基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測(cè)圖技術(shù)研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,北京 100038)

基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測(cè)圖技術(shù)研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,北京 100038)

以某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像、外業(yè)控制資料等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行影像區(qū)域網(wǎng)平差解算,對(duì)平差精度進(jìn)行分析,并通過(guò)部分試驗(yàn)區(qū)外業(yè)調(diào)繪來(lái)分析 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像是否滿足國(guó)家相應(yīng)規(guī)范中 1∶10 000、1∶5 000以及1∶2 000地形圖修測(cè)要求,最終形成基于 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像的立體測(cè)圖生產(chǎn)工藝流程。

衛(wèi)星影像;地形圖;立體測(cè)圖;GeoEye-1

一、引 言

目前,在基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域,航空攝影測(cè)量成圖方法是進(jìn)行基本比例尺地形圖生產(chǎn)和更新的主要手段。衛(wèi)星遙感的立體像對(duì)與航空影像的立體像對(duì)一樣,也能夠進(jìn)行不同比例尺的地形圖測(cè)繪。與航空影像不同的是,高分辨率遙感衛(wèi)星的軌道高度一般在幾百千米,衛(wèi)星遙感影像受大氣和地形的影響較小,影像條帶的寬度一般在幾十千米,覆蓋的范圍也較大,因而非常適合于邊境、無(wú)人區(qū)和禁飛區(qū)等地的測(cè)圖。此外,遙感衛(wèi)星按軌道周期運(yùn)動(dòng),可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行多次重復(fù)觀測(cè),數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng),能夠加快地形圖的更新速度,因而航天攝影測(cè)量成圖逐步成為航空攝影測(cè)量成圖方法的一種有益和必要的補(bǔ)充[1-2]。

隨著衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的不斷提高和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,立體成像能力的逐步增強(qiáng),影像價(jià)格也將呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。0.5 m分辨率的WorldView-1衛(wèi)星和 0.41 m分辨率的 GeoEye-1衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射更是為大比例地形圖的測(cè)繪提供了可靠數(shù)據(jù)源。本文以某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1 0.5 m分辨率衛(wèi)星遙感影像、外業(yè)控制資料等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行影像區(qū)域網(wǎng)平差解算,對(duì)平差精度進(jìn)行分析,并通過(guò)部分試驗(yàn)區(qū)外業(yè)調(diào)繪來(lái)分析 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像是否滿足國(guó)家相應(yīng)規(guī)范中 1∶10 000、1∶5 000以及 1∶2 000地形圖修測(cè)要求,最終形成基于 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像的立體測(cè)圖生產(chǎn)工藝流程,為大規(guī)模地應(yīng)用于城市大比例尺地形圖更新打下基礎(chǔ)。

二、試驗(yàn)與分析

1.GeoEye-1衛(wèi)星影像

本試驗(yàn)采用 2009年 3月 GeoEye-1衛(wèi)星獲取的某地區(qū)的同軌立體影像,經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的幾何改正,影像質(zhì)量良好。影像格式為 GeoTiff,重疊度約為90%,覆蓋面積約 138 km2。該試驗(yàn)區(qū)東西寬約114 km,南北長(zhǎng)約 120 km,平均海拔為 87 m。試驗(yàn)區(qū)西北部為山區(qū),東北部為平原,西南部為城鄉(xiāng)結(jié)合部并覆蓋部分河流,東南部為城區(qū)。

2.外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量

根據(jù) GeoEye-1衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差的要求,需要進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量。這里所需的外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量與常規(guī)的航測(cè)成圖外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量類似,主要包括選刺點(diǎn)、控制點(diǎn)測(cè)量以及相應(yīng)的點(diǎn)位整飾和點(diǎn)之記等。控制點(diǎn)測(cè)量采用網(wǎng)絡(luò) RTK,其平面精度為±5 cm,高程精度為 ±10 cm,完全滿足采用航測(cè)方法生產(chǎn) 1∶10 000、1∶5 000和 1∶2 000地形圖的外業(yè)控制點(diǎn)量測(cè)的規(guī)范要求。為了分析不同控制點(diǎn)分布、不同控制點(diǎn)數(shù)量情況下區(qū)域網(wǎng)平差的精度,所施測(cè)的 44個(gè)控制點(diǎn)均勻分布于立體像對(duì)的重疊區(qū)域,并選刺于明顯的地物點(diǎn)。

