方醒

（安徽省第三測繪院，合肥230012）

1 引言

以往基礎(chǔ)測繪1∶10 000 地形圖更新主要采用航空數(shù)碼影像，這一技術(shù)極易受氣候、地理條件等因素干擾，且數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷時較長，無法保證地形圖更新時效性。而利用衛(wèi)星影像，可以通過高分辨率立體測繪衛(wèi)星搭載光學(xué)相機，構(gòu)建三線陣立體測圖體系，突破氣候、地理因素干擾，并壓縮數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期?；诖?，探究基礎(chǔ)測繪1∶10 000 地形圖更新中的衛(wèi)星影像應(yīng)用技術(shù)非常必要。

2 應(yīng)用概況

2.1 衛(wèi)星選擇

本次衛(wèi)星影像擬采用我國自主研發(fā)、發(fā)射的第一顆光學(xué)高分辨率民用立體測圖衛(wèi)星——資源三號衛(wèi)星，衛(wèi)星搭載4 臺相機（1 臺分辨率為5.8 m 的多光譜相機+3 臺分辨率為2.1 m、3.5 m、3.5 m 的全色相機），均為線陣推掃模式，光譜相機幅寬為52.0 km，回歸周期為59 d，軌道傾角、軌道高度分別為97.421°、505.984 km，可以滿足全球南緯84.0°～北緯84.0°以內(nèi)無縫影像覆蓋要求。該衛(wèi)星影像在焦平面上對若干片時間延遲積分電荷耦合器進(jìn)行了交錯安裝，再配合分光等模式，可以獲得一條類似于直線的耦合陣列。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

測區(qū)平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)分別為2000 國家大地坐標(biāo)系與1985 國家高程基準(zhǔn)。其中，平面基準(zhǔn)為高斯-克呂格投影，分帶度為3.0°，中央經(jīng)線為120°。平面位置精度（地形圖上地物點對周邊野外控制點平面位置誤差）要求低于±0.75 mm，高程精度要求（高程注記點、等高線對周邊野外控制點高程誤差）分別小于2.5 m、3.0 m。

3 應(yīng)用流程

3.1 控制點與像控點布置

測區(qū)均為山地、高山地環(huán)境，交通不便，現(xiàn)有影像均為單景立體影像[1]。因此，在控制點布置時，需要圍繞控制測區(qū)范圍，將平高控制點分別布置在測區(qū)4 個角，并盡可能共用相鄰景重疊部分平高控制點，在區(qū)域中心周邊布置1 個及1 個以上平高檢查點，利用LB102 的B 級控制點作為條件檢核。共布置2 個檢查點，保證平差精度。

在像控點布置時，選擇GPS-RTK 方法，經(jīng)南方S86GPS-RTK 接收機LNCORS 客戶端接收播發(fā)的信號，確定點位信息，選擇周圍無遮擋信號、實地可精準(zhǔn)辨別、影像清晰度高的像控點坐標(biāo)[2]。測區(qū)內(nèi)設(shè)置的平高像控點位置為16 個，實際測量像控點為28 個，測區(qū)4 角采集方式為對點采集，其余針對目標(biāo)，結(jié)合實地位置進(jìn)行逐點采集。測區(qū)墻角、房角目標(biāo)像控點均位于目標(biāo)點頂部，地角、道路交叉口以及類似位置目標(biāo)像控點實際位置精度小于1.0 m。

3.2 地形要素表達(dá)

采用16 個像控點定向結(jié)果進(jìn)行立體圖像構(gòu)建時，需要開展DLG 采集工作。在DLG 采集工作開展過程中，需要以最新控制點資料為依據(jù)，進(jìn)行1∶10 000 地形要素指標(biāo)的重新表達(dá)，包括居民地及設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、境界及地名、交通及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施等。

對于居民地及設(shè)施，更新后的地形圖可以在宏觀層面進(jìn)行居民地輪廓、分布特征連通性、其他相關(guān)要素的反映。即依托測區(qū)矢量圖，經(jīng)衛(wèi)星立體像對、航片立體像對分別采集房屋，并分別利用紅色線、黃色線表示。同時在線劃圖下進(jìn)行航片DOM 套合，可以在保證影片分辨率處于較高水平的同時，促使衛(wèi)星影片在房屋綜合尺度上處于較大數(shù)值。而針對利用線狀、點狀表示房屋判讀難度大的情況，可以在外業(yè)調(diào)繪片應(yīng)用基礎(chǔ)上，利用時效更新的衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)表示新增房屋。

