肖鋒，李思杰

(1.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003； 2.河南省項(xiàng)城市國(guó)土資源局，河南周口 466200)

衛(wèi)星遙感影像在1∶1萬(wàn)比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用

肖鋒1?，李思杰2

(1.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003； 2.河南省項(xiàng)城市國(guó)土資源局，河南周口 466200)

豫西部分區(qū)域因受軍事原因的限制，一直沒(méi)有進(jìn)行1∶1萬(wàn)比例尺地形圖測(cè)繪工作，成為本省基礎(chǔ)測(cè)繪無(wú)圖區(qū)。為實(shí)現(xiàn)全省1∶1萬(wàn)地形圖全覆蓋，測(cè)繪主管部門提出應(yīng)用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品制作的方向。我院組織技術(shù)人員開(kāi)展了利用衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像進(jìn)行DLG、DOM、DEM的制作研究，為以IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像為數(shù)據(jù)源，在多種地形條件下生產(chǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)工藝化，提供成熟、可靠的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)利用衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像進(jìn)行數(shù)字產(chǎn)品制作技術(shù)在基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用。

無(wú)圖區(qū)；基礎(chǔ)測(cè)繪；衛(wèi)星影像

1 引 言

河南省是首輪1∶1萬(wàn)地形圖更新啟動(dòng)較早的省份之一。隨著測(cè)繪信息技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及“數(shù)字河南”的逐步實(shí)施，河南省1∶1萬(wàn)地形圖更新工作蓬勃開(kāi)展，有關(guān)部門對(duì)1∶1萬(wàn)測(cè)繪成果的需求也越來(lái)越大。而西部山區(qū)由于地形條件、經(jīng)濟(jì)條件制約和軍事需要，一直無(wú)法采用航空攝影的方法進(jìn)行1∶1萬(wàn)基本比例尺地形圖的測(cè)繪工作，致使該區(qū)域形成本省基礎(chǔ)測(cè)繪無(wú)圖區(qū)，影響“數(shù)字河南”對(duì)基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)的需要，難以滿足西部山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、水土保持、林業(yè)規(guī)劃等行業(yè)用圖需要。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本區(qū)域?qū)?∶1萬(wàn)地形圖及相關(guān)產(chǎn)品的需求日趨迫切。為適應(yīng)這一需求和滿足地方需要，為用戶提供快速高效測(cè)繪服務(wù)，河南省測(cè)繪局啟動(dòng)豫西無(wú)圖區(qū)首輪1∶1萬(wàn)地理空間信息數(shù)字化基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)，填補(bǔ)1∶1萬(wàn)地形圖空白區(qū)，盡快實(shí)現(xiàn)本省1∶1萬(wàn)地形圖全覆蓋。為實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，主管部門確定了以遙感影像為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的基本方向。循著這一方向，我們提出以IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行DLG、DOM、DEM的制作，生產(chǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的數(shù)字產(chǎn)品，為這一技術(shù)規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用方面，提供成熟、可靠的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范化的生產(chǎn)技術(shù)模式及工藝流程，促進(jìn)利用衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像進(jìn)行數(shù)字產(chǎn)品制作技術(shù)在基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用。

眾所周知，早期高分辨率傳感器的研制與應(yīng)用主要是在軍事領(lǐng)域。以較大比例尺遙感制圖為目的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，到20世紀(jì)90年代以后才逐漸進(jìn)入商業(yè)和民用領(lǐng)域，并迅速地發(fā)展起來(lái)。隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間遙感活動(dòng)中所使用的傳感器的工作波段已得到充分?jǐn)U展，遙感成像傳感器的空間分辨率也在迅速提高，高分辨率的衛(wèi)星影像的應(yīng)用得到快速發(fā)展。1 m～0.4 m遙感影像迅速發(fā)展，民用進(jìn)度大大加快。利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行較大比例尺遙感制圖以及監(jiān)測(cè)人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響成為可能。我國(guó)利用高分辨率遙感衛(wèi)星圖像進(jìn)行三維定位和測(cè)圖的起步比較晚，目前雖然在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了一些相關(guān)項(xiàng)目(利用航天影像測(cè)圖)的研究，但是大都處于研究、探索階段，從地形來(lái)講，限于平地的居多。尤其是在應(yīng)用高分辨率衛(wèi)星圖像測(cè)繪地形圖方面缺乏系統(tǒng)性的應(yīng)用。豫西山區(qū)，有丘陵地、山地和高山地，對(duì)采用IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像測(cè)繪1∶1萬(wàn)比例尺數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地形圖(DLG)提供了豐富類別的地形條件，對(duì)研究利用衛(wèi)星遙感測(cè)繪地形圖應(yīng)用的技術(shù)方法和工藝流程十分有益。

