分區(qū)域存在現(xiàn)場施工、難以進入等情況，導致個別樣本內(nèi)難以布設足夠數(shù)量的檢測點，如圖3所示。

圖3 檢測點數(shù)量不足情況示意

當參與精度統(tǒng)計的檢測點數(shù)量不足20個時，雖然中誤差可以用算術平均值代替，但如果出現(xiàn)一個粗差則粗差率超限(規(guī)范規(guī)定不能大于5%)，因此對采集檢測點的質量要求非常嚴格。

②外業(yè)檢測點的分布難以實現(xiàn)充分均勻。分布均勻不僅是指檢測點的空間位置，還應包含檢測點的采集位置需適當兼顧各種代表性地物、地形，而昆明地區(qū)乃至整個云南省的整體地形以山地為主，地形坡度較大的區(qū)域往往植被覆蓋較多，難以采集檢測點，而地勢平緩區(qū)域點位相比更加密集(如圖3所示)。

3.3 解決方案

對于上述問題，結合實際經(jīng)驗可采取以下方法進行解決。

(1)提高檢測點的選點質量；對粗差點位進行實地核實，避免粗差率統(tǒng)計錯誤導致精度評定誤判。

例如在對DLG樣本“2 787.0-599.0”進行平面位置精度檢測時，原本布設的17個檢測點中出現(xiàn)了1個粗差，粗差率達到了5.9%，因粗差率超限而判定成果不合格；但是在返改復查過程中生產(chǎn)人員發(fā)現(xiàn)實際位置的精度并不存在超限情況，造成粗查出現(xiàn)的原因是該點位現(xiàn)場為機耕路路口，存在季節(jié)性和臨時性變化影響(如圖4所示)。因此該點位選點質量不佳，不應作為檢測點參與精度統(tǒng)計。

圖4 實測點位與本項目DOM以及昆明市測繪研究院其他DOM的比對

(2)樣本內(nèi)檢測點在選點或施測特別困難時，可考慮更換樣本或將以樣本組合為單位進行精度統(tǒng)計。

例如對DOM成果進行平面精度統(tǒng)計時，16個樣本中有8個樣本的檢測點數(shù)量均不足20個。最終以“樣本位置相鄰或相近、整體地形相同”的原則將樣本2個為一組進行了精度評定。如表2所示。

DOM平面精度檢測統(tǒng)計表 表2

(3)將所有檢測點匯總進行精度統(tǒng)計，有助于掌握成果整體的精度水平，在一定程度上彌補局部點位不足的缺陷。匯總統(tǒng)計結果如表3所示。

精度統(tǒng)計情況 表3

部分產(chǎn)品的誤差分布情況 表4

從表3可以看出，檢測點的數(shù)量不足突出表現(xiàn)在DLG等高線的精度檢測工作中，主要原因是等高線大多位于坡度較大的區(qū)域，加之植被影響較大，故采集的點位較少。

(4)可以將匯總后的檢測點按不同地形類別進行統(tǒng)計，進一步掌握檢測點的分布質量。

①對測區(qū)進行坡度計算：在ArcGIS中加載測區(qū)整體DEM，打開工具“3DAnalyst ToolsRaster SurfaceSlope”設置參數(shù)進行坡度計算(如圖5所示)。

圖5 測區(qū)坡度分析結果

計算結果顯示測區(qū)的坡度均值為5.26°，因此測區(qū)屬于丘陵地地形，接近山地地形。

②對坡度計算結果重分級：右鍵點擊坡度計算結果文件“屬性”，在“SymbologyClassified”中設置“Classes”為4，“Classify”中依次按2、6、25、90設置坡度斷值；選擇“Spatial Analyst ToolsReclassReclassify”對坡度文件進行重分級(values值按坡度選擇)，由此可獲得不同地形區(qū)域所占的格網(wǎng)數(shù)，繼而可計算出測區(qū)不同地形類別所占面積的比重。

③重分級結果柵格轉矢量面：用“Conversion ToolsFrom RasterRaster to Polygen”工具轉換。

④用矢量面文件按位置篩選檢測點，可以獲得不同地形區(qū)域所占檢測點的數(shù)量和比重(如表5所示)。

根據(jù)表5可以確定測區(qū)的平地、丘陵地面積占總面積的69.5%，按地形類別衡量，檢測點的分布在個別檢測項上是有缺陷的：①平地區(qū)域的檢測點比重整體過低，丘陵地山地偏高，與對應的面積比重不協(xié)調(diào)；這是由于抽樣樣本的平地比重較低的原因造成的，由于坡度更大的丘陵地和山地精度合格，故這種分布缺陷并不影響精度評定結論；②在高山地區(qū)域對DLG高程注記進行精度評定的檢測點比例也非常低，這是因為坡度越大的區(qū)域往往采集檢測點越困難；由于測區(qū)高山地的面積比重太小，且大多是植被覆蓋區(qū)域，在本項目中為非重點關注區(qū)域，因此這個分布缺陷也不影響本項目的精度評定結論。

樣本檢測點在不同地形區(qū)域中的分布統(tǒng)計 表5

此外還可以利用ArcGIS軟件繼續(xù)進行坡向分析，或對單個樣本或局部地塊可按上述方法進行坡度分析，加強對精度檢測工作合理性、科學性的掌握。需要注意的是，上述坡度分析法獲得的地形邊界不能保證十分精確，只能用于整體分析。

4 結 論

在昆明地區(qū)利用高分辨率衛(wèi)星立體影像按攝影測量立體測圖方法生產(chǎn)的 1∶2 000 3D產(chǎn)品精度合格，此技術路線可行；但是當?shù)匦螚l件復雜時也應注意對精度的控制。此外還可得出以下結論：

(1)精度檢測時遇到檢測點數(shù)量不足、分布不均的情況，應對粗差進行核實，避免粗差率統(tǒng)計錯誤導致精度評定時誤判；同時可以考慮更換樣本，或將樣本按地形及位置組合后進行評定。

(2)將所有檢測點匯總進行精度評定，可以在一定程度上彌補樣本點位數(shù)量和分布的缺陷，掌握產(chǎn)品整體的精度水平。

(3)可以對測區(qū)進行坡度分析并將檢測點按地形篩選以了解其坡度分布和比重，對精度檢測工作本身的質量進行衡量，促進精度檢測工作更加科學合理。