P5衛(wèi)星影像立體測圖的試驗和分析

范 蘭，趙 巍，陳 杰，王海燕

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安710054)

一、引 言

測繪工作中越來越多地采用衛(wèi)星影像測制大中比例尺地圖和提取地面數(shù)字高程模型等。衛(wèi)星遙感的立體像對與航空影像的立體像對一樣，也能夠進行不同比例尺地形圖的測繪［1］?？臻g分辨率達到米級/亞米級的立體遙感圖像，已有能力替代傳統(tǒng)用于1∶50 000和1∶10000比例尺地形圖測繪或地理信息更新的航空影像［2］。高空間分辨率(1～3 m)衛(wèi)星遙感圖像以其高時間分辨率和直接為數(shù)字影像的特點，無疑將成為重要的數(shù)據(jù)源。數(shù)字攝影測量技術(shù)則是快速生產(chǎn)和更新數(shù)字空間數(shù)據(jù)的必要手段［3］。

P5作為高分辨率遙感制圖衛(wèi)星，具有測制大中比例尺地圖的潛力。它可提供用于較大比例尺地形圖制圖、高程建模等的立體像對數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在立體觀測方式、較高的地面分辨率、良好的基高比及理想的高程精度。在立體觀測模式下，由于兩個相機獲取同名地物影像的時間間隔只有52 s，使得兩幅影像的輻射效應(yīng)基本一致，有利于立體觀察和影像匹配［4］。

已有專家利用北京地區(qū)的立體像對數(shù)據(jù)進行了有關(guān)試驗研究，結(jié)果表明，在良好的地面控制點的支持下，平面和高程精度均可達到5 m，滿足國家1∶50 000基本比例尺地形圖測圖規(guī)范要求［4］。但是在1∶10 000測圖生產(chǎn)中能否發(fā)揮潛力，尚需進行試驗和分析。陜西測繪地理信息局利用某地區(qū)的P5立體影像，采用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)測制1∶10 000數(shù)字線劃圖(DLG)，進行了相關(guān)試驗［5］。

二、試驗研究內(nèi)容和測圖精度要求

1.試驗內(nèi)容

1)多中心投影衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在國產(chǎn)全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中建立立體模型。

2)從P5衛(wèi)星立體影像中提取地物矢量信息和線劃圖測繪的技術(shù)及工藝。

3)測圖精度分析評價。

2.測圖精度要求

根據(jù)我國測繪行業(yè)標(biāo)準《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000 生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》第 1 部分：數(shù)字線劃圖(DLG)(CH/T 1015.1—2007)的要求，DLG 數(shù)據(jù)精度［6］見表1。

表1 1∶10 000 DLG數(shù)據(jù)精度要求

三、原始數(shù)據(jù)資料情況

1)立體衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻［5］，P5軌道高度為618 km，相機焦距為1945 mm，可形成同軌立體像對，像對的有效幅寬為26 km，基線高度比為0.62。本次試驗所用影像分辨率為2.5 m。

2)盡管衛(wèi)星遙感影像的區(qū)域網(wǎng)平差精度已經(jīng)達到較高的要求，能夠獲得滿足1∶10 000的成圖精度要求的加密點［6］，但為了保險起見，本次試驗仍采用已有的1∶10 000空三加密成果數(shù)據(jù)。

3)覆蓋區(qū)域已有的1∶10 000基礎(chǔ)測繪調(diào)繪成果。

4)覆蓋區(qū)域已有的1∶10 000矢量數(shù)據(jù)(用于平面檢測)。

5)覆蓋區(qū)域已有的1∶10 000DEM數(shù)據(jù)及檢測點(用于高程檢測)。

試驗區(qū)含3幅圖，均為自由分幅，每幅圖約等于1∶10 000分幅，分幅和編號按照國家標(biāo)準規(guī)定設(shè)置［7］。試驗區(qū)屬黃土高原溝壑地帶，地貌以黃土塬、梁、峁、溝壑為主，地形類別大多為山地。

上述各種已有資料，其空間位置都定位于《國家大地測量基本技術(shù)規(guī)定》(GB 22021—2008)規(guī)定的大地測量空間定位基準框架［8］中。

四、試驗研究過程

試驗研究過程主要包括選擇數(shù)據(jù)測圖系統(tǒng)、影像預(yù)處理和參數(shù)設(shè)定、影像定向建模、測圖數(shù)據(jù)采集、試驗結(jié)果檢測和分析等，其中最重要的是數(shù)字測圖過程。數(shù)字測圖是利用數(shù)字測圖系統(tǒng)，在軟件支持下，采用脫機繪圖的方式測繪地形［9］。要素采集按照《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程第1部分：數(shù)字線劃圖(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)規(guī)定的要素內(nèi)容進行［6］。采集的要素分類和編碼按照《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)執(zhí)行［10］。

1.測圖系統(tǒng)選擇

國產(chǎn)的主流全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)都支持對P5立體影像數(shù)據(jù)的處理，本次試驗選取 JX4C DPS系統(tǒng)。

