成功案例

资源三号卫星地面系统数据处理中心建设DEM、DOM数据制作(京冀豫测区)

2020-06-29 中堪 4

1 概述

  1.1 项目来源

项目来源于中国资源卫星应用中心“资源三号卫星地面系统数据处理中心建设项目—定标基础数据采集与制作”招标项目。

1.2 工作内容

京冀豫测区西向100km,南北向500km,总面积50000km2

主要工作内容包括:

1)基于IMU/DGPS技术,完成测区1:5000比例尺成图空中三角测量;

2)1:5000比例尺、格网间距为2.5m的数字高程模型制作;

3)1:5000比例尺、分辨率为0.5m的数字正射影像图制作。

1.3 测区范围及概况

1.3.1测区范围

本项目位于京冀豫地区包含北京南部、河北省大部、山东西部、河南北部。场区西北角是山区,其余绝大部分地形以平原为主高差小,最高点和最低点高差不足200m,地势非常平坦。区东西宽100km,南北长500km。

测区最北端位于北京境内,地处房山区和大兴区房山区处于华北平原太行山交界地带,西部和北部是山地、丘陵。大兴区位于北京市南部,东临通州区,南临河北省固安县、霸县等,西与房山区隔永定河为邻,北接丰台、朝阳区。北京境内地势自西向东南缓倾,区内西北角极端高差达1000米,其余大部分地区海拔14~52米之间

测区北部和中部大部分位于河北境内,地处华北平原,东南部、南部衔山东河南两省。地势由西北向东南倾斜,地势平坦,高程在20m-50m之间

测区南部位于河南及山东西南部。山东的西部及北部属黄泛平原,中南部为山地丘陵。豫北地势西北高而东南低。与华北平原相接,广袤无垠,一马平川,高程在50m-60m之间。区位置如图1-1所示。

 1.3.2 测区交通情况

场京--豫场区有南北向的107国道、京广铁路、京港澳高速公路、京广高铁穿过场区,区其它省道、县道纵横交错,水系不发育,交通十分发达,有利于开展工作。

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1-1 京冀豫场区范围示意图

    1.3.3 测区气候条件

-冀-豫场区北部(北京地区)属暖温带半湿润半干旱季风气候。年平均气温10-12摄氏度,年降水量644mm,四季分明,冬季干燥,春季多风,夏季多雨,秋季晴朗温和。京--豫场区中部(石家庄地区)属于暖温带大陆性季风气候,太阳辐射的季节性变化显著,地面的高低气压活动频繁,四季分明,寒暑悬殊,雨量集中于夏秋季。秋季晴朗少雨,温度适中,气候适宜,是一年中最好的季节。京--豫场区南部(安阳地区)属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,气候温和,四季分明,日照充足,雨量适中,春季温暖,夏季炎热多雨,秋季凉爽,冬季寒冷干燥。

2 项目完成情况

本项目于201311月下旬正式开始作业,共投入180多名技术人员,像素工厂2套,VirtuoZoMapmatrixJX4全数字摄影测量工作站77套,Info等摄影测量处理软件20多套。

201311月~12月,完成9925张航片的空三加密工作;

201312月~20141月,完成84681:5000标准分幅DOM产品制作任务;

201312月~20142月,完成84681:5000标准分幅DEM采集和处理任务;

截至20142月底,完成场区全部DEMDOM数据产品的制作和数据整理任务,制图面积约50000平方公里。

3 已有资料利用情况

场区航空摄影测量利用的资料有: 

  3.1 航空遥感资料 

1) UCWA数码航空遥感仪获取的9925Tiff格式影像数据文件 

2) 航空遥感分区划分、航线分布 

3) POS解算数据,包括摄站点坐标、像片姿态参数、GPS数据等相关的数据资料; 

4) 航空遥感质量验收报告;

5) 航空遥感仪鉴定表

测区航摄分区和航线布设情况如下:

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3-1 航摄分区一及航线布设图

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3-2 航摄分区二及航线布设图

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3-3 航摄分区三及航线布设图

本场区UCWA航摄相机编号:UC-SXp-wa-00315131

相关参数如下:

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3.2 像控资料

由北京中勘迈普科技有限公司提供的场区1081个外业像片控制点资料,控制点采用RTK方式测量,控制点成果包括像控点坐标数据文件、像控点点之记、像控点现场照片文件。场区外业像控点布设采用基于IMU/DGPS的区域网布点方法,在每条航线的首末端布设了像控点,航线方向跨度810条基线(共9排高程点),旁向12条航线。航线方向控制点布设的密度超过规范要求的17条基线或最多5排高程点,旁向控制点密度与规范要求基本一致。像控点的布设符合航测外业测量规范。

另外,外业队伍还提供了1处精度验证样区30个精度检测点和441147DEM高程检测点,用于内业DOMDEN精度检测。

4 技术设计执行情况

4.1 数据制作所依据的技术标准

1)《国家基础比例尺地形图分幅和编号》GB/T 13989-2012;

2)《1:5 000、1:10 000地形图航空摄影测量内业规范》GB/T 13990-2012;

3)《数字测绘成果质量要求》GB/T 17941-2008;

4)《数字测绘成果质量检查与验收》GB/T 18316-2008;

5)《基础地理信息数据产品元数据》CH/T 1007-2001;

6)《基础地理信息数字成果 1:5000 1:10000 1:25000 50000 100000 数字高程模型》CHT 9009.2-2010;

7)《基础地理信息数字成果 1:5000 1:10000 1:25000 50000 100000 数字正射影像图》CH/T 9009.3-2010;

8)《测绘产品检查验收规定》CH1002-95;

9)《测绘产品质量评定标准》CH1003-95;

10)《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》GB/T 18316-2001;

11)《数字航空摄影测量空中三角测量规范》GB/T23236-2009。

4.2项目作业过程概述

本项目严格按技术设计书制定的技术方案、技术指标和规格进行生产。空三加密、DEMDOM数据制作流程与技术设计中流程一致,测绘产品成果相关技术指标达到规范和项目设计要求。 

根据场区地形和航摄分区情况,进行了IMU/DGPS辅助空三加密的区域网单元划分;将基于IMU/DGPS技术直接获取的POS数据,作为带权观测值引入加密分区,联合外业控制点成果对区域网单元进行联合平差,解算出加密点坐标并获得了高精度的像片外方位元素成果。

将空三成果导入Virtuozo、MapmatrixSSK等摄影测量工作站,恢复立体模型,对影像进行判读,采集特征点、线,构建不规则三角网,生成高精度DEM单模型数据之后进行模型接边,分幅裁切输出DEM数据成果。

把空三成果导入海量影像处理系统-像素工厂,在PF系统下自动生成了高分辨率的数字地面模型(DSM),对DSM自动过滤并做少量人工干预后,得到用于微分纠正的数字高程模型(DEM)数据;利用DEM数据对原始影像进行正射纠正,并通过像素工厂强大的自动镶嵌和匀色功能对整个场区的正射影像进行无缝拼接和自动匀色;利用DEM数据,对单片影像进行纠正,生成单片DOM数据,经匀色、镶嵌等数据处理,生成以图幅为基本单元的DOM数据成果。最后分幅裁切,输出DOM分幅数据成果;

按照ISO9001质量管理体系和测绘产品质量检查验收规定要求,对产品进行过程质量检查和最终检查,对发现的质量问题进行修改。经作业小组、项目部、总工办三级检查后完全合格的产品,方可提交甲方进行检查验收。

4.3数据制作数学基础

1)坐标系统

平面坐标系:采用WGS84坐标系、UTM投影,3度分带。-冀-豫场区投影带号49.5N、50N,中央子午线分别为114 度、117度。

高程基准:采用WGS84大地高系统。

2)成图比例尺

京冀豫场区成图比例尺1:5000;

3)数据格式

DOM数据格式为不压缩的tif+tfw格式;

DEM数据数据格式采用tif+tfw格式。

4)数据分幅、编号与命名

1:5000比例尺分幅改为矩形分幅,分幅大小参考国家标准比例尺地图分幅为2.5km×2.5km,编号采用图幅左下角整公里数,与1:5000分幅和编号基本一致,同时外扩50m。数据文件名采用图幅编号。

