史園莉，付 卓，姜 俊，張 雪

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

高分二號(hào)衛(wèi)星遙感影像制圖適用性分析

史園莉，付 卓，姜 俊，張 雪

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

遙感影像制圖是高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的主要方面之一。針對(duì)高分二號(hào)衛(wèi)星影像制圖流程，本文討論了影響制圖效果的幾個(gè)關(guān)鍵因素，包括自然真彩色波段合成方式、人眼分辨率與打印分辨率(DPI)的關(guān)系、衛(wèi)星影像空間分辨率與制圖比例尺的關(guān)系。實(shí)踐證明，這些處理方法在高分辨率遙感影像制圖工作應(yīng)用中取得了良好的效果。

高分二號(hào)；遙感制圖；真彩色波段合成；成圖比例尺；打印分辨率

隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感空間分辨率的逐漸提高，使遙感數(shù)據(jù)大比例尺應(yīng)用成為可能，為對(duì)高分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品制圖的迫切需求提供了數(shù)據(jù)保障[1]。與傳統(tǒng)的低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)相比，高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在很大程度上增加了地表信息量，可以更加細(xì)致地反映地物細(xì)節(jié)，但同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的復(fù)雜性[2]。遙感影像制圖是遙感技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容，以遙感影像和地圖符號(hào)來表現(xiàn)制圖對(duì)象地理空間分布和環(huán)境狀況[3-4]。在遙感影像地圖中，圖面內(nèi)容主要由影像構(gòu)成，輔助以一定地圖符號(hào)來表現(xiàn)或說明制圖對(duì)象。相比傳統(tǒng)地圖，遙感影像地圖不僅信息量豐富，而且形象直觀、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，提高了地圖的可讀性。

高分二號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)目前空間分辨率最高、觀測(cè)幅寬最大的民用遙感衛(wèi)星，大幅提升了我國(guó)遙感衛(wèi)星觀測(cè)效能，對(duì)城市規(guī)劃發(fā)展、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、地圖測(cè)繪更新等行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐[5]。根據(jù)長(zhǎng)期環(huán)境遙感制圖實(shí)踐，本文總結(jié)了遙感影像制圖的主要流程，并針對(duì)高分二號(hào)衛(wèi)星影像制圖中自然真彩色波段合成、成圖比例尺和出圖分辨率的選擇等關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析研究，以提高應(yīng)用高空間分辨率遙感影像進(jìn)行環(huán)境制圖的水平。

1 高分二號(hào)衛(wèi)星

高分二號(hào)衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，是我國(guó)目前分辨率最高的民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機(jī)，星下點(diǎn)空間分辨率可達(dá)0.8 m，運(yùn)行在631 km高空的太陽(yáng)同步回歸軌道中，軌道傾角97.908 0°，降交點(diǎn)地方時(shí)10:30AM，設(shè)計(jì)壽命5～8年，回歸周期69 d[5]。高分二號(hào)衛(wèi)星主要載荷技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高分二號(hào)衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)

高分二號(hào)衛(wèi)星傳感器波段設(shè)計(jì)應(yīng)用比較廣泛。全色傳感器具有亞米級(jí)空間分辨率，多光譜傳感器設(shè)計(jì)了藍(lán)、綠、紅、近紅外4個(gè)波段，完全滿足常規(guī)遙感影像地圖制作的數(shù)據(jù)需求。既可以采用單獨(dú)全色影像數(shù)據(jù)制作高分辨率影像圖，也可以采用多光譜影像數(shù)據(jù)制作彩色影像圖，同時(shí)，可以進(jìn)行全色和多光譜數(shù)據(jù)融合后，制作高分辨率的彩色遙感影像圖。

2 制圖流程

常規(guī)衛(wèi)星遙感影像制圖流程如圖1所示，包括數(shù)字正射影像圖制作、影像制圖與整飾、成圖輸出與印刷等3部分主要內(nèi)容。

圖1 高分二號(hào)影像制圖流程

2.1 數(shù)字正射影像制作

數(shù)字正射影像制作主要采用幾何精校正/正射校正、影像融合、勻色鑲嵌/裁切等處理過程，生成色調(diào)均勻、無縫鑲嵌的標(biāo)準(zhǔn)遙感影像圖。首先，根據(jù)制圖要求，選擇所需時(shí)相、制圖范圍云量覆蓋較少的數(shù)據(jù)[6]。其次，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差與正射校正，提高影像的空間定位精度[7]達(dá)到制圖要求。然后將高空間分辨率全色影像和低空間分辨率的多光譜影像融合[8-10]，提高制圖視覺效果。再進(jìn)行真彩色波段合成，有助于地物識(shí)別。最后將多幅影像勻色鑲嵌或?qū)⒛骋粎^(qū)域進(jìn)行剪裁成制圖區(qū)域。

