數字正射影像質量檢驗的實踐與經驗★

陳 蓉，王 博

(1.武漢交通職業學院交通工程學院，湖北 武漢 430065； 2.湖北省測繪質量監督檢查站，湖北 武漢 430074)

0 引言

數字正射影像(DOM, Digital Orthophoto Map)是利用遙感影像生成數字地面模型(DEM)后進行數字微分糾正并經過鑲嵌和勻光勻色處理生成的影像，DOM同時具有地圖幾何精度和影像物理特性，擁有數學精度高、紋理豐富、直觀、宏觀等優點，可作為多領域的基礎參考數據[1]。目前數字正射影像在測繪遙感、智慧城市、環保督查、“違建別墅”等多領域發揮著越來越大的作用，其遙感獲取方式(高、中、低空)也在不斷豐富，在制作大面積數字正射影像時，往往采用傳統有人固定翼飛機或三角翼飛機進行航空攝影，隨著近年無人機廣泛應用，無人機航空攝影也成為一種重要手段[2-4]，比如分散的作業區或者面積不大的區域，采用的是固定翼或旋翼型無人機進行傳統航空攝影或者傾斜攝影能快速獲取數據。以目前生產產品情況來看，除了國家、省級基礎測繪定期進行中小比例尺的DOM生產外，市場上大量成果主要有分幅與不分幅情況，分幅成果比例尺有1∶500，1∶1 000，1∶2 000，地面分辨率涉及0.05 m,0.1 m,0.2 m。高質量的高分辨率數字正射影像為各項工作提供了直觀性或基礎性的參考。本文通過對數字正射影像質量控制工作經常遇到的問題進行總結分析，用以指導數字正射影像生產過程中的質量檢查和最終成果質量檢驗，最終提高正射影像產品質量，為各項工作提供高質量的基礎圖件，輔助各項工作決策。

1 目前數字正射影像的生產特點

隨著國產遙感衛星和無人機的快速發展，目前我國獲取遙感影像的國產平臺已經形成了航天、航空、低空全方位全覆蓋的體系。國產高分辨率衛星在地面分辨率和對地定位精度取得了長足的進步，而無人機用于測繪遙感的發展更是達到了國際領先水平。在一些國家基礎測繪或是其他大型項目上，高分辨率衛片比例越來越大，尤其在地理國情監測、第三次全國土地調查等利用上。衛星平臺主要有高分系列、北京二號、高景一號、WorldView等國內外主流遙感衛星。無人機的普及，尤其大疆進入傳統測繪市場后，其發布的RTK版本的系列旋翼無人機，給一些中小型測繪單位和小面積項目提供了快速、經濟的方案，使得遙感影像獲取越來越簡單、高效，同時由于無人機的低空特性，遙感影像的地面分辨率越來越高，可根據產品需求，達到0.01 m甚至更高的地面分辨率。目前無人機平臺主要是兩大類:固定翼無人機和多旋翼無人機，固定翼無人機續航時間長、速度較快;多旋翼無人機速度相對慢，單架次作業時間較短。各生產作業單位根據實際需求，選擇不同的載體。數字正射影像的生產產品已經形成了多源、多比例尺、高分辨率的特點。

2 數字正射影像質檢的關鍵點

目前，正射影像的質量檢查或者最終驗收主要參考的是國家標準GB/T 18316—2008數字測繪成果質量檢驗與驗收[5]。該標準主要針對的是我國中小比例尺3D產品(DLG，DEM，DOM)的檢查驗收，其中一部分質量元素或質量子元素不太適合用于大比例尺高分辨率或者不分幅的正射影像成果，其中的一些評定指標也不太適合目前生產的正射影像成果。例如大部分數字正射影像為了更方便實際應用，并不制作圖廓，只是按照相應比例尺裁切，導致國家相關質量檢驗與驗收規范中時間精度和表征質量這兩項質量元素并不適合大部分正射影像成果的質量檢驗。因此，在質量檢驗時可以考慮不同的數字正射影像采取不同的質量元素，通過對質量元素(質量子元素)進行評分，從而獲得數字正射影像成果的質量評分。綜合考慮國家規范、實際生產情況和使用成果方的需求，在對數字正射影像成果進行質檢時，其檢驗的關鍵點應在空間參考系、位置精度、邏輯一致性、影像質量、附件質量這五個質量元素上。

2.1 空間參考系

空間參考系的檢查項都是符合性檢查，在生產過程中必須嚴格按照設計要求進行檢查。一般利用GIS軟件、查看XML文件或自動檢查軟件等方式，內業核查分析測量成果的大地基準和地圖投影，檢查空間參考系的關鍵點在于檢查成果的坐標系統、投影參數是否符合設計要求。