4.4人员和设备投入情况

 4.4.1 人员投入情况

本项目生产共投入技术人员180人, 其中项目负责人2人,生产负责人6人, 技术负责人8人,质检员20人,作业员144人。

 4.4.2 主要设备投入情况

  内业生产共投入全数字摄影测量工作站VirtuoZo 41台套、Mapmatrix4 共27台套、SSK 9套、像素工厂2套,计算机180台。

4.5 主要技术问题和处理方法

 4.5.1 空三加密自动匹配问题

1)空三加密过程中,采用基于pos数据的方式匹配连接点,匹配效果不好。后改用传统的影像匹配技术进行匹配。对匹配弱区采用人工补测的方法保证像网的连接强度。

2)对模型连接点匹配不足、软件无法自动匹配连接点的情况,已全部采用人工检查方法加点,解决了由此引起引起的模型连接问题。

 4.5.2 DOM数据生产中存在的问题

1)DOM生产过程中中,对影像自动匹配精度薄弱区(匹配点较少的区域),采用人工加点和调整相对点方式消除上下视差。

2)由于测区西北角是山地地形,软件智能匹配模块中不能自动分析计算出正确的DEM,经过设置参数(如:增减“自动匹配步距”,调整灰度值大小),自动寻找更多的匹配点,使生成的DEM更符合地表,得到较好的DEM,达到符合纠正DOM精度需求。

3)对于桥梁等高架地物变形情况,使用了单独对变形地物的DEM进行编辑(把整座桥梁及高架物所包含的DEM范围进行统一平置,达到一致的平面高度)的方法,单独纠正变形地物,再对变形地物进行更新,达到较好的效果。

4)场区西北端山区有4张航片存在曝光过度现象,致使道路路面细节纹理不清晰。内业技术人员采用直方图和色阶调整方法进行处理,调整后影像色彩效果有所改善,但有2幅图道路路面细节纹理仍存在缺失现象,问题图幅占总图幅数的0.02%。

 4.5.3 DEM数据生产中存在的问题处理措施

场区第20航线的第25张航片、第23航线的第6张航片等5张航片影像,在等大情况下影像清晰,但放大至2~4倍后存在立体模糊现象。经航摄单位分析原因,认为是曝光瞬间存在像机抖动问题,此类航片涉及有效立体覆盖面积约11平方,占场区总面积比例的0.02%。为得到可靠的DEM数据成果,对此区域DEM数据采取内业立体采集和外业补测相结合的方法进行补救。立体清晰的区域尽量内业采集,立体模糊的区域采用外业实测DEM进行补救,使得该区域的DEM高程精度无损失。由于影像仅是在放大情况下出现模糊,因此基本不影响DOM的目视效果和精度。

4.6 质量保证措施的执行情况

 4.6.1 项目组织管理情况

 

按项目特点成立了资源3DEMDOM数据生产项目组,项目组组织结构如下:

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4-1  组织结构示意图


4.6.2 项目技术培训

为了严格执行项目技术要求,中心根据测区地理情况,结合技术规范、航摄资料和外业资料,按照人员分工情况,分别按工序安排了资源3DEMDOM数据生产内业技术培训。技术培训历时三天,主要培训内容是:

学习技术设计书;

掌握生产技术标准和关键技术环节;

明确数据制作的数学基础;

熟悉空三加密的量测要求和平差精度要求;

熟悉DOM制作微分纠正、影像镶嵌、影像裁切各生产环节技术要求;

熟悉DEM采集的作业要求;

熟悉DEM数据整理要求;

熟悉DEMDOM质量检查方法。

通过培训学习,使全体作业技术人员掌握了场区数据制作的作业要求和精度指标。

4.6.3质量检查过程

项目生产中特别注重过程检查,发现问题及时提醒和纠正。测绘成果的检查工作按两级检查一级验收制进行,作业组内100%过程检查,质检部对项目组提交的成果进行100%的最终检查,第三方质检单位和甲方对成果进行总体验收。

4.6.4项目实施过程和环节沟通

项目组通过阶段性总结、现场会议等沟通等形式,加强生产人员对有关技术标准的正确认识和理解。项目负责人加强与甲方技术负责人及其他承担单位之间的技术交流、沟通,确保工程项目技术标准一致,各施工单位的作业进度基本保持一致。