2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)我國(guó)遙感測(cè)圖的現(xiàn)狀，結(jié)合我院承擔(dān)的多項(xiàng)航天領(lǐng)域的研究成果，探索從遙感衛(wèi)星影像立體模型的建立，到地面目標(biāo)三維定位、立體影像匹配、地圖測(cè)圖、圖像融合諸多方面涉及的理論、方法和應(yīng)用處理方案。尤其在遙感影像測(cè)繪地形圖的外業(yè)像片布設(shè)控制點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密、內(nèi)業(yè)制作DOM、DEM、DLG等工藝方面取得具體成果，得到工程實(shí)踐的檢驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用，以河南省西部無(wú)圖區(qū)的1∶1萬(wàn)遙感立體影像測(cè)圖為實(shí)踐目標(biāo)，并對(duì)成果的精度進(jìn)行全面的檢測(cè)和評(píng)定，為相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

(1)通過(guò)外業(yè)布設(shè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像的糾正，解決外業(yè)布點(diǎn)與圖形精度的最優(yōu)關(guān)系，探索外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)方案的最優(yōu)化布設(shè)方法，為遙感影像的外業(yè)布設(shè)控制點(diǎn)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。

(2)通過(guò)基于數(shù)字測(cè)量工作站的IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像測(cè)繪工作，對(duì)遙感影像測(cè)繪1∶1萬(wàn)地形圖的方法、精度及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行全面的分析和論證，探索遙感影像在1∶1萬(wàn)基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用方法和技術(shù)路線。

(3)以河南省西部1∶1萬(wàn)無(wú)圖區(qū)為研究試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，以完整的工作思路和技術(shù)方案完成河南省西南部無(wú)圖區(qū)131幅1∶1萬(wàn)DOM、DEM、DLG的制作。

(4)對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)繪的DOM、DLG成果，利用RTK外業(yè)實(shí)地采集地物、地貌坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)測(cè)繪的采集坐標(biāo)進(jìn)行比較，全面衡量?jī)?nèi)業(yè)測(cè)繪成果精度，為遙感影像測(cè)繪1∶1萬(wàn)地形圖的應(yīng)用提供依據(jù)。

3 實(shí)施的工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)源情況和成果類型，工藝流程可以設(shè)計(jì)為如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

4 實(shí)施的技術(shù)方法

在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)上，利用IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像，利用像片控制點(diǎn)，采用基于仿射變換的嚴(yán)格幾何模型方法，進(jìn)行IKONOS立體影像對(duì)的絕對(duì)定向參數(shù)解算，通過(guò)自動(dòng)匹配和交互式編輯，自動(dòng)生成數(shù)字高程模型DEM；利用數(shù)字高程模型(DEM)，通過(guò)高分辨率衛(wèi)星影像空間模型進(jìn)行微分糾正，生成按比例尺或地面分解率的數(shù)字正射影像圖(DOM)；采用“先內(nèi)后外”的作業(yè)方法，利用IGS模塊，進(jìn)行立體量測(cè)，分層采集數(shù)據(jù)并對(duì)要素進(jìn)行符號(hào)化，制作數(shù)字線劃圖(DLG)，將DLG和DOM套合輸出，提供外業(yè)進(jìn)行調(diào)繪修改后，返回內(nèi)業(yè)利用MAPSTAR進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，完成數(shù)字線劃圖生產(chǎn)；在檢查、驗(yàn)收合格后，整理、上交成果。

野外控制點(diǎn)布設(shè)時(shí)，每個(gè)立體像對(duì)不少于9個(gè)控制點(diǎn)，作為基本定向點(diǎn)，各點(diǎn)應(yīng)均勻分布；另外布設(shè)16個(gè)檢查點(diǎn)，用于檢查解算的精度。將所選點(diǎn)位及周圍影像以1∶2萬(wàn)比例尺和254DPI輸出于相紙上作為控制片，作為選點(diǎn)工作圖，供外業(yè)控制判點(diǎn)和點(diǎn)位標(biāo)注使用，像幅大小約為15 cm×15 cm，并保存其數(shù)據(jù)文件?？刂泣c(diǎn)測(cè)量采用固定站加流動(dòng)站的方法施測(cè)，施測(cè)時(shí)平面和高程同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)GPS網(wǎng)應(yīng)至少聯(lián)測(cè)4個(gè)平面起算點(diǎn)用于解算樁點(diǎn)的平面坐標(biāo)?？刂泣c(diǎn)的高程用GPS擬合高程，對(duì)于高山地區(qū)由于重力異常的存在，其區(qū)域網(wǎng)的高程GPS擬合應(yīng)特別注意擬合模型的選擇，每個(gè)GPS網(wǎng)應(yīng)至少聯(lián)測(cè)6個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，并應(yīng)保證在GPS網(wǎng)的四周及中間均勻分布。高程測(cè)量時(shí)，可以利用河南省大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行解算。