2.2 位置精度

位置精度評價的是成果的平面精度，通過檢測點進行檢查，檢測點的獲取方法有外業實地采集點和內業已有成果取點兩種方式。外業檢測點的獲取需要測量人員在測區實地利用GPS測量儀器，通過千尋網絡RTK或者各地自建的CORS系統進行點坐標采集，若是面積較小區域，可以采用GPS RTK的電臺模式。需要注意的是采集檢測點要求為影像上明顯特征點，如水泥地塊、明顯道路交叉口，不能采集在屋頂或看不到底部的墻角處。內業檢測點可從已驗收合格的相同比例尺(同精度)或者更大比例尺(高精度)的數字地形圖、數字正射影像成果中直接選取檢測點，或者直接將地形圖和DOM套合在一起直接選點量測，也可通過攝影測量方法(空三加密點法、立體采集法)獲取檢測點。

檢查位置精度的關鍵點在于檢查主要檢查成果的平面位置精度和影像接邊，在實際作業中，影像接邊主要關注不同作業人員或空三任務接邊處的接邊質量。位置精度檢查是數字正射影像成果質檢中的重中之重，其他做得再好，如果數學精度達不到要求，后期成果就無法使用。因此，在質檢時，該項檢查是成果是否合格的關鍵。

2.3 邏輯一致性

邏輯一致性和坐標空間參考系質量元素都是符合性檢查，通過內業核查測繪成果的邏輯一致性，主要檢查數據命名、數據格式是否正確，容易出現的錯誤主要為數據格式或文件命名不符合要求。數據格式不符合要求主要表現為技術設計要求為*.tif+*tfw格式，實際為*img或其他格式；文件命名不符合要求主要表現為名稱的小數位數不符合設計或規范要求。檢查邏輯一致性的關鍵點在于檢查數據文件命名、數據文件格式是否符合要求。

2.4 影像質量

檢查影像質量的關鍵點在于檢查影像地面分辨率、圖幅范圍、影像特性是否符合要求。內業檢查數據地面分辨率、圖幅范圍、色彩模式、色彩特性、影像噪聲、信息丟失。 地面分辨率的檢查可通過TFW文件查看，也可直接使用GIS軟件打開影像查看屬性或將影像放大到像素可見并直接量取，圖幅范圍、影像特性(色彩模式、色彩特性、影像噪聲、信息丟失)的檢查可使用GIS或者其他看圖軟件檢查，建議使用GIS軟件，方便進行范圍標注及面積統計。

2.5 附件質量

檢查附件質量的關鍵點在于技術設計書、技術總結等文檔的正確性和齊全性。文檔資料檢查內容主要為技術設計書、技術總結、過程檢查記錄，如果是二級檢查，需要審核一級檢查記錄，如果是最終的甲方驗收或者第三方驗收，則需要檢查生產單位的檢查報告。

3 數字正射影像質量檢驗具體案例

3.1 空間參考系

空間參考系的評分結果只有0分和100分，因此，生產過程中需嚴格按照設計要求進行，一般可通過查看文本文件或者利用相關專業軟件查看屬性的方式來檢查。常見的問題主要有坐標系統未定義(如圖1所示)或者定義錯誤(如圖2所示)等。

3.2 位置精度

位置精度按照平面位置中誤差的區間線性內插方式評分。平面位置中誤差計算時，檢測點數量小于20時，由算術平均值代替中誤差。檢測點數量大于20時，且為高精度檢測(即檢測點獲取途徑是外業采集點或者通過更高精度成果獲取)時，通過式(1)執行：

(1)

同精度檢測(即檢測點獲取途徑是相同精度的成果)時，通過式(2)執行：

(2)

精度統計的時候可按照面積分區進行位置精度統計，通過對正射影像進行質量檢查的實際工作經驗來看，這種做法對成果最終的符合性影響很小，可以滿足平面精度評價的需要，同時可以提高作業效率。在實際量取距離時，可采用一些檢測點快速精度統計的方法[6]。位置精度檢查是數字正射影像成果一項非常重要的檢查內容，必須嚴格、仔細地進行檢查。

3.3 邏輯一致性

邏輯一致性檢查中主要存在的問題是數據文件命名、格式符合要求，主要表現為技術設計要求為*.tif+*tfw格式，實際為*img或其他格式，文件命名的小數位數不符合設計或規范要求。

3.4 影像質量

影像質量檢查時容易發現的問題如道路、橋梁錯位，橋梁、房屋扭曲，山體植被拉花，水面、屋頂過度曝光，云影覆蓋、陰影處過暗導致信息丟失等情況(如圖3所示)。此外，還存在圖幅范圍為未按要求外擴。