得力于有效的沟通和交流,项目组在航空摄影尚未结束、获得第一批航摄资料后立即进场开展外业测量。外业测量完成一批数据,内业同步进行空三加密工作。空三加密完成一个分区,立即转入DOM制作和DEM采集工作。整个作业环节衔接有序,参加作业的多家单位能按统一的作业标准,发挥各自优势,在航空摄影结束后的短短三个月(包括春节长假时间)的时间内,完成了50000Km21:5000比例尺外业控制测量、空中三角测量和DEMDOM数据制作,作业效率之高,在同行业无疑处于领先水平。

5 测绘成果质量

 5.1 成果质量及达到的指标

  5.1.1空中三角测量

利用数字航空摄影资料和外业像控资料,采用基于IMU/DGPS辅助空中三角测量方法,以加密分区为单元,将POS数据作为带权观测值,引入加密分区像控点,进行区域网联合平差,解求每个模型定向点坐标并获取更高精度的像片外方位元素成果。按照测区像控点分布及测区情况,测区分为14个加密分区,共使用GPS外业控制点975个,各分区重叠部分使用公共控制点。

5-1     京冀豫测区空三分区范围表

加密分区

分区包含航线

加密分区

分区包含航线

1

1-8

8

58-64

2

7-17

9

64-71

3

17-24

10

71-78

4

24-31

11

78-89

5

31-39

12

86-101

6

39-53

13

102-115

7

53-58

14

109-127

通过对14个加密分区平差计算进行统计得出:

以分区为单位的控制点点位中误差最大在11分区,点位中误差0.82m;高程中误差最大在1分区,高程中误差0.53m;

以分区为单位的控制点点位残差最大在11分区,点位残差1.64m;高程残差最大在1分区,高程残差1.14m.

通过上述统计可看出,各分区空三加密和分区接边误差符合设计书要求。

5.1.2 DEM制作

VirtuoZo 、Mapmatrix和SSK摄影测量工作站内,导入空三成果恢复立体模型,生成核线影像文件,在立体环境下采集特征点、特征线,内插生成TIN数据,对照立体模型对TIN数据编辑。TIN数据检查无误后,根据技术要求进行内插和网格化,分幅裁切输出Tiff格式的DEM数据成果。

DEM高程精度主要利用位于地面上的加密点高程,用线性内插的方式计算出DEM在相应位置处的高程值,将内插出的高程和加密点的高程值作比较,以图幅为单位进行高程精度统计。随机抽取标准分幅DEM数据850幅,占总图幅数的10.04%。检查统计情况如下:

最大高程误差位于图幅4367.50-382.50,高程误差1.96m<2.0m(规范山地精度要求)

TIN模型检查,数据接边检查,DEM格网间距、起止格网坐标检查,及DEM高程精度检查,认为DEM成果数据正确,DEM数据成果高程中误差为0.27m,数据成果满足项目设计和相关规范要求。

5.1.3 DOM制作

在像素工厂中,导入空三成果恢复立体模型,利用系统的自动匹配功能,生成高精度的数字表面模型(DSM),并通过自动滤波和人工干预对DSM进行保留山体、去除房屋、提取水域等处理,得到反映地面特征的单模型DEM数据,并对单模型DEM进行自动拼接生成区域DEM数据。利用DEM数据对原始影像进行正射纠正,通过自动生成的镶嵌线对整个测区的模型正射影像进行无缝拼接,通过色调调整后的快视图对测区DOM进行自动匀色处理,之后按照项目技术要求进行分幅裁切,形成标准分幅DOM数据成果。

随机抽取标准图幅938幅,占总图幅数的11.08%。利用加密点坐标,选取位于地面上的16592个明显地物点,在影像上查找同名点位置,量取坐标,计算出与加密点的误差值。每幅图抽取不少于15个地物点,以单幅图为单位计算平面中误差,最大点位误差位于图幅3925.00-585.00,点位误差±2.40m。(设计书要求∠±2.50m

