航空摄影像片无控制生成DEM接边差分析

　　摘要：对控制点方法和无控制点方法生成DEM的差别和DEM接边差的来源进行了分析，比较了同一组航片数据的DEM接边差的大小和精度，得出无控制表面匹配技术生成的DEM比转刺控制点方法生成的DEM的接边差精度高，为今后进一步研究无控制方法生成的DEM的精度奠定了基础。
　　关键词：无控制点；DEM；接边差
　　
　　1 引言
　　历史航空影像资料往往是获取偏远地区或危险地区的详细地形表面信息的唯一可用的历史数据源。这些多时相的航空摄影像片资料，使得重建某个领域过去的地形变化成为可能。由于不能建立有效的控制点，传统的控制点绝对定向方法限制了对珍贵历史航空影像资料的利用，以及摄影测量技术的自动化和其应用领域。新兴发展的无控制表面匹配技术，直接利用参考DEM作为控制信息进行绝对定向，不需要建立长期稳定可靠的控制点，使得用不能建立有效控制点地区航空影像资料开展多时相DEM的地表差异探测等实际应用成为可能。
　　无控制点方法生成的DEM因为没有足够的控制点数据，不能按传统方法得出DEM的精度。本文以成昆铁路普雄工务段普歪沟泥石流区域为实验区，收集了该地区的历史航空像片，分别用传统数字摄影测量方法和无控制点方法生成DEM，分析了数据生产过程的差别，并提出用DEM接边差来衡量两种方法生成的DEM的精度。试验结果表明对无法建立稳定可靠控制点的航片，采用无控制点表面匹配差异探测技术进行DEM的绝对定向是一种有效的方法。
　　2 数字高程模型的生成
　　2.1 传统方法DEM的生成
　　应用数字摄影测量系统生成DEM的过程一般包括预处理、影像匹配、匹配结果编辑以及DEM生成等步骤。本文以数字摄影测量工作站JX4-A为平台，经过内定向、相对定向、绝对定向、等高线数据采集等过程，最终生成普歪沟的1987年和1957年的格网间距10m、比例尺为1：2000的DEM数据。由于试验区域历史上的地面观测资料缺乏，地面控制资料的收集较为困难，故历史航片采取实地测量和转刺相结合的办法获得航片控制点坐标。转刺控制点要考虑地形变化因素。通过实地考察普歪沟流域的泥石流侵蚀现状，根据地形和当地环境气候，选择水土流失较小的位置，在1987年航片上选刺外控点。
　　2.2 无控制方法DEM的生成
　　相对定向建立起的立体模型，是相对于选取的某个坐标系，坐标系在地面坐标系中的方位是未知的，比例尺也是任意的。确定立体模型在地面坐标系中的方位和大小，要把模型坐标变换为地面坐标。这种坐标系的变换称之为模型的绝对定向。求解绝对定向的七个参数（即绝对定向元素），通常是需要一定数量的地面控制点。不通过地面控制点来求解绝对定向元素的方法，即无控制点方法绝对定向。
　　无控制点获取外方位元素的例子一般有以下三种情况：一种是用其他方法获得精确的控制数据代替控制点数据，比如使用LIDAR数据作为控制信息或者研究利用控制线来代替控制点进行航空影像的绝对定向；一种是用低精度的控制点数据进行绝对定向，如用扫描现有地图并数字化的方法获取低精度的控制点坐标或用理论上地形变化不明显的容易辨认的特征点代替地面控制点；一种是基于无控制DEM匹配算法直接解算两个表面之间的七个转换参数进行达到绝对定向的目的。本文提到的无控制点方法绝对定向，指的是利用无控制匹配算法进行立体模型的绝对定向。无控制点方法绝对定向的关键技术是无控制DEM匹配技术。
　　
　　3 DEM接边差分析
　　3.1 DEM精度影响分析
　　无控制点绝对定向方法与控制点绝对定向方法生成DEM，最大的差别在于绝对定向的方法不同。因此，对同一组航片资料，两种方法生成DEM的精度，影响最大的因素应该是绝对定向。一个区域生成DEM可以是单个模型进行，也可以由多个模型一起生成一个大范围的整体DEMs。由单个模型生成大范围的整体DEMs，需进行DEM的拼接。这就要先建立起全区域每个模型的DEM，并且相邻模型必须互相有一定范围的重叠。由于随机误差、绝对定向误差等诸多因素的影响，相邻DEM重叠区域在两个DEM上的高程值并不不一致，这就是接边差。它是影响DEM质量的一个重要因素。
　　根据航片的特点和生成DEM的整个工作流程来看，DEM接边差的来源主要是以下四个方面：
　　航片质量因素。相邻航片反差过大或云影遮盖。
　　绝对定向因素。绝对定向造成的相邻像对的同名点点位误差过大。
　　编辑因素。边缘部分无法编辑，生成的DEM在边缘部分会有局部变形。
　　重叠度因素。高差大的地区，DEM必须增大重叠度，否则像对之间拼接有漏洞。重叠度大也是造成大面积影像模糊和轻度重影现象的主要原因之一。
　　根据控制点方法和无控制点方法生成DEM的流程，可采用同一作业人员等方法来减小编辑因素对DEM接边差的影响。因此，同一组航片，用控制点和用无控制点方法生成DEM，接边差的最大来源是绝对定向因素。通过统计分析比较两种方法生成DEM的接边差，便可间接得出无控制点方法生成的DEM的精度相对于控制点方法生成的DEM的关系。
　　3.2 DEM接边差试验
　　由转刺控制点方法生成的DEM数据，存在7个大小不等的重叠区域。为了分析无控制点匹配方法对DEM接边差的影响，对某一个重叠区域，取其中任意一个DEM作为基准DEM，另一个DEM作为待匹配DEM，采用无控制点匹配方法匹配之后即可得到无控制点DEM。通过比较控制点和无控制DEM的接边差，得到7组试验结果，结果显示无控制点方法比控制点方法生成的DEM重叠区域同名点高程值较差均值大多有大幅减小，减小幅度为39.6%到90.5%；无控制点方法同名点高程值中误差与前者相比较也有所减小，减小了5.4%到34.2%。从不同重叠区域的试验结果来，无控制点DEM的接边差比控制点DEM的接边差无论是均值还是中误差均改善很多，前者接边差均值接近于0，中误差较后者减少了78.8%到94.9%。
　　试验结果表明，采用控制点方法生成的DEM，经无控制点方法匹配后，DEM接边差的均值减少，精度提高。无控制点DEM比控制点DEM接边差精度平均提高了35.9%，其中航向重叠区域接边差精度平均提高了49.7%，旁向重叠区域接边差精度平均提高了15.2%；当控制点DEM的高程中误差较大时，无控制点匹配方法生成的DEM，将大大地提高DEM接边差的精度；无控制DEM的接边差精度的提高与基准DEM的精度有关，基准DEM精度比待匹配立体模型的精度越高，无控制匹配得到的DEM接边差精度提高得越显著；对难以建立稳定可靠控制点的历史航片，可以通过无控制点表面匹配差异探测算法进行DEM独立模型的绝对定向和连接，提高整体DEMs的精度。
　　在数字摄影测量方法生产DEM过程中，DEM接边差的来源主要有航片质量因素、绝对定向因素、编辑因素、重叠度因素四个因素。同一组航片，若分别用控制点方法生成DEM和用无控制点方法生成DEM，两种方法生成的DEM的接边差的最大来源是绝对定向因素。