利用DEM制作数字正射影像(DOM)精度分析 Accuracy Analysis of Digital Orthophoto (DOM) Made by DEM

doi:10.12677/GST.2023.114046

Geomatics Science and Technology
Vol. 11 No. 04 ( 2023 ), Article ID: 73714 , 7 pages
10.12677/GST.2023.114046

利用DEM制作数字正射影像(DOM) 精度分析

万阿芳，潘紫阳

●How to Cite this Article

湖南省第一测绘院，湖南长沙

收稿日期：2023年7月10日；录用日期：2023年10月10日；发布日期：2023年10月16日

摘要

传统的数字正射影像(DOM)是在数字高程模型(DEM)基础上进行生产的，DOM制作中其数字微分纠正通常要用到DEM实现地形的纠正，DEM的精度会在一定程度上影响DOM精度和效果。随着无人机摄影测量技术的快速发展和DEM成果逐渐丰富，本文探讨并验证了利用不同精度DEM成果制作DOM成果的不同效果，为DOM制作中合理有效选择数据源提供了帮助。

关键词

DEM，DOM，数字微分纠正，精度

Accuracy Analysis of Digital Orthophoto (DOM) Made by DEM

Afang Wan, Ziyang Pan

The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province, Changsha Hunan

Received: Jul. 10^th, 2023; accepted: Oct. 10^th, 2023; published: Oct. 16^th, 2023

ABSTRACT

The traditional digital orthophoto (DOM) is produced on the basis of the digital elevation model (DEM). In the production of DOM, digital differential correction usually requires the use of DEM to achieve terrain correction, and the accuracy of DEM will to some extent affect the accuracy of DOM. With the rapid development of UAV photogrammetric technology and the gradual enrichment of DEM achievements, this paper discusses and verifies the impact of using different precision DEM achievements on DOM achievements, providing assistance for selecting data sources reasonably and effectively in DOM production.

Keywords:DEM, DOM, Digital Differential Correction, Precision

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

数字正射影像(DOM, Digital Orthophoto Map)是将地表航天影像经垂直投影而生成的影像数据集。传统DOM生成方式是利用数字高程模型(DEM)对航飞影像进行数字微分纠正，经镶嵌、裁剪分幅而成。DOM具有像片的影像特征和地图的几何精度，可从中提取自然资源最新信息，是重要的基础测绘4D产品之一，能为数字政府提供科学高效的决策依据。

自然资源部《实景三维中国建设总体方案(2023~2025年)》中要求地方层面完成优于2米格网DEM、DSM制作，覆盖省级行政区域，并以3年为周期进行时序化采集与表达；优于0.5米分辨率DOM制作，覆盖重点区域，按需进行时序化采集与表达。可见DEM和DOM成果是实景三维中国重要构成部分，随着我国DEM成果逐渐丰富，选择合理有效的DEM成果生产制作DOM，能较大程度提高生产效率。

文献 [1] 由于各种传感器的成像方式、成像角度、投影方式等的不同，地形起伏所引起的投影差也有很大差异。本文基于无人机搭载下视镜头，利用试验区已有不同格网尺寸和不同高程精度DEM成果生产制作数字正射影像(DOM)的分析探讨。

2. 实验原理

2.1. 像点位移原理

航空摄影测量，影像是地面的中心投影，当航摄相片有倾角或地面存在高差时，地面点在水平像片上的构像与地面有起伏时或倾斜像片上构像的像点不同，这种点位的差异称为像点位移，见图1。DOM制作过程中，其数字微分纠正通常要用到DEM来实现地形纠正，所以DEM精度会在一定程度影响DOM的纠正精度。

