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Minimising systematic error surfaces in digital elevation models using oblique convergent imagery

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Abstract:

Abstract There are increasing opportunities to use consumer-grade digital cameras, particularly if accurate spatial data can be captured. Research recently conducted at Loughborough University identified residual systematic error surfaces or domes discernible in digital elevation models (DEMs). These systematic effects are often associated with such cameras and are caused by slightly inaccurate estimated lens distortion parameters. A methodology that minimises the systematic error surfaces was therefore developed, using a mildly convergent image configuration in a vertical perspective. This methodology was tested through simulation and a series of practical tests. This paper investigates the potential of the convergent configuration to minimise the error surfaces, even if the geometrically more complex oblique perspective is used. Initially, simulated data was used to demonstrate that an oblique convergent image configuration can minimise remaining systematic error surfaces using various imaging angles. Additionally, practical tests using a laboratory testfield were conducted to verify results of the simulation. The need to develop a system to measure the topographic surface of a flooding river provided the opportunity to verify the findings of the simulation and laboratory test using real data. Results of the simulation process, the laboratory test and the practical test are reported in this paper and demonstrate that an oblique convergent image configuration eradicates the systematic error surfaces which result from inaccurate lens distortion parameters. This approach is significant because by removing the need for an accurate lens model it effectively improves the accuracies of digital surface representations derived using consumer-grade digital cameras. Carefully selected image configurations could therefore provide new opportunities for improving the quality of photogrammetrically acquired data.

French
Résumé

Les appareils photographiques numériques sont de plus en plus accessibles, en particulier pour l’acquisition de données spatiales précises. Des recherches menées récemment à l’Université de Loughborough ont identifié des surfaces ou des dômes visibles dans les modèles numériques d’élévation (MNE) et dus à des erreurs systématiques résiduelles. Ces effets systématiques, fréquents avec les instruments grand public, sont causés par une estimation imprécise des paramètres de distorsion de la lentille. Une méthode qui minimise les surfaces d’erreur systématique a donc été développée, utilisant une configuration où les images sont légèrement convergentes en visée verticales. Cette méthode a été testée au moyen de simulations et d’une série de tests. Cet article analyse le potentiel de la configuration convergente pour minimiser les surfaces d’erreur, y compris lorsqu’une perspective oblique, plus complexe géométriquement, est utilisée. Dans un premier temps, des données simulées sont utilisées pour démontrer qu’une configuration convergente oblique peut minimiser les surfaces d’erreurs systématiques résiduelles en utilisant différents angles de prise de vue. Des tests ont également été réalisés sur un banc d’essai en laboratoire afin de vérifier les résultats de la simulation. Le besoin de développer un système pour mesurer la surface de l’eau d’une rivière en crue a fourni l’occasion de vérifier les conclusions de la simulation et des tests en laboratoire grâce à des données réelles. Les résultats du processus de simulation, des tests en laboratoire et des tests avec des données réelles, sont présentés dans cet article et montrent que l’acquisition d’images obliques convergentes supprime les surfaces d’erreurs systématiques dues à l’imprécision des paramètres de distorsion de l’optique. Cette approche est pertinente dans la mesure où le fait de pouvoir se passer d’un modèle précis de l’optique permet une amélioration effective de la précision des modèles numériques de surface obtenus à partir d’appareils photographiques numériques grand public. Des configurations de prise de vue soigneusement choisies permettraient ainsi d’améliorer la qualité des produits de la photogrammétrie.

Keywords: close range photogrammetry; convergent image configuration; digital camera; digital elevation model; spatial measurement

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1111/j.1477-9730.2011.00623.x

Affiliations: ( )( j.h.chandler@lboro.ac.uk)Loughborough University, Email: r.wackrow@lboro.ac.uk

Publication date: 2011-03-01

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