2.2 影像制圖與整飾

根據(jù)制圖區(qū)域和制圖對(duì)象的特點(diǎn)，選擇合理的圖幅規(guī)格和制圖版式，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)清晰的主題要素信息的分類、分級(jí)及符號(hào)化方法；定義數(shù)學(xué)地理基礎(chǔ)，包括平面坐標(biāo)系、地圖投影、高程基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)等；添加相關(guān)的地圖制圖要素進(jìn)行地圖整飾，包括圖名、圖例、圖廓、比例尺、公里格網(wǎng)、指北針、圖記文字等信息。制圖要素需符號(hào)風(fēng)格、顏色、粗細(xì)等協(xié)調(diào)，簡(jiǎn)單精煉。最后，在主圖下方空白處配置相關(guān)文字說明、附注等，包括制圖單位、數(shù)據(jù)來源、成像時(shí)間等相關(guān)信息。

2.3 成圖輸出與印刷

制圖成果應(yīng)版面清晰，無模糊虛斷、接邊明顯等現(xiàn)象。質(zhì)量檢查合格后[11]，在制圖軟件中保存地圖，選擇合適像素分辨率輸出地圖，保證打印成圖的清晰。根據(jù)制圖圖幅大小印刷圖件，非標(biāo)準(zhǔn)圖幅可待打印出圖后裁切成成果圖大小。通常，A0圖幅可采用高光相紙進(jìn)行打印，A4—A3等圖幅可采用銅版紙打印。

3 關(guān)鍵問題

3.1 自然真彩色波段合成

遙感影像平面圖的影像應(yīng)層次豐富、清晰易讀、色調(diào)均勻、反差適中；融合后的影像色彩應(yīng)接近真實(shí)自然，色彩均衡，無明顯偏色與拼接痕跡[12]。遙感影像自然真彩色合成常用的方法主要有3種[13]：①直接用多光譜影像的紅、綠、藍(lán)波段對(duì)應(yīng)R/G/B通道合成，一般用于在計(jì)算機(jī)上快速查看地物細(xì)節(jié)信息；②利用已有波段加權(quán)運(yùn)算重新生成紅、綠、藍(lán)波段，一般用于增強(qiáng)植被、水體等地物顏色層次，提高遙感影像制圖的色彩信息；③利用其他波段信息重新生成某一波段，一般用于缺少波段的傳感器。為提高制圖質(zhì)量，通常在用制圖軟件出圖后，再用PhotoShop進(jìn)行圖片增強(qiáng)處理，通過曲線、色階、色彩平衡、色相飽和度等對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)色，達(dá)到理想的效果。

對(duì)于高分二號(hào)衛(wèi)星高分辨率影像，具有近紅外、紅、綠、藍(lán)4個(gè)波段。在制圖過程中，若直接采用紅、綠、藍(lán)波段組合真彩色合成，影像基本上接近各類地物實(shí)際色彩，但植被的顯示效果并不理想，主要反映在植被整體色調(diào)偏暗[14]，植被內(nèi)部的層次感不強(qiáng)，影響了制圖視覺效果。為此，通常采用波段加權(quán)運(yùn)算增強(qiáng)植被信息，對(duì)綠波段和近紅外波段進(jìn)行加權(quán)后代替原來的綠波段，然后進(jìn)行波段合成。如式(1)所示

(1)

下面選擇2016年8月27日北京鳥巢周邊的高分二號(hào)衛(wèi)星影像為例，進(jìn)行正射校正、數(shù)據(jù)融合處理，對(duì)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波段加權(quán)運(yùn)算，重構(gòu)真彩色影像，如圖2和圖3所示。

圖2 原始影像融合后真彩色波段組合影像

圖3 波段加權(quán)強(qiáng)化植被真彩色波段合成影像(a=0.8)

對(duì)比圖2和圖3，從目視效果看，經(jīng)過波段加權(quán)后的真彩色波段合成影像，整體視覺效果比直接進(jìn)行真彩色組合方法得到了提升，特別是植被區(qū)域色調(diào)更加自然逼真，提高了影像制圖質(zhì)量。

3.2 出圖打印分辨率的選擇

對(duì)于高空間分辨率的遙感影像來說，出圖打印像素分辨率的選擇也是影響出圖效果的一個(gè)重要因素。打印像素分辨率(DPI)通常定義為單位長(zhǎng)度內(nèi)(通常為1 inch，1 inch=2.54 cm)所包含的像素的個(gè)數(shù)。像素分辨率的大小直接影響到影像的數(shù)據(jù)量和地物細(xì)節(jié)的清晰度[2]。一般來說，像素分辨率越高，數(shù)據(jù)量就越大，地物細(xì)節(jié)的清晰程度也越高。但每種制圖打印方式都有最佳分辨率，并非分辨率越高越好。對(duì)于計(jì)算機(jī)制圖出圖像素分辨率，如果超出了人眼視覺分辨率的識(shí)別范圍，并不能提高制圖質(zhì)量，反而徒增了數(shù)據(jù)量，制約了制圖打印效率。

