白 洪 偉

(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

SPOT5衛(wèi)星影像在1∶1萬地形圖修測中的應(yīng)用

白 洪 偉

(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

研究對SPOT5衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行影像增強(qiáng)、影像配準(zhǔn)、影像融合和影像正射糾正一系列圖像處理，對處理好的影像進(jìn)行矢量化，通過在外業(yè)實(shí)地調(diào)繪及內(nèi)業(yè)圖形整理，進(jìn)行比較。得出SPOT5影像更新地形圖價(jià)格低、工作量少且易于操作，因此，SPOT5衛(wèi)星影像在1∶1萬地形圖修測中有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是有些地物在影像圖上不易判別。

SPOT5;圖像處理;地形圖;矢量化

1 前 言

近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為地形圖修訂工作提供了方便、有效的新技術(shù)手段。SPOT5衛(wèi)星遙感影像具有許多特性，比如：周期性短、現(xiàn)勢性好、真實(shí)性高和系統(tǒng)性完善，在進(jìn)行地形圖修測中這些特性具有明顯的優(yōu)勢[1，2]。把所得到的衛(wèi)星遙感影像用于1∶1萬地形圖修測中，整個(gè)過程只需要采用簡單的數(shù)字化和矢量化作業(yè)方法，就可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲得監(jiān)測土地在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況。當(dāng)?shù)氐耐恋卣w規(guī)劃和決策等相關(guān)部門就可以充分利用這些土地變化信息，清楚地認(rèn)識到本區(qū)域土地利用現(xiàn)狀及變化情況，對不利于本地區(qū)發(fā)展的因素及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，不僅可以對前期所做的工作給出正確的評價(jià)，還可對今后本地區(qū)的發(fā)展方向及未來的發(fā)展規(guī)劃給出正確的方向，進(jìn)而國土部門就可以方便、快捷地管理和利用土地，使土地利用更科學(xué)化。1∶1萬地形圖基本上可以滿足各地區(qū)對土地利用規(guī)劃的要求，所以把SPOT5影像應(yīng)用于1∶1萬地形圖修測中是極其重要的研究，可以及時(shí)、有效地使用圖部門獲得相關(guān)信息。

2 影像圖像處理

對SPOT5影像進(jìn)行圖像處理時(shí)所需要的軟件是ERDAS。圖像處理的過程主要有以下4個(gè)方面:影像增強(qiáng)處理、影像配準(zhǔn)、影像融合和影像正射糾正。具體如下：

2.1 影像增強(qiáng)

SPOT5全色影像具有很多特性，如分辨率高、紋理信息豐富等，在進(jìn)行影像增強(qiáng)的過程中要保證遙感影像中大部分的紋理信息不會發(fā)生改變。為使遙感影像中的紋理結(jié)構(gòu)在影像增強(qiáng)時(shí)得到增強(qiáng)，通常會使用5×5的模板算子，當(dāng)使用5×5的模板算子進(jìn)行高通濾波處理時(shí)遙感影像紋理結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果會比較明顯。SPOT5多光譜影像中含有比較豐富的光譜方面的信息，不一樣的波段影像對于不一樣的地物反映效果比較好，所以，做SPOT5影像增強(qiáng)之前需要選擇最好的波段和最容易分辨的色彩，這樣就可以最多地運(yùn)用各波段所含有的信息來輔助遙感影像的判別。5、4、3波段包含了大量的信息，如果把這3個(gè)波段配上紅、綠、藍(lán)3種顏色，就可以生成假彩色合成圖像，使遙感影像光譜信息得到增強(qiáng)。這3個(gè)組合的顏色比較親近自然，看起來也比較習(xí)慣，而且這3個(gè)組合包含了很多信息，能夠明顯區(qū)分各種地物之間的差別[3，4]。

2.2 影像配準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)有的資料SPOT5多光譜影像和SPOT5全色影像，這兩個(gè)遙感影像圖之間可以作為相互配準(zhǔn)參考的依據(jù)，可以把兩幅遙感影像之間所共有的影像完整、清楚的區(qū)域在圖上標(biāo)記出來，作為兩幅影像圖的配準(zhǔn)區(qū)域，再以幾何多項(xiàng)式模型作為配準(zhǔn)模型，進(jìn)行兩幅影像圖之間的配準(zhǔn)[5-6]。但進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)有以下要求：配準(zhǔn)時(shí)所使用的控制點(diǎn)誤差不大于1個(gè)像元；兩幅影像圖之間的采樣間隔應(yīng)相同；在地勢起伏較大的地區(qū)，還沒有準(zhǔn)確定位標(biāo)志的時(shí)候，可以使用山頭、兩條河流交叉處作為配準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3 影像融合