3.區(qū)域網(wǎng)平差

(1)平差數(shù)學(xué)模型

由于成像方式的不同,國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出許多不同的成像幾何模型。一般情況下,可以將它們大致分為嚴(yán)密幾何成像模型和通用幾何成像模型兩大類。由于信息安全和技術(shù)秘密等原因,有些高分辨率衛(wèi)星的軌道和成像參數(shù)信息是不公開(kāi)的。

TAO C V等人的研究表明,利用屬于通用幾何成像模型的有理函數(shù)模型進(jìn)行衛(wèi)星影像的地理定位時(shí),其精度僅次于基于共線方程的嚴(yán)密幾何成像模型,甚至在理想情況下也能達(dá)到與嚴(yán)密幾何成像模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。因?本文采用基于有理函數(shù)模型的 GeoEye-1衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差方法[3-4]。

(2)平差方案與精度統(tǒng)計(jì)

本文采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的 PixelGrid軟件對(duì) GeoEye-1衛(wèi)星影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。在本文的試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了若干種不同的定向點(diǎn)布點(diǎn)方案,并用其他的像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)來(lái)分析區(qū)域網(wǎng)平差精度與像控點(diǎn)的數(shù)量和分布的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn),并對(duì)比不同方案的定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,證明采用 15個(gè)左右的均勻布點(diǎn)方案效果最佳。區(qū)域網(wǎng)平差的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1所示。

表1 區(qū)域網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)m

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 13990—1992),本文試驗(yàn)得到的結(jié)果可以滿足1∶5 000地形圖的絕對(duì)定向后基本定向點(diǎn)殘差和多余控制點(diǎn)不符值的規(guī)定。

4.立體測(cè)圖

考慮到衛(wèi)星遙感的立體像對(duì)覆蓋范圍比較大、數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn),在立體測(cè)圖時(shí)選擇DPGrid.SLM軟件,該軟件采用服務(wù)器和客戶端相結(jié)合的測(cè)圖模式。在服務(wù)器端,主要完成定向、定義模型范圍,創(chuàng)建和批處理模型,分配任務(wù),輸出成果等工作;在客戶端,主要完成測(cè)圖和質(zhì)量檢查工作,與常規(guī)的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站測(cè)圖模塊相似。

本文基于所選擇的 GeoEye-1立體衛(wèi)星影像,完成了 1∶2 000內(nèi)判測(cè)圖 2幅,1∶5 000、1∶10 000內(nèi)判測(cè)圖各 1幅,并提交給外業(yè)進(jìn)行精度檢測(cè)和調(diào)繪。

5.精度檢測(cè)

近年來(lái),已有許多關(guān)于衛(wèi)星影像成圖精度的研究[5-6],但對(duì)高分辨率衛(wèi)星更新大比例尺地形圖的研究較少。為了檢驗(yàn) GeoEye-1衛(wèi)星立體像對(duì)的內(nèi)判測(cè)圖精度,進(jìn)行了外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。與外業(yè)控制點(diǎn)的測(cè)量類似,檢測(cè)點(diǎn)選擇的都是明顯地物點(diǎn),點(diǎn)位均勻分布于測(cè)圖區(qū)域,每張圖的外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為 100個(gè)左右。當(dāng)測(cè)量建筑物時(shí),如有房檐則測(cè)量房檐投影到地面點(diǎn)的坐標(biāo),而不是測(cè)量房基坐標(biāo)。在外業(yè)完成測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)工作后,內(nèi)業(yè)技術(shù)人員根據(jù)外業(yè)測(cè)量的檢測(cè)點(diǎn)和內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 2所示。

表2 外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)及精度統(tǒng)計(jì)m

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《1∶500 1∶1 000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930—2008)和《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 13990—1992),在本次試驗(yàn)中,基于 GeoEye-1衛(wèi)星立體像對(duì)的內(nèi)判測(cè)圖不但滿足 1∶5 000地形圖的精度,甚至能達(dá)到 1∶2 000地形圖的精度。由此可見(jiàn),基于 GeoEye-1衛(wèi)星立體像對(duì)進(jìn)行相關(guān)大比例尺地形圖的修測(cè)能夠符合相關(guān)規(guī)范的精度要求。

6.外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪針對(duì)前期的 1∶5 000、1∶10 000內(nèi)判測(cè)圖成果進(jìn)行。