Figure 1. Schematic diagram of image point displacement

图1. 像点位移示意图

根据航空摄影测量原理，可得到地面上投影差的计算公式：

$Δ h = \frac{a_{0} h}{f s}$

其中，H为摄影航高，R为地面店到地底点的水平距离，h为某点的相对高程(不是相对航高)，f为相机的摄影焦距，s为摄影比例尺，a₀成像点距像主点的距离。

由此可知，像点位移在以像底点为中心的辐射线上，与该点相对高程成比例变化，即与DEM精度成比例变化。

2.2. 试验区与试验数据

试验区在湖南省醴陵市，地处湖南省东部，罗霄山脉北段西沿，湘江支流渌水流域，地貌以山地、丘陵地和岗地为主。选取了liling0202分区作为试验区，面积94.86平方公里，摄影焦距51.76 mm，测图航线地面分辨率为11 cm，相对航高为1200 m，航向重叠率70%，旁向重叠率40%；构架航线地面分辨率10 cm，测图航线设计为南北向飞行，构架航线设计为东西向飞行。选取已有像控点成果对传统方式生产的DOM进行精度验证，具体如下图2：

Figure 2. Schematic diagram of the distribution of image control points and detection points within the Liling experimental area

图2. 醴陵试验区范围像控点及检测点分布示意图

2.3. 实验流程

文献 [2] 像片控制点是航测内业加密和立体采集的依据，实验区采用了稀少控制点GPS辅助空三加密技术方法。在不规则实验区周边和凸角转折处布设了平高控制点10个，在实验区内部均匀布设平高检查点7个，像控点和检查点均由野外实地像控测量所得。利用DEM微分纠正方式获得数字正射影像图，计算像控点和检查点中误差，并对试验结果进行分析，研究控制点区域的 DEM 精度变化对实验区内影像精度的影响。

文献 [3] 利用liling0202分区影像资料及像控点资料，利用空三加密软件Inpho进行空中三角测量，在全数字摄影测量工作站上恢复立体模型。

1) 影像匹配提取DSM成果，将DSM成果导入立体模型，按照DOM生产要求进行编辑生产2米格网DEM。将编辑后的2米格网DEM成果重采样为5米格网DEM成果，对比分析利用这两种格网尺寸DEM成果进行数字微分纠正得到的DOM平面精度和影像纹理情况；

2) 将按DOM生产要求编辑后的2米格网DEM成果高程整体分别调整+5米、+4米、+3米、+2米、+1米，+0米、−1米。文献 [4] 导入控制点成果等检测数据，对比分析同一点位利用不同高程精度DEM成果进行数字微分纠正得到DOM平面精度情况，参考相关规范对检测结果进行评价分析。具体流程如图3所示。

Figure 3. Experimental flow chart

图3. 实验流程图

3. 精度验证

3.1. 精度评价方法

本文依照《数字正射影像图质量检验技术规程》(CH/T 1027~2012)采用统计精度检测点中误差方式验证数字正射影像成果的平面位置精度。检测点中误差计算按式(1)执行。

$m_{s} = \sqrt[\pm]{\frac{\sum_{i = 1}^{n} (Δ X_{i}^{2} + Δ Y_{i}^{2})}{n}}$ (1)

式中： $m_{s}$ ——检测点平面位置中误差，单位为米(m)；

$Δ X_{i}$ 、 $Δ Y_{i}$ ——检测点平面X、Y坐标的实测值与解算值的较差，单位为米(m)；

n——参与评定精度的检测点点数。

根据《基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字正射影像图》(CH/T 9008-2010)，数字正射影像图明显地物点的平面位置中误差不大于表1。

Table 1. Mean square error of plane position of DOM ground feature points to nearby field control points (Unit: mm)

表1. DOM地物点对附近野外控制点的平面位置中误差(单位：毫米)

3.2. 精度检测结果

3.2.1. 不同DEM格网对DOM精度影响

1) 平面位置精度

文献 [5] 将编辑后的2米格网DEM成果重采样为5米格网DEM成果，利用这两种格网尺寸DEM成果进行数字微分纠正得到的DOM平面精度见表2。

Table 2. DOM plane precision testing results (Unit: m)

表2. DOM平面精度检测结果(单位：米)