對于水系及附屬設(shè)施，在面狀水系要素范圍線出現(xiàn)變化時需要進(jìn)行相應(yīng)面要素的同步更新，同理，在出現(xiàn)線狀水系新增、新消退時也需要進(jìn)行相應(yīng)線要素的同步更新。一般在河流、溝渠實地寬度超出5.0 m 時，可以選擇雙線依比例尺結(jié)合外業(yè)調(diào)繪、其他資料表示河流、溝渠；而對于面積超出200.0 m2的面狀水系，則可以利用外業(yè)調(diào)繪+其他資料直接在衛(wèi)星圖像上表示。

對于境界及地名、地貌，利用最新境界資料以及最新行政區(qū)劃簡冊、全國地名普查數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，進(jìn)而在立體模型下，重新采集地貌變化區(qū)域信息，進(jìn)行等高線、高程點更新。

對于交通及附屬設(shè)施，利用寬度指標(biāo)的依比例尺（按實際寬度構(gòu)面）表示雙線道路。若需更新道路信息，則依據(jù)公路部門發(fā)布的最新資料以及外業(yè)調(diào)繪片，利用依比例尺表示寬度超出20.0 m 的道路以及城區(qū)寬度超出7.0 m 的市政道路[3]。

對于管線及附屬設(shè)施，若需更新相關(guān)信息，則可以依據(jù)電力部門提供的電網(wǎng)數(shù)據(jù)、水利部門提供的水網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行新增、新建、拆除管線及附屬設(shè)施的重新轉(zhuǎn)繪。

3.3 空三加密及數(shù)據(jù)處理

空三加密主要是利用MapMatrix 衛(wèi)片空三加密軟件，經(jīng)過坐標(biāo)系定義、影像引入、制定RPC、引入控制點、創(chuàng)建立體相對、設(shè)置水平分辨率等環(huán)節(jié)，進(jìn)行影像自動加密[4]。

數(shù)據(jù)處理時，采用美國遙感圖像處理軟件ENV15.0 對單景數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先利用軟件自帶的RPB 文件，進(jìn)行輻射校正，將傳感器自身、太陽高度角、地形、大氣干擾消除。操作時需要通過經(jīng)典模式啟動軟件，調(diào)入衛(wèi)星影像并打開。在圖像顯示窗口內(nèi)單擊右鍵選擇“Cursor Location/Value”，自動識別衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)自帶的RPC 文件并進(jìn)行輻射校正，同時將輻射校正后的衛(wèi)星圖像映射到指定地圖投影坐標(biāo)。

在衛(wèi)星圖像映射到地圖投影坐標(biāo)后，利用高程模型DEM數(shù)據(jù)定位進(jìn)行正射影像校正，將衛(wèi)星運行、成像階段引發(fā)的幾何畸變消除。 操作時需要登錄主菜單 Map 選擇“Orthorectification”中的“Generic RPC and RSM”，先后將待糾正的全色影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)自帶DEM 文件加入“RPC Orhtorectify using RPC or RSM”中。進(jìn)而通過Export 進(jìn)行路徑文件保存。循環(huán)開展上述操作，可以完成數(shù)據(jù)影像校正。

在數(shù)據(jù)影像校正后，針對同一測區(qū)圖像重疊問題，可以利用軟件自帶的重疊區(qū)匹配點功能進(jìn)行精確配準(zhǔn)[5]。操作時需要先在軟件中打開全色、多光譜影像，即通過主菜單打開“Registration”中的“Selet Geps：Image to Image”，在幾何校正模型內(nèi)選擇“base image：display#1 warp image：display#2”。然后，以全色影像為基準(zhǔn)，選擇同名控制點（25～30 個均勻分布）。即通過“Ground Control Points Selection”窗口，點擊Add Point 尋找控制點，在同名控制點數(shù)量大于3 個時由RMS 進(jìn)行誤差的自動計算。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)，選擇同一窗口下的“Predict”鍵自動校正。同時在GCP List 窗口中，根據(jù)RMS值進(jìn)行控制點調(diào)整（刪除、重新確定）并點擊Update 鍵刷新，進(jìn)行多光譜影像配準(zhǔn)（將RMS 值控制在1.0 以內(nèi)），配準(zhǔn)后的多光譜影像、全色影像中相同地物所處位置相同。最后，通過“Ground Control Points Selection”窗口的“options”中“warp file”保存多光譜影像。