(1)試驗(yàn)區(qū)情況

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有村莊、河流、山地、機(jī)關(guān)企事業(yè)單位及住宅小區(qū)等,大部分為建成區(qū)。幾條主要道路貫穿整個(gè)測(cè)區(qū)。城區(qū)部分高層建筑樓房較多,房屋密集,郊區(qū)部分以多層樓房和村落式民居為主,居民地的主要形式為集團(tuán)式。測(cè)區(qū)內(nèi)交通擁擠、樓房樹(shù)木較多給作業(yè)帶來(lái)了一定的難度。

(2)地形要素處理

①居民地

1)內(nèi)業(yè)絕大多數(shù)都可以準(zhǔn)確定位,外業(yè)一般只需要調(diào)繪相應(yīng)的屬性信息即可,只是在房屋的綜合取舍方面,不同的作業(yè)員會(huì)有不同的結(jié)果。

2)頂部為深色的或尖頂?shù)臉欠?其邊線不易判讀。作業(yè)時(shí)需要盡量在現(xiàn)場(chǎng)多量取一些相關(guān)距離,以便準(zhǔn)確的繪出樓房形狀。

②道 路

1)內(nèi)業(yè)只有少部分不能準(zhǔn)確定位,主要是因?yàn)橛性苹蜢F的影響,或者存在立體效果不太好的區(qū)域,外業(yè)一般調(diào)繪道路的屬性信息便可。

2)靠近高樓、樹(shù)底下、路邊有綠地及陰影下的線狀地物不易判讀,如鐵絲網(wǎng)、柵欄、圍墻、道路邊線、溝渠邊線等;在影像圖上清繪時(shí)盡量取與其臨近的明顯地物距離以便繪出線狀地物的準(zhǔn)確位置。

③水 系

內(nèi)業(yè)定位都比較準(zhǔn)確,外業(yè)調(diào)繪工作與航空影像相比,幾乎沒(méi)有差別。

④植 被

由于試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1衛(wèi)星影像目前是全色影像,而由內(nèi)業(yè)確定植被范圍的時(shí)候,全色影像具有較大的局限性,因而外業(yè)調(diào)繪工作量會(huì)大一些。

⑤獨(dú)立地物

1)由于衛(wèi)星影像的空間分辨率相對(duì)較低,獨(dú)立地物中如電線桿、微波、獨(dú)立廁所、水井、水塔等,內(nèi)業(yè)幾乎看不清,往往無(wú)法分辨,外業(yè)工作量也有一定程度地增加。

2)相對(duì)較大的獨(dú)立地物如煙筒、發(fā)射塔、高壓桿等也不易判讀,尤其是林地中的很難判斷其準(zhǔn)確位置,作業(yè)時(shí)需要盡量地參照其周圍地物。

(3)小 結(jié)

結(jié)合外業(yè)調(diào)繪可得出：

1)由于衛(wèi)星運(yùn)行的軌道比較高,一般在 500～1 000 km之間,衛(wèi)星影像投影差小,高層建筑物的陰影比航空影像短,遮蓋也相對(duì)較少,這方面有利于外業(yè)調(diào)繪工作。

2)由于衛(wèi)星影像的覆蓋范圍比較大,需要制作專門外業(yè)調(diào)繪片,這與航空影像的外業(yè)調(diào)繪有所不同。

3)用于調(diào)繪的全色影像圖紙不夠清晰,不易判斷線狀地物及獨(dú)立地物的準(zhǔn)確位置。

4)1∶10 000和 1∶5 000兩種比例尺在外業(yè)調(diào)繪的工作上差別較小。

7.內(nèi)業(yè)成圖

依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范,參考外業(yè)調(diào)繪的成果,在AutoCAD環(huán)境下編輯、修改內(nèi)業(yè)采集的地形圖數(shù)據(jù),并完成 1∶10 000、1∶5 000地形圖的制作。

三、生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果,確定了基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測(cè)圖的生產(chǎn)工藝流程,如圖 1所示。

圖 1 基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測(cè)圖工藝流程

與航空影像的立體測(cè)圖相比,衛(wèi)星影像的立體測(cè)圖存在一些不同之處。

1)衛(wèi)星立體像對(duì)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于航空影像的覆蓋范圍,在實(shí)際測(cè)圖之前,需要對(duì)衛(wèi)星立體像對(duì)進(jìn)行分幅裁切。如果軟件功能支持和配置性能較高的 PC機(jī),也可以考慮采用不裁切而直接測(cè)圖的模式。

