基于GeoEye-1高分辨率衛(wèi)星影像的1∶1萬地形圖精度分析*

何 浩，于 浩，胡新玲

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，新疆烏魯木齊 830000)

基于GeoEye-1高分辨率衛(wèi)星影像的1∶1萬地形圖精度分析*

何 浩1，于 浩2，胡新玲1

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，新疆烏魯木齊 830000)

以GeoEye-1衛(wèi)星影像為源數(shù)據(jù)，利用DPGrid作為內(nèi)業(yè)平差、精度評(píng)定軟件，以新疆某一測(cè)區(qū)為例，探討了利用GeoEye-1衛(wèi)星影像制作1∶1萬地形圖的方法，并對(duì)像控點(diǎn)起算點(diǎn)個(gè)數(shù)、分布情況對(duì)其精度的影響進(jìn)行了分析。

GeoEye-1高分辨率衛(wèi)星影像;起算點(diǎn)個(gè)數(shù);起算點(diǎn)分布;精度

0 引言

在測(cè)繪作業(yè)中，某些情況下難以獲得控制點(diǎn)，如中國西部困難地區(qū)測(cè)圖，境外敏感軍事目標(biāo)測(cè)圖，非洲、南美等第三世界地區(qū)測(cè)圖等。這些測(cè)圖工程的實(shí)施，都提出了少控制或無控制測(cè)圖的要求，而GeoEye-1/IKONOS衛(wèi)星系統(tǒng)具有高精度的衛(wèi)星星歷和姿態(tài)參數(shù)的測(cè)定能力，可顯著地提高無地面控制點(diǎn)的定位精度，滿足應(yīng)用需求。

通常在無地面控制點(diǎn)的情況下，使用RFM的IKONOS影像能達(dá)到的平面精度為25 m(CE90)，高程精度為22 m(LE90)，而GeoEye-1數(shù)據(jù)產(chǎn)品可達(dá)到平面精度為4 m(CE90)，高程精度為6 m(LE90)。這個(gè)精度指標(biāo)指的是絕對(duì)定位精度，而其內(nèi)部的相對(duì)精度很高，大約可以達(dá)到像素級(jí)的精度，也就是說，RFM存在一個(gè)系統(tǒng)性的誤差。

如果有少量的地面控制點(diǎn)(1個(gè)或2個(gè)控制點(diǎn))，就可以設(shè)法利用控制點(diǎn)改正RFM的系統(tǒng)誤差，來有效的提高基于RFM的測(cè)圖精度。

為了確定在少控制點(diǎn)或無控制點(diǎn)的情況下利用GeoEye-1衛(wèi)星影像測(cè)圖的精度情況，本文進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于天山山脈東段北麓三塘湖盆地，北與蒙古人民共和國接壤。巴里坤哈薩克自治縣縣城位于試驗(yàn)區(qū)外南部約120 km。測(cè)區(qū)地處邊界附近，無航空影像數(shù)據(jù)，測(cè)區(qū)自然條件惡劣，風(fēng)沙大且地表覆蓋物較少，很不利于傳統(tǒng)像片控制作業(yè)，故采用GeoEye-1衛(wèi)星影像。本次作業(yè)選用6對(duì)12景GeoEye-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，產(chǎn)品類型GeoStereo立體像對(duì)，覆蓋1∶10 000圖幅27幅(見檢測(cè)區(qū)域影像)。作業(yè)區(qū)地形以平地、丘陵地為主，平地17幅，丘陵地10幅，約675 km2(見圖1)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)影像數(shù)據(jù)，作業(yè)區(qū)共布設(shè)像控點(diǎn)21個(gè)。以每景為單位，區(qū)域四角布設(shè)像控點(diǎn)。精度檢測(cè)設(shè)計(jì)3種方案:無控制、1個(gè)點(diǎn)、多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。另外，在平地區(qū)域，還實(shí)地測(cè)設(shè)了131個(gè)圖根碎部點(diǎn)，作為平差結(jié)束后的高程精度檢測(cè)數(shù)據(jù)。平差結(jié)束后，進(jìn)行立體建模，進(jìn)入立體量測(cè)模式，對(duì)131個(gè)圖根碎部點(diǎn)在各模型中逐一進(jìn)行了量測(cè)，平差結(jié)果精度、檢查點(diǎn)精度按照相應(yīng)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行精度評(píng)定、分析。

圖1 檢測(cè)區(qū)域影像Fig.1 Images of detection region

同時(shí)，根據(jù)提供的衛(wèi)星影像，分析影像模型配對(duì)情況，針對(duì)測(cè)區(qū)觀察、分析模型之間有無漏洞，能否對(duì)測(cè)區(qū)整體范圍進(jìn)行覆蓋，進(jìn)行立體測(cè)圖作業(yè)。