3.5 附件質量

檢查附件質量時，主要檢查文檔、附件(元數據、其他信息文件)完整性、正確性、權威性。作為生產單位的質檢部門，應對文檔資料的權威性和正確性進行再次核查，檢查技術設計方案、技術總結、檢查報告等文檔資料是否存在簽字蓋章問題，文檔中是否存在典型的技術路線問題、前后矛盾問題，技術設計書是否存在主要技術參數未明確情況，主要表現為成果坐標系統未明確、生成的數字正射影像圖地面分辨率要求未明確、是否生成圖廓注記不明確、外擴像素值不明確、成果格式要求不明確、成果命名不明確、設計書中技術路線為地形圖生產的技術路線、非涉密文檔中存在詳細的控制點坐標或存在測區的詳細七參數數據。

4 數字正射影像的質檢關鍵流程

測繪成果質量檢驗體系目前主要采用的是“二級檢查一級驗收”體系：測繪作業部門進行一級檢查，測繪單位質量管理部門進行二級檢查，項目管理單位(項目甲方)組織驗收或者委托有資質的質量檢驗機構進行質量驗收。隨著一些大型的測繪項目(例如全國地理國情普查或監測、第三次全國土地調查數字正射影像分項)的實施，為更好進行質量控制，采用的是“過程質量控制-最終成果復核”體系：測繪單位、監理單位等部門對生產作業全過程進行質量監控，質檢驗收機構進行過程質量監督抽查和最終成果復核驗收。目前，大部分的測繪項目仍采用的是“二級檢查一級驗收”體系。按照《數字測繪成果質量檢驗與驗收》規定和實際質量檢驗工作要求，數字正射影像的質檢關鍵流程可設計為圖4。

其中，一級檢查不抽樣，應全數檢查，二級檢查中內業部分逐單位成果詳查，對野外實地檢查項，可進行抽樣，樣本量不低于相關國家標準要求，驗收則按照相關國家標準進行抽樣。

5 典型問題分析及思考

隨著遙感影像獲取的方式越來越多，遙感影像分辨率越來越高，遙感影像使用范圍越來越廣，多源多分辨率數字正射影像質檢中發現的質量問題也是五花八門，通過分析，發現了在數字正射影像成果質量的一些共性問題，從這些問題也可以一定程度上反映行業內普遍面臨的挑戰。

1)技術文檔存在內容缺失、內容錯誤、文檔編制隨意的情況，主要存在于一些測繪乙級資質及以下單位，個別存在于甲級測繪單位。導致的原因是多方面的，一是部分行業單位的技術力量較為薄弱，編寫人員和審核人員水平參差不齊，會出現一些前后矛盾以及常識性的錯誤；二是行業單位管理人員對設計的不重視。因此，生產單位、管理單位應加強技術培訓和交流，強化設計的各項程序，并確保設計與生產不能脫節。

2)不同的作業方式和生產軟件生產出來的成果大致相同，真正體現生產水平的關鍵節點在人工編輯。在地形明顯變化處特別容易引起人工地物或山體變形，因此，應著重對地形變化處的DEM數據進行編輯處理。線狀地物或者建筑物如果出現錯位問題，則一般是由于未編輯鑲嵌線。目前大部分的攝影測量軟件可通過一定算法自動生成鑲嵌線，雖然目前鑲嵌線算法可以避開一部分房屋、色彩不一致地方，但仍然存在直接穿越地物情況[7-8]。在鑲嵌線編輯時應最大可能利用中心區域影像，同時避開大型建筑物和影像差異較大的地方，盡可能選擇道路、水面、田埂等線狀地物的邊沿，盡量避免在同一道路上來回穿越，避免切割人工地物。一名好的生產作業人員，可以通過合理有效的影像鑲嵌來消除由于高層建筑、高架橋等投影差造成的地物錯位的情況。

3)杜絕不符合項上出現質量問題。例如坐標系統定義錯誤、投影參數錯誤、文件格式錯誤、文件命名錯誤、地面分辨率與設計不符、影像范圍外擴錯誤、元數據(如有)的屬性項定義錯誤等等，生產過程中尤其是一二級檢查中應將大面積的影像質量問題提前發現，避免影像質量來回改、越改錯越多的情況。通過此項工作，可以在很大程度上確保最終正射影像成果符合設計和國家規范要求。

6 結語

本文對數字正射影像質檢的關鍵點和具體問題案例進行了分析，提出了現行國家標準中不適合部分數字正射影像成果質檢的內容，并總結了一個數字正射影像成果檢驗中關鍵質檢流程，在數字正射影像的生產和質量檢驗工作中均有一定參考指導意義。