2)由于衛(wèi)星影像自身的特點(diǎn),在同一個(gè)立體像對(duì)中,同一種地物在不同位置的立體效果不盡相同,例如：在有的位置電線桿的立體效果好,便于立體量測(cè),而在有的位置電線桿的立體效果并不太理想,立體量測(cè)的時(shí)候不能判斷電線桿的準(zhǔn)確位置,這有可能是因?yàn)橛械奈恢眠€存在一定的上下視差。特別是在有云或霧遮擋的區(qū)域,更不利于立體量測(cè)。

3)考慮到衛(wèi)星遙感的立體像對(duì)覆蓋范圍比較大,數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn),在立體測(cè)圖時(shí)宜采用服務(wù)器和客戶端相結(jié)合的測(cè)圖模式,以提高生產(chǎn)效率。

某些研究表明,采用無(wú)控制的方法先內(nèi)判測(cè)圖后進(jìn)行矢量重新定向可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化的生產(chǎn)[7]。但最后進(jìn)行矢量重新定向有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),即重定向所采用的參數(shù)有限,會(huì)導(dǎo)致誤差分布不均勻和模型間的拼接誤差。本文的研究證明,在基于衛(wèi)星影像進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化測(cè)圖的過(guò)程中,應(yīng)該先進(jìn)行嚴(yán)密的區(qū)域網(wǎng)平差,直接在目標(biāo)坐標(biāo)系下進(jìn)行立體測(cè)圖。

四、存在的問(wèn)題

通過(guò)本文的試驗(yàn),已初步實(shí)現(xiàn)了基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測(cè)圖生產(chǎn)工藝。但要真正將其應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)工作,仍需解決幾個(gè)問(wèn)題。

1)性價(jià)比,即生產(chǎn)成本問(wèn)題。目前立體衛(wèi)星影像的采購(gòu)成本遠(yuǎn)高于航空攝影。

2)坐標(biāo)系問(wèn)題。在城市測(cè)繪生產(chǎn)中往往采用地方坐標(biāo)系,由于參數(shù)的保密問(wèn)題,目前的軟件尚無(wú)法直接在地方坐標(biāo)系下測(cè)圖,需要對(duì)成果進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,既增加了工序,還可能帶來(lái)誤差,從而影響成圖精度。

3)航天攝影測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)規(guī)范問(wèn)題。目前尚無(wú)相關(guān)的國(guó)家規(guī)范,舊規(guī)范不適用。

4)相關(guān)軟件還需進(jìn)一步完善。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)航天攝影測(cè)量的深入研究,其理論已趨于成熟。隨著高分辨率商業(yè)衛(wèi)星影像進(jìn)入市場(chǎng),迎來(lái)了大比例尺航天測(cè)圖的新時(shí)代。本文利用某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1全色波段 0.5m空間分辨率的衛(wèi)星影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)和地物采集試驗(yàn),而外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)表明利用GeoEye-1立體影像能夠達(dá)到修測(cè) 1∶1 0000、1∶5 000甚至 1∶2 000地形圖的精度要求,內(nèi)判測(cè)圖和外業(yè)調(diào)繪的成果基本可以滿足地形圖修測(cè)的要求。

隨著衛(wèi)星空間分辨率的逐步提高和相關(guān)技術(shù)的逐步成熟,利用立體衛(wèi)星影像進(jìn)行 1∶2 000地形圖的修測(cè)甚至新測(cè)將成為可能,從而成為基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)的一種有效的補(bǔ)充手段。在不遠(yuǎn)的將來(lái),衛(wèi)星遙感影像測(cè)圖將會(huì)得到越來(lái)越多用戶的認(rèn)可,高分辨率衛(wèi)星遙感影像在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用也將越來(lái)也廣泛,并將成為地理信息數(shù)據(jù)更新和地形圖修測(cè)的重要數(shù)據(jù)源,航天攝影測(cè)量替代航空攝影測(cè)量進(jìn)行城市大比例尺地形圖更新是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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Research on the D igitalMappingM ethod Based on GeoEye-1 Satellite Stereo I mages

ZHANG Haitao,J IA Guangjun,YU Xin

0494-0911(2010)12-0043-04

P236

B

2010-10-18

2009年度國(guó)家測(cè)繪局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(200927)

張海濤(1969—),男,陜西乾縣人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槌鞘袦y(cè)繪。