IKONOS衛(wèi)星高分辨率立體遙感影像測(cè)繪時(shí)，在建立測(cè)區(qū)、建模型和定義影像參數(shù)及相對(duì)定向完成后，采用基于仿射變換的嚴(yán)格幾何模型的方法進(jìn)行絕對(duì)定向。基于仿射變換的嚴(yán)格幾何模型方法是利用至少5個(gè)以上已知的控制點(diǎn)，應(yīng)用試驗(yàn)采用9個(gè)控制點(diǎn)，進(jìn)行立體影像對(duì)絕對(duì)定向參數(shù)的解算，根據(jù)檢查點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)中誤差。之后，通過(guò)批創(chuàng)建模型來(lái)劃分模型區(qū)域，便于分模型測(cè)繪。

立體測(cè)圖，按照GB/T 5791－93《1∶5 000 1∶10 000地形圖圖式》的要求和內(nèi)容進(jìn)行全要素測(cè)繪。地物采集的順序?yàn)?居民地、獨(dú)立地物、道路、水系、管線和垣柵、植被等。為避免重復(fù)，有關(guān)各要素的表示方法和相互間關(guān)系按要求處理。測(cè)圖過(guò)程中，應(yīng)對(duì)有疑問(wèn)的要素做好標(biāo)記，外業(yè)補(bǔ)調(diào)時(shí)解決。一幅圖測(cè)完后，應(yīng)對(duì)各類要素進(jìn)行符號(hào)化，并對(duì)要素間的關(guān)系進(jìn)行處理，滿足圖式要求。在接邊和整理工作完成后，圖幅應(yīng)在進(jìn)行圖廓整飾后，將DLG與DOM套合輸出，提供外業(yè)使用。外業(yè)調(diào)繪結(jié)束后，應(yīng)用面向建庫(kù)的數(shù)據(jù)編輯系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字線劃圖制作。數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)基本質(zhì)量要求，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)正確，平面、高程精度符合要求；要素分類、編碼及幾何類型按《河南省1∶1萬(wàn)DLG要素分類編碼表》(以下簡(jiǎn)稱《編碼表》)執(zhí)行，要素分類代碼正確；各要素?cái)?shù)據(jù)之間關(guān)系合理，公共邊必須拷貝生成；各層面要素必須封閉，無(wú)懸掛點(diǎn)，無(wú)自相交；有向點(diǎn)、有向線方向正確；圖幅間按規(guī)定要求接邊，保持圖形、屬性的一致性；數(shù)據(jù)格式符合GB/T 17798，滿足建庫(kù)要求；同時(shí)在作符號(hào)化處理，適當(dāng)編輯后亦能滿足制圖出版要求。

DEM生產(chǎn)時(shí)，在立體模型上采集地形特征信息，主要包括:等高線采集；特征線(斷裂線、山脊線、山谷線)、水涯線；離散點(diǎn)采集。DEM生成可以充分利用立體測(cè)圖中的等高線、高程點(diǎn)、路網(wǎng)、水網(wǎng)線等信息。DEM數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)檢查與查錯(cuò)、結(jié)構(gòu)線生成、自動(dòng)檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)中的粗差并消除粗差、由TIN生成方格網(wǎng)DEM、質(zhì)量檢查和接邊處理。格網(wǎng)間距、格網(wǎng)點(diǎn)高程精度要符合要求；DEM圖幅拼接處的同名點(diǎn)高程必須一致；無(wú)同名點(diǎn)的圖幅間及圖幅內(nèi)DEM要接邊；靜止水域內(nèi)的DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程原則上應(yīng)一致，不允許有等高線通過(guò)。流動(dòng)水域的上下游DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程應(yīng)梯度下降，關(guān)系合理；數(shù)據(jù)格式符合GB/T 17798要求，提供的信息文件要正確。