说明DOM几何精度满足设计要求。

通过中心质检人员最终检查,认为DOM成果影像纹理清晰、色调均匀,影像条带条带镶嵌边缘影像色调基本均匀,无明显的拼接痕迹,DOM几何精度和接边精度符合设计要求。

5.2 成果精度评估

5.2.1评估方法

本项目采用保密点(加密点精度)对DEM、DOM成果进行了精度评估和检查,详见“资源三号卫星地面系统数据处理中心建设项目—定标基础数据制作DEM、DOM数据制作自检报告(京冀豫场区)”。

5.2.2精度验证区检测结果

利用精度验证区30个外业实测点的坐标和高程,与内业采集的DEM数据进行对比,可以看出,DEM高程高程精度满足15000数字高程模型格网点(地形类别为平地)对于附近野外控制点的高程中误差要求。

5.3 成果质量评价

本测区项目成果经作业员自查、项目组检查和中心质检人员最终检查,认为DEMDOM产品的空间定位参考系统正确,内业加密、DEMDOM生产所使用的数据可靠、方法正确,平差计算和精度检查的各项精度指标符合设计要求DEM成果数据起始格网点坐标、格网间距正确;DOM影像分辩率符合规定,影像色调基本一致,影像拼接无明显痕迹。

项目数据生产范围和成果数量满足合同书要求,提交的DEMDOM数据成果质量符合技术设计要求。

6 数据制作提交的测绘成果

项目的外业测量、数据处理与DEMDOM作提交的成果:

115000数字高程模型DEM数据,格式为TIF+TFW(硬盘提交2);

215000数字正射影像图DOM栅格数据,格式为TIF+TFW(硬盘提交2);

3) 图幅接合表文件,格式为DWG

4) 资源三号卫星地面系统数据处理中心建设项目—定标基础数据制作DEMDOM数据制作技术总结(京冀豫测区);

5) 资源三号卫星地面系统数据处理中心建设项目—定标基础数据制作DEMDOM数据制作自检报告(京冀豫测区);

6) 数据制作成果资料移交书;

7) 其他相关数据和成果资料

7 结论和建议

7.1 结论

      1)本场区采用基于IMU/DGPS的空三作业方法,使用先进的像素工厂和全数字摄影测量工作站,在不到三个月的时间内,完成了50000Km21:5000 空三加密、DEM采集和DOM制作任务。数据制作的工作量满足合同要求,数字产品的精度符合设计书要求。

2)项目组对空三加密、DEM采集和DOM制作的各个环节和最终产品进行了有效的质量检查,结果表明14个加密分区中空三加密控制点最大点位中误差0.82m,最大高程中误差0.53m;利用 25108个空三加密保密点检查了850幅DEM,利用16592个明显地物点检查了938幅DOM,结果表明数字产品的数学精度满足设计书规定的高程精度与平面精度要求。采用的质检方法合理,精度检查结果可靠。

3DOM数据制作采用世界一流的遥感影像自动化处理系统像素工厂PF( Pixel Factory)PF适用于新一代装有IMU/ GPS的数码传感器的数字像机,是由一系列算法、工作流程和硬件设备组成的复合最优化系统,具有强大的影像处理能力。项目组利用2台PF,在一个多月的时间内完成了8468幅的1:5000 DOM数据生产任务,充分说明DOM数据制作采用的技术方法先进,作业效率远超常规作业方法。

4)除航空摄影工序外,DEM采集是本项目实施过程中工作量最大的环节和技术难点。针对DEM数据精度要求高,采集费时费力的特点,项目组投入了一百名技术人员、77台套数字摄影测量工作站,在短短两个多月的时间内,完成了50000Km2DEM数据采集和制作任务,充分说明项目组织实施得力,为工程顺利完工提供了可靠保障。

 

7.2 建议

1)对大幅面的卫星影像应用而言,分幅DEMDOM数据不方便使用。建议在后续类似工作中根据场区大小和DOM影像数据量大小,在1:5000比例尺数据产品相应精度保持不变的情况下,将DEMDOM数据产品的分幅改为1:10万分幅大小,以减少图幅数量,便于用户使用。

2)各种通用的空三软件,理论上讲都可以通过PATB进行格式交换,实际作业过程中经常会出现各种问题。建议后续工程使用统一的空三软件,例如INFO等优秀摄影测量软件进行空三加密,以提高作业效率和精度。