SPOT5全色影像具有高分辨率的特性，而SPOT5多光譜影像具有多光譜特性，為了得到既具有高分辨率，又具有多光譜特性的遙感影像，可以將兩種影像進(jìn)行融合。目前，影像融合的方式有許多種，經(jīng)過分析比較，決定采用PCA主成分變換法。遙感影響融合的具體過程是：首先，需要輸入多波段遙感數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA主成分變換，接著輸入高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，用它把主成分進(jìn)行替換，最后把主成分進(jìn)逆變換，完成以上的步驟就可以生成既具有高分辨率，又具有多光譜特性的影像。

2.4 融合后影像的正射糾正

圖1 作業(yè)流程圖

通常情況下，對SPOT5衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行的糾正都是以整幅圖形作為糾正單元，以現(xiàn)有的1∶1萬柵格圖(DRG)作為參考、糾正模型選取二次多項(xiàng)式模型來完成此次影遙感像的糾正[7，8]。因?yàn)樗x擇的影像圖地勢起伏相對而言較大，因此在此次糾正過程中必須要加入數(shù)字正射影像(DEM)進(jìn)行正射糾正，在進(jìn)行糾正過程選取影像上分布均勻的控制點(diǎn)(20個(gè)左右)，這些控制點(diǎn)的選取很重要，對糾正的精度影響很大，因此盡可能把控制點(diǎn)選取在一些特征點(diǎn)上(如:兩條道路的交點(diǎn)，兩條河流的交叉點(diǎn)等)。遙感影像糾正時(shí)中誤差應(yīng)不大于4.8 m，該中誤差在2個(gè)像元以內(nèi)，符合要求。

3 地形圖修測的作業(yè)流程

3.1 修測方法

根據(jù)所有的工具及資料、西安地區(qū)1∶1萬柵格地形圖、SPOT5全色影像及SPOT5多光譜影像，采取的修測方法是：遙感影像的糾正與影像的處理、對遙感影像(柵格圖)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)字化變?yōu)槭噶繄D及修測影像圖、外業(yè)調(diào)繪。

3.2 作業(yè)流程圖

作業(yè)流程圖見圖1。

4 內(nèi)業(yè)矢量化及修測

4.1 內(nèi)業(yè)矢量化

前面已經(jīng)對SPOT5影像進(jìn)行了一系列的影像處理，處理后的影像具有了高分辨率、多光譜等特性，完成以上的操作，就可以對影像進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如圖2通過肉眼就可以大致看出影像圖上的一些地物，接下來就可以矢量化影像圖了。

圖2 矢量化圖形 圖3 西安市地形圖修測圖

對影像圖進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量化的目的主要是對在影像圖上可以辨別出來的如道路、河流等進(jìn)行數(shù)字化，這需要對影像圖有個(gè)大概的了解，如圖2所示，在該圖形上可以清楚地看見一條道路，可以直接進(jìn)行數(shù)字化，對于一些不容易辨別的，或有些地方發(fā)生了變化，則需要經(jīng)過實(shí)地勘察才可以進(jìn)行矢量化。矢量化需要足夠的耐心，不能粗心大意，否則會使精度大大降低。

4.2 內(nèi)業(yè)修測

根據(jù)要求，在進(jìn)行1∶1萬地形圖修測的時(shí)候，最主要的是對居民地、池塘和公路進(jìn)行判讀。SPOT5全色影像清晰度不高，要認(rèn)真辨別，準(zhǔn)確地確定地物類別和所占面積。在現(xiàn)有技術(shù)的情況下,1∶1萬矢量地形圖數(shù)據(jù)的更新主要是實(shí)地考察調(diào)繪所獲得的。為了使更新精度達(dá)到1∶1萬地形圖的要求,在室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)要充分利用現(xiàn)有資源,比如當(dāng)?shù)氐匦螆D、交通圖、鐵路圖冊。