DOM制作，利用數(shù)字高程模型DEM，通過(guò)高分辨率衛(wèi)星影像空間模型進(jìn)行微分糾正而生成。產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式為DOM影像數(shù)據(jù)以TIFF格式存儲(chǔ)。DOM范圍是一個(gè)略大于相應(yīng)1∶1萬(wàn)地形圖范圍的矩形區(qū)域，相鄰圖幅DOM之間保留約100象元的重疊。DOM精度要求DOM地物點(diǎn)相對(duì)于1∶1萬(wàn)地形圖同名點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差與接邊誤差符合規(guī)定，DOM影像地面分辨率為1 m。

數(shù)字產(chǎn)品成果還包括其他的附屬內(nèi)容，如元數(shù)據(jù)文件、文檔資料等。

5 精度檢測(cè)和評(píng)定

絕對(duì)定向精度根據(jù)多余控制點(diǎn)(檢查點(diǎn))的不符值面進(jìn)行評(píng)定。平面精度——丘陵地為3.2 m，山地和高山地為4.6 m；高程精度——丘陵地0.91 m，山地1.10 m，高山地2.88 m。

對(duì)成圖的檢測(cè)，地形圖平面精度可以達(dá)到:圖上地物點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差，丘陵地4.7 m，山地、高山地7.2 m。

高程精度情況為:高程注記點(diǎn)——丘陵地1.17 m，山地2.30 m，高山地3.6 m；等高線——丘陵地1.42 m，山地2.85 m，高山地5.70 m。

DOM的平面精度情況為:圖上地物點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差，丘陵地4.9 m，山地7.3 m、高山地7.2 m。

DEM檢測(cè)，采用RTK測(cè)量的方法，直接檢測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)高程，丘陵地1.2 m，山地2.40 m，高山地3.78 m。

研究范圍涉及的地形類別的三種數(shù)字產(chǎn)品的平面精度和高程精度可以達(dá)到目前1∶1萬(wàn)比例尺成圖的精度要求，表明文中設(shè)計(jì)的技術(shù)方案和工藝流程在1∶1萬(wàn)比例尺數(shù)字產(chǎn)品的生產(chǎn)中可以推廣使用。

6 結(jié) 論

在1∶1萬(wàn)比例尺數(shù)字產(chǎn)品的基礎(chǔ)測(cè)繪中，采用基于仿射變換的方法，可以不依賴于RPC參數(shù)，只需利用少量野外控制點(diǎn)，就可達(dá)到比較滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度，在減輕外業(yè)工作量，提高工作效率方面具有明顯的促進(jìn)作用。衛(wèi)星遙感影像相比航空攝影，成本適宜，對(duì)財(cái)力相對(duì)緊張而又急需使用測(cè)繪成果的地方開(kāi)展測(cè)繪工作可以起到明顯推動(dòng)作用，也利于作業(yè)單位主動(dòng)讓利，擴(kuò)大測(cè)繪服務(wù)的對(duì)象。由于獲取沒(méi)有較多限制，采用衛(wèi)星遙感影像制作數(shù)字產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)快速測(cè)繪、快速更新和保持測(cè)繪產(chǎn)品的現(xiàn)勢(shì)性等方面，顯示出明顯的作用和顯著的效果。

Application of Satellite Remote Sensing Images on the 1∶10 000 Based Surveying and Mapping

Xiao Feng1，Li SiJie2
(1.Henan Institute of Surveying and Mapping Engineering，Zhengzhou 450003，China；2.HeNan province in xiangcheng bureau of land and resources，Zhoukou 466200，China)

West Henan part of the region due to the restrictions of military reasons，has not carried out the work of 1: 10000 scale topographic mapping，surveying and mapping the basis of no plans to become the province area.1∶1 million for the realization of the province－wide coverage topographic maps，the competent department of surveying and mapping using satellite remote sensing images produced by digital mapping product direction.Organization of technical staff in our hospital carried out using high－resolution stereo satellite remote sensing images DLG，DOM，DEM production research，as with high－resolution IKONOS satellite images for the three－dimensional remote sensing data sources in a variety of terrain conditions，the production to meet the standards and norms requirements of digital products and production processes of technology to provide proven，reliable experience，and promote the use of satellite remote sensing high－resolution three－dimensional images produced in digital products based mapping application.

No map area；Basic surveying and mapping；Satellite images

1672－8262(2010)06－82－03

P231

B

2010—05—19

肖鋒(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪及GIS技術(shù)應(yīng)用研究。