2) 纹理差异

文献 [6] 数字正射影像局部变形一般发生在房屋、桥梁、悬崖等高程落差较大及地势陡峭处，主要原因是中心投影中，由于地物所处的部位不同，一些区域影像因像点位移压缩，而一些因像点位移而扩大，从而形成变形和拉花。不同格网间距DEM制作DOM其纹理差异如图4。

通过比对高程精度不同格网尺寸DEM生产DOM精度验证结果可以见现，5米格网DEM生产DOM精度略低于2米格网DEM生产DOM，但均能满足1:2000 DOM精度要求。但部分房屋(一般面积较小)，5米格网DEM生产DOM房屋变形优于利用2米格网DEM。分析其原因，是因为中心投影差，较小房屋在较大格网成果下，房屋因所利用DEM高程一致，投影差一致，故变形较少；同样原理，5米格网DEM生产DOM植被拉花现象比利用2米格网DEM要好。

(a) 2米格网制作DOM(b) 5米格网制作DOM

Figure 4. Texture differences in DOM with different Grid interval DEMs

图4. 不同格网间距DEM制作DOM的纹理差异

3.2.2. 不同DEM高程精度对DOM精度影响

通过对调整DEM精度对同一检测点DOM进行平面精度检测，其对应纠正精度详见表3。

Table 3. Mean square error of plane position of DOM by different elevation accuracy DEMs (Unit: m)

表3. 不同高程精度DEM制作DOM平面位置中误差(单位：米)

对应精度分布图见图5。

通过分析DEM不同高程精度制作DOM验证结果可以看出，几种成果的高程中误差呈规律变化，且抬高和降低相同高度DOM平面位置程反方向相同距离偏移。当高程差大于3米，所生成DOM中误差已超过1:2000 DOM平地、丘陵地中误差值。分析原因，一方面是无人机影像具有较高的影像分辨率，摄影比例尺较大，成像点距像主点的距离较大；另一方面由于低空无人机航飞有较大基高比，无人机DEM高程精度对DOM精度影响比大飞机航测影响大。同时本次精度验证的检测点均布设在明显目标点上，并且在获取DEM数据时，采用了高精度密集匹配技术，具有较高的像点量测精度，低空无人机航空摄影测量下，DEM高程精度对DOM影响变大。所以，在利用低空无人机进行大比例尺DOM生产中，DEM精度应控制在高差3米内。

Figure 5. Distribution of DOM plane accuracy by different elevation accuracy DEMs

图5. 不同高程精度DEM制作DOM平面精度分布情况

4. 结论

利用低空无人机航空摄影测量方式生产DOM，DEM精度对DOM成果质量影响较大。上述分析和结论是在理想条件下实现的，在实践应用中，应综合分析考虑生产方式、像控点精度和数据源精度，大比例尺的DOM生产要充分考虑房屋、桥梁等的投影差问题，应根据成果要求选取相应精度和格网间隔的DEM成果。

文章引用

万阿芳,潘紫阳. 利用DEM制作数字正射影像(DOM)精度分析
Accuracy Analysis of Digital Orthophoto (DOM) Made by DEM[J]. 测绘科学技术, 2023, 11(04): 396-402. https://doi.org/10.12677/GST.2023.114046

参考文献

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2. 廖玉祥, 吴洪宪. 不同像控布设方案在航片DOM生产中的应用研究[J]. 地理空间信息, 2022, 20(6): 106-109.

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4. 郭林凯. 利用倾斜摄影进行TDOM制作的研究[J]. 测绘通报, 2017(2): 79-81+97.

5. 蔡金霖. 利用倾斜摄影三维场景模型获取真正射影像的简易方法探讨——以南宁师范大学明秀校区为例[J]. 大众科技, 2021, 23(7): 4-7.

6. 王慧. 浅谈像素工厂制作DOM及影像变形处理方法[J]. 测绘与空间地理信息, 2022, 45(3): 206-208.

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