從圖3可以看出，在這次新增地物矢量化中找到的新地物共有11處，其中線狀地物2處(如三環(huán)路用紅色顯示)，面狀地物有9處：包括新增的居民點(diǎn)和體育場(用粉色表示)。在此過程中一定還存在一些遺漏的地方或者被解譯不準(zhǔn)確的地方，需要掌握具體方法，提高精度。

另外，有多處地方可用于檢查精度的舊地物。比較典型的有下面兩處。一處是在拼接后地形圖的右上角，兩條路幾乎重合，說明此處幾何校正的精度較高，吻合的較好；另一處是左下角，即兩條新增公路交叉處的上方，從圖上可以看出兩條路偏移較大。說明幾何校正誤差較大，不能很好的吻合。具體見圖4和圖5。

圖4 誤差較小的圖 圖5 誤差較大的圖

由圖4、圖5可知，在進(jìn)行矢量化的圖層中可以顯示圖像幾何校正的精度問題，圖4右上部分精度較高，重合度較高，而圖5左下角精度較差，導(dǎo)致兩條道路的偏差明顯，距離偏差達(dá)到158 m之多。

造成這樣現(xiàn)象的原因是控制點(diǎn)的選取分布不均勻。糾正時(shí)選取的控制點(diǎn)在右上部分比較集中，而左下角較少，導(dǎo)致變形大且精度較低。另一方面是由于選擇的控制點(diǎn)不是比較明顯的或者選擇的特征地物不是很典型的。

5 結(jié) 論

根據(jù)本次SPOT5衛(wèi)星影像在1∶1萬地形圖修測的應(yīng)用研究，可以得出：

(1)SPOT衛(wèi)星遙感影像是測繪更新的依據(jù)，影像質(zhì)量好壞會直接影響到修測地形圖的正確與否。所以一般情況下，要選擇比較清晰的影像，這樣就可以比較容易辨別出特殊的地物(如房子，河流等)。

(2)由于SPOT5衛(wèi)星所獲得的遙感影像分辨率不是很高，對于1∶1萬地形圖的調(diào)繪工作比較困難，所以應(yīng)選擇比較簡單易判斷的地物進(jìn)行調(diào)繪。

(3)運(yùn)用SPOT5遙感影像可以進(jìn)行1∶1萬地形圖的修測及更新，更新的地形圖在精度方面基本可以滿足要求，操作也比較簡單，適用于1∶1萬地形圖的更新。

(4)用SPOT5影像更新地形圖的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格低、工作量少、易于操作，一般的測繪單位就可以組織實(shí)施。缺點(diǎn)是有些地物在影像圖上無法判別。

(5)SPOT5影像對一些單獨(dú)地物，或零散地物難以判斷。而對一些現(xiàn)狀地物(道路，河流)和面狀地物(居民地、田地、樹林等)比較容易判斷。

(6)實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪有時(shí)不能準(zhǔn)確判斷出自己的位置，這時(shí)應(yīng)該在圖上選擇有特征的地物(池塘、道路)來判斷自己的位置。

(7)矢量化時(shí)一些地物不能隨便判斷，對于難以辨別的地物，必須要進(jìn)行實(shí)地考察。

(8)圖像處理必須按照操作步驟進(jìn)行，不能漏掉任何一步，否則會給后面工作帶來不便。

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[責(zé)任編輯：王榮榮 英文編輯：劉彥哲]

Application of SPOT5 Satellite Images in 1∶10000 Topographic Maps Repair Test

BAI Hong-wei

(Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center, Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000，China)

SPOT5 satellite remote sensingimages were procesed by image enhancement,image registration,image fusion and image ortho rectification.Then the processed images were vectorquantized field mapped and indoor arranged,By comparison,the SPOT5 images and graphic maps were updated with less workload,low price,and easy operation.But some features in the image map were not easy to determine.So the SPOT5 satellite image has certain application value in the 1∶1 milliontopographic map revision.

SPOT5;image processing;topographic map;vectorquantization

宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題資助(2013YKF04)；宿州學(xué)院教研項(xiàng)目(szxyjyxm201419)；宿州學(xué)院一般科研項(xiàng)目(2013yyb06)

白洪偉(1987-)，男，安徽宿州人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)闇y繪與3S技術(shù)。

P 237

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.04.011

來稿日期：2015-03-26