目前，針對(duì)GeoEye-1衛(wèi)星影像的平差軟件有4種，即:DPGrid、PixelGrid、VirtuoZo3.75、jx4c。在這4 種軟件中，VirtuoZo3.75與DPGrid在處理衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的軟件模塊上是一致的，考慮到后期圖幅的模型裁切，模型下載的便利性，最終選用DPGrid。

轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)與轉(zhuǎn)刺航片像控點(diǎn)一致，圖2是本次作業(yè)試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，外業(yè)需要布設(shè)的像控點(diǎn)及其分布圖。

圖2 試驗(yàn)區(qū)像控點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution plot of photo control points in test area

對(duì)于衛(wèi)星影像，內(nèi)業(yè)還有一個(gè)關(guān)鍵的步驟，那就是衛(wèi)星影像每一對(duì)景模型內(nèi)的連接點(diǎn)和模型之間的連接點(diǎn)的選取。模型內(nèi)的連接點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離保持在3～3.5 km，在模型內(nèi)橫豎均勻排列，模型范圍不論大小，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離都可依此距離選取，只有這樣才能保證定向單位權(quán)中誤差(像素)小于一個(gè)像元。此外，模型之間的連接點(diǎn)，不能選得太少，若連接點(diǎn)太少模型高程連接差就會(huì)過大，模型之間連接點(diǎn)的間距保持在2 km左右，這樣便于模型接邊。

利用已知像控點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，在平差結(jié)果中需判定定向單位權(quán)中誤差(Pixel)小于一個(gè)像元，看定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)的平面和高程精度是否滿足現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求。

結(jié)合衛(wèi)星影像范圍，以圖幅范圍或者以給定的模型大小范圍為單位進(jìn)行模型裁切。裁切過程中，確保模型之間有一定的重疊。

最后，將高等級(jí)控制點(diǎn)或者外業(yè)實(shí)地實(shí)測(cè)的圖根碎部點(diǎn)引入模型，量測(cè)高程，進(jìn)行比對(duì)，求取中誤差，進(jìn)行精度評(píng)定。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 無控制平差結(jié)果

無控制平差計(jì)算，主要利用衛(wèi)星影像自身的*.rpc參數(shù)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)21個(gè)像控點(diǎn)都作為檢查點(diǎn)，驗(yàn)證其在無控制點(diǎn)的情況下，GeoEye-1衛(wèi)星影像的定位精度。

表1 無控制點(diǎn)情況下點(diǎn)位精度Tab.1 Precision of point position under non-control point

從表1可以看出，在無控制的情況下，平面精度在1.5 m以內(nèi)，規(guī)范規(guī)定1∶10 000比例尺地形圖，平地、丘陵地平面精度小于2.0 m，山地、高山地平面精度小于3.0 m。因此，在無控制的情況下，平面精度已完全滿足規(guī)范要求。但高程誤差很大，從數(shù)據(jù)顯示，模型偏高。

1.3.2 1 個(gè)點(diǎn)平差結(jié)果

1個(gè)點(diǎn)的平差計(jì)算，選取作業(yè)區(qū)角上、邊上、中間任意一處，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，有1個(gè)點(diǎn)參與的情況下，高程精度較無控制點(diǎn)有明顯提高。表2、表3分別顯示了1個(gè)控制點(diǎn)平差計(jì)算后的最高點(diǎn)位精度和最低點(diǎn)位精度情況。

表2 1個(gè)控制點(diǎn)情況下最高點(diǎn)位精度Tab.2 Highest positional accuracy under one control point

表3 1個(gè)控制點(diǎn)情況下最低點(diǎn)位精度Tab.3 Lowest positional accuracy under one control point

從表2、表3中可以看出，在1個(gè)點(diǎn)的情況下，平面精度已能控制在1.0 m以內(nèi)，已完全滿足規(guī)范要求，且高程精度也較無控制平差有明顯提高。規(guī)范規(guī)定1∶10 000比例尺地形圖，丘陵地高程精度小于1.0 m，山地高程精度小于2.0 m。因此，在一個(gè)點(diǎn)的情況下，高程精度已能達(dá)到丘陵地、山地的要求。

1.3.3 多個(gè)點(diǎn)平差結(jié)果

多個(gè)點(diǎn)的平差計(jì)算中，擬訂了4個(gè)點(diǎn)、6個(gè)點(diǎn)、四角及轉(zhuǎn)折處、周邊布點(diǎn)、所有點(diǎn)5種布點(diǎn)方案。其中，4個(gè)點(diǎn)、6個(gè)點(diǎn)的精度與1個(gè)點(diǎn)比較，沒有明顯提高和改變;而四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的精度結(jié)果已能達(dá)到平坦地區(qū)要求。在點(diǎn)數(shù)增多的情況下，周邊布點(diǎn)、所有點(diǎn)布點(diǎn)，其精度與四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)結(jié)果相同，精度沒有較大提高。各種布點(diǎn)圖見圖3～7。其中，四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的平差計(jì)算，選取作業(yè)區(qū)最大范圍四角及轉(zhuǎn)折處布設(shè)，四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)精度，見表4。