在獲得多光譜影像后，需要依據(jù)前期配準(zhǔn)流程，選擇地面控制點定位校正法，手工輸入野外實測或地形圖中讀取的控制點坐標(biāo)，促使數(shù)據(jù)影像位置、用戶所需坐標(biāo)系實際坐標(biāo)一一對應(yīng)。在這個基礎(chǔ)上，打開主菜單Transform 中的“Image Sharpening 下拉菜單”，選擇“Gram”中的“Schmidt Spectral Sharpening”，先后選擇低分辨率多光譜影像、高分辨率全色影像，將高分辨率全色影像、低分辨率多光譜影像融合。兩者融合后，可以結(jié)合所需范圍的正射影像圖，進(jìn)行接邊、裁切、鑲嵌處理，獲得無拼接痕跡的新圖像后導(dǎo)出。

4 應(yīng)用質(zhì)量控制及結(jié)果

4.1 DOM 數(shù)據(jù)控制

DOM 數(shù)據(jù)質(zhì)量對1∶10 000 地形圖更新結(jié)果具有直接影響。為保證DOM 數(shù)據(jù)質(zhì)量，基礎(chǔ)測繪人員應(yīng)先后對空間參考系、位置精度進(jìn)行檢查[6]。在空間參考系檢查時，基礎(chǔ)測繪人員應(yīng)以數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)、投影參數(shù)、高程基準(zhǔn)及圖幅分幅為依據(jù)，對照技術(shù)設(shè)計要求，進(jìn)行檢查；而在后者檢查時，基礎(chǔ)測繪人員應(yīng)依據(jù)外業(yè)測量檢查點，對DOM 數(shù)據(jù)平面位置中的誤差進(jìn)行檢測，并以精度檢測報告的形式進(jìn)行分析。比如平面檢測局部數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 平面精度檢測數(shù)據(jù)（局部）

4.2 影像質(zhì)量控制

在利用軟件進(jìn)行影像校正處理的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)測繪人員還需要在測繪工作開展前，對參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確與否進(jìn)行檢查[7]。在確定參數(shù)設(shè)定正確之后，對照前期要求，確定加密點點位設(shè)置定向結(jié)果是否與精度相符，保證空三過程中控制點點位分布均勻、基本定向點分布合理、點位數(shù)量及密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。同時對基本定向點殘差、公共點較差、多余控制點較差進(jìn)行計算，保證其均在精度要求范圍內(nèi)。比如，該測區(qū)X、Y、Z 方向的控制點坐標(biāo)殘差偏移值分別為0.012 141 m、0.036 982 m、-0.004 124m，測區(qū)X、Y、Z 方向的控制點坐標(biāo)殘差標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.332 141m、0.623 521m、0.163 25m，測區(qū)X、Y、Z 方向的控制點坐標(biāo)殘差最大值分別為0.802 141m、1.132 141m、1.186 521m。而測區(qū)最大圖像坐標(biāo)殘差為0.612 141pixels、0.865 21pixels，標(biāo)準(zhǔn)圖像坐標(biāo)殘差為0.102 352pixels、0.326 512pixels ，偏移圖像坐標(biāo)殘差為-0.000 028pixels、0.000 685pixels，與空三精度要求相符。

5 結(jié)語

綜上所述，通過將衛(wèi)星影像應(yīng)用于1∶10 000 地形圖更新中，可以直接查找地物變更區(qū)域，降低基礎(chǔ)測繪工作量。因此，根據(jù)衛(wèi)星影像特點，基礎(chǔ)測繪人員可以恰當(dāng)布置像控點和控制點，科學(xué)制定并實施空三加密操作。在獲得數(shù)據(jù)后，在ENV15.0軟件或類似軟件中進(jìn)行衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)處理，保證1∶10 000 地形圖更新精準(zhǔn)度。