通常情況下，正常視力的人眼在正常明視距離處的分辨率為0.1 mm～0.30 mm[15-16]。據(jù)此可以計(jì)算出紙質(zhì)出圖打印像素分辨率的需求(1 inch=25.4 mm)，見表2。

表2 人眼分辨率與打印分辨率DPI的對(duì)應(yīng)表

圖4 打印分辨率和人眼分辨率的關(guān)系圖

圖4顯示了打印像素分辨率和人眼分辨率的關(guān)系。其中，陰影部分的上邊界表示了最大的用于制圖的像素分辨率，一般用于紙質(zhì)打印出圖(250～300 dpi)，保證較好的印刷還原效果；陰影部分的下邊界表示了可用于制圖的最小像素分辨率，一般用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖片(72～96 dpi)，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響，提高瀏覽速度。對(duì)于高分二號(hào)衛(wèi)星影像制圖，如果像素分辨率超出了陰影部分的上邊界，不會(huì)提高整體的制圖效果，反之，如果低于下邊界，則不適于進(jìn)行制圖。

3.3 空間分辨率與成圖比例尺的選擇

衛(wèi)星傳感器空間分辨率的選擇是遙感制圖的重要環(huán)節(jié)之一，直接決定了地物細(xì)節(jié)的清晰度[17]。衛(wèi)星影像空間分辨率選擇的最主要依據(jù)是制圖比例尺的大小。通常制圖比例尺越大，要求衛(wèi)星影像的空間分辨率越高。但并不是高分辨率的衛(wèi)星影像適于制作所有大小比例尺的圖件，各個(gè)空間分辨率影像都有適宜制圖出圖的比例尺范圍。

為確保制圖細(xì)節(jié)清晰，制圖單位面積的原始像素?cái)?shù)需高于出圖單位面積的像素?cái)?shù)。據(jù)此可得制圖比例尺與影像空間分辨率的關(guān)系，如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

式中，長(zhǎng)度單位均為m。其中，l為1英寸對(duì)應(yīng)的單位米長(zhǎng)度，即0.025 4；Dpi為制圖出圖像素分辨率；Soutput為制圖出圖尺寸；Soriginal為原始像素圖幅大??；Res為衛(wèi)星影像空間分辨率；Scale為制圖比例尺。

根據(jù)上節(jié)出圖打印像素分辨率分析，選擇72～300 dpi作為出圖像素分辨率，可以確定不同空間分辨率的遙感影像制圖比例尺的范圍，見表3。

表3 不同空間分辨率影像的制圖比例尺范圍

圖5 遙感制圖比例尺對(duì)影像空間分辨率的需求

圖5表示了不同制圖比例尺對(duì)衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的需求。其中，白色部分表示最佳的制圖比例尺范圍，斜線填充部分表示該分辨率過高，存在信息和數(shù)據(jù)的冗余，虛線部分表示分辨率低，不適合進(jìn)行該比例尺的制圖。對(duì)于高分二號(hào)衛(wèi)星全色或融合影像空間分辨率1 m，可以制作的最大成圖比例尺為1∶2835，適合的最小成圖比例尺為1∶11 811。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分幅，成圖比例尺范圍在1∶5000～1∶10 000。

4 結(jié) 語(yǔ)

在高空間分辨率的遙感影像制圖過程中，首先，針對(duì)實(shí)際工作需求，根據(jù)制圖區(qū)域和出圖圖廓大小，確定制圖比例尺；然后，根據(jù)制圖比例尺，選擇適宜的空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像；最后，確定打印出圖像素分辨率。同時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)源及制圖需求，選擇合適的波段組合模式。對(duì)于高分二號(hào)衛(wèi)星影像制圖，為確保制圖質(zhì)量，通常采用波段加權(quán)增強(qiáng)植被信息自然真彩色波段組合方式， 紙質(zhì)打印出圖像素分辨率為250～300 dpi，制圖比例尺范圍為1∶2835～1∶11 811。

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ApplicabilityAnalysisofGF-2ImageryMapping

SHI Yuanli，F(xiàn)U Zhuo，JIANG Jun，ZHANG Xue

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China)

The environmental mapping is an important application of high spatial resolution remote sensing images. Based on the mapping progress of GF-2 imagery，some key processing techniques are discussed including natural-color band simulation，the relationship between eye resolution and DPI and the choice of spatial resolution and mapping scale. Actual works prove that these techniques are very useful for imgeries mapping based on high spatial resolution images.

GF-2；remote sensing mapping；natural-color band simulation；mapping scale；DPI

2017-05-31；

2017-08-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0501404)

史園莉(1984—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)處理。E-mail：shiyuanli001@163.com

付 卓。E-mail：fuzhuo@126.com

史園莉，付卓，姜俊，等.高分二號(hào)衛(wèi)星遙感影像制圖適用性分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：86-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0385.

P237

A

0494-0911(2017)12-0086-04