圖3 4點(diǎn)布點(diǎn)圖Fig.3 Distribution plot for four points

圖4 6點(diǎn)布點(diǎn)圖Fig.4 Distribution plot for six points

表4 四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)精度Tab.4 Precision of points at 4 corners and turn places

從表4中可以看出，在四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的情況下，平面精度、高程精度已達(dá)到平坦地區(qū)規(guī)范要求。規(guī)范規(guī)定1∶10 000比例尺地形圖，平坦地區(qū)定向點(diǎn)高程精度小于0.35 m，檢查點(diǎn)高程精度小于0.5 m。由此得出，在四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的情況下，平面精度、高程精度已完全達(dá)到平坦地區(qū)的要求。

圖5 四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)圖Fig.5 Distribution plot for 4 corners and turn places

圖6 周邊布點(diǎn)圖Fig.6 Distribution for periscater diagram

圖7 所有點(diǎn)布點(diǎn)圖Fig.7 Distribution plot for all points

1.3.4 圖根碎部點(diǎn)檢測(cè)

平差計(jì)算后發(fā)現(xiàn):4點(diǎn)布點(diǎn)與1點(diǎn)布點(diǎn)的平差結(jié)果在平面和高程精度方面沒有大的改變。而周邊布點(diǎn)、所有點(diǎn)與7個(gè)點(diǎn)布點(diǎn)比較，平面和高程精度也沒有太大改善。6點(diǎn)布點(diǎn)與7點(diǎn)布點(diǎn)比較，6點(diǎn)布點(diǎn)的定向控制點(diǎn)高程精度稍有偏大。規(guī)范規(guī)定1∶10 000比例尺地形圖，平坦地區(qū)定向點(diǎn)高程精度小于0.35 m。為了檢測(cè)在少量控制點(diǎn)起算條件下，此影像模型的定向精度，經(jīng)過比較選擇7個(gè)點(diǎn)布點(diǎn)方案的平差結(jié)果，檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)平地區(qū)域，實(shí)地施測(cè)的131個(gè)圖根碎部點(diǎn)和未參與平差計(jì)算的14個(gè)像控點(diǎn)的高程精度進(jìn)行對(duì)比，見表5。

表5 圖根碎部點(diǎn)和像控點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Height accuracy statistics for mapping control points，detail points and photo control points

從表5中可以看出:四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的平差結(jié)果，經(jīng)模型量測(cè)后其檢測(cè)精度已完全達(dá)到規(guī)范和相關(guān)設(shè)計(jì)的規(guī)定限差。

2 結(jié)論

通過本文的試驗(yàn)分析可以得到如下結(jié)論:

1)在無控制的情況下，平面精度已完全滿足1∶10 000比例尺地形圖規(guī)范要求，但高程誤差較大，尚不能滿足規(guī)范要求。

2)在1個(gè)控制點(diǎn)的情況下，平面和高程精度已能達(dá)到1∶10 000比例尺地形圖對(duì)丘陵地、山地的要求。

3)在四角及轉(zhuǎn)折處布點(diǎn)的情況下，平面和高程精度趨于穩(wěn)定，已能達(dá)到1∶10 000比例尺地形圖平坦地區(qū)精度的要求。在此基礎(chǔ)上，隨著地面控制點(diǎn)數(shù)量的增多，測(cè)圖精度沒有太大改善。

[1]江恒彪，關(guān)鴻亮，曹天景.WorldView－2核線影像立體測(cè)圖研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2009(5):32 ～34.

[2]張永生，鞏丹超.高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用——成像模型、處理算法及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[3]文沃根.高分辨率IKONOS衛(wèi)星影像及其產(chǎn)品的特性[J].遙感信息，2001(1):37 ～38.

Accuracy Analysis of 1∶10 000 Scale Topographic Map Based on GeoEye-1 High Resolution Satellite Images

HE Hao1，YU Hao2，HU Xin-ling1
(1.College of Architectural Engineering，Xinjiang University，Urumqi Xinjiang 830047，China;2.The Information Center of Xinjiang Geology and Mineral Resource Exploitation and Development Bureau，Urumqi Xinjiang 830000，China)

This article selected the GeoEye-1 satellite images for source data，and took the DPGrid as the indoorwork adjustment and precision assessment software，taking one survey area in Xinjiang Autonomous region for example，discussed the making method of 1∶10 000 sclae topographic map used GeoEye-1satellite image，and analyzes the influence of the number and distribution of origin points of photo control for 1∶10 000 scale topographic map.

GeoEye-1 high-resolution satellite images;the number of origin points;distribution of origin point;accuracy

P 231

A

1007－9394(2011)02－0012－03

2011－01－19

何浩(1979～)，男，湖南道縣人，碩士，講師，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量、遙感應(yīng)用的教學(xué)與科研工作。