2.影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和參數(shù)設(shè)定

涉及的處理包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、影像灰度調(diào)整、分辨率參數(shù)設(shè)置、影像參數(shù)修改等［1］。

3.定向建模

建模包括相對定向、創(chuàng)建核線影像、絕對定向，采用15個點進行定向。定向誤差要求見表2。

表2 定向誤差要求［6］

4.立體測圖

定向建模完成之后，即可進入矢量測圖。測圖方法按照《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品 1∶10 000、1∶50 000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程第 1部分：數(shù)字線劃圖(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)規(guī)定的方法進行［6］。采集地物和地貌時以現(xiàn)有的外業(yè)調(diào)繪成果作為判讀依據(jù)。

五、試驗結(jié)果分析

1.測圖采集過程中對要素的判讀分析

受衛(wèi)星影像分辨率仍不夠高的影響，在立體影像上能直接準確判讀的地形地物要素不多，地物位置精度也不高。無調(diào)繪分類判讀分析的情況見表3。所以，準確判讀必須借助于外業(yè)調(diào)繪成果。

2.測圖數(shù)據(jù)精度檢測和分析

(1)定向精度的檢測

定向精度采取多點檢測方法。檢測從一到多個控制點定向，一方面考察誤差情況，另一方面分析控制點的數(shù)量及分布對精度的影響。試驗區(qū)為山地，定向限差不得大于表2中山地誤差的規(guī)定。

1)定向精度檢測。檢測及分析結(jié)果見表4。從表4中可以看出，相對定向和絕對定向誤差分別達到了要求。

2)控制點數(shù)量對定向精度的影響。利用軌道參數(shù)和稀疏控制點做絕對定向，從一到多個控制點進行定向，檢測結(jié)果見表5。

表3 測圖采集中地形地物要素分類判讀分析

表4 定向精度檢測及分析結(jié)果

表5 不同控制點數(shù)量的定向結(jié)果

從表5中可以看出，1個或2個點定向的誤差較大，超過限差要求;3個及更多點定向時平面和高程誤差都在限差以內(nèi)，但是精度提高的趨勢不大，所以用3個點進行定向就可以滿足山地的精度要求。

(2)控制點分布對精度的影響

本試驗區(qū)內(nèi)控制點點位的分布不是很均勻，這是由于在選擇控制點時，主要考慮了控制點的點位精度和點位是否容易判定。在這種情況下，3點定向就可以滿足1∶10 000線劃圖山地的精度要求。在困難地區(qū)條件下，控制點的點位可以不是很均勻，但一定要能容易判定。

(3)控制點數(shù)量不同對點位精度的影響

在同一景影像中，分別用1～15個控制點做控制，選取6個地物點和注記點檢測點位誤差，點位誤差統(tǒng)計見表6。

表6 控制點數(shù)量不同時的點位誤差 m

由表6可見，在控制點數(shù)量不同的情況下，不是控制點越多，同一點位的精度就越高。實際中，從保證成圖精度和減少外業(yè)工作量來看，采用4個控制點定向完全可以保證點位精度。

(4)立體測圖數(shù)據(jù)(DLG)的檢測

檢測時采用將測圖數(shù)據(jù)中的實測點作為檢測點與已有的同名地物點、注記點進行比對測量平面、高程較差的方法。分別利用加密成果中的外業(yè)控制點、加密點及保密點和外業(yè)實測點進行檢測［11-13］。

檢測時的精度指標(biāo)為明顯地物點對附近野外控制點的平面位置中誤差和高程注記點、等高線對附近野外控制點的高程中誤差不得大于表1的規(guī)定。

試驗區(qū)內(nèi)的3幅圖的檢測結(jié)果見表7，從檢測結(jié)果可以看出各點誤差都在范圍之內(nèi)。

表7 試驗圖幅檢測結(jié)果m

六、結(jié) 論

本次試驗研究對基于P5衛(wèi)星影像的1∶10 000基礎(chǔ)測繪立體測圖的過程有了整體了解，對今后衛(wèi)星影像用于規(guī)?；a(chǎn)具有很強的指導(dǎo)意義。通過對試驗成果的檢測和分析，可以得出以下結(jié)論：

1)試驗分析結(jié)果表明，在正確選擇全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的前提下，推掃式2.5 m分辨率衛(wèi)星立體影像，可以用于測制1∶10 000數(shù)字線劃圖。

2)通過對1∶10 000 DLG成果數(shù)據(jù)的檢測分析，平面精度、高程精度可以達到規(guī)范中規(guī)定的山地地形類別中誤差要求。盡管如此，但是誤差已經(jīng)接近極限。所以P5衛(wèi)星立體影像1∶10 000測圖最好還是用于正常航測不易到達的困難區(qū)域。

3)P5衛(wèi)星影像立體測圖時，受影像分辨率的影響，要把地物標(biāo)記在準確的位置很難完全保證。因此，必須借助外業(yè)調(diào)繪成果來完成從影像上判繪的工作。

4)與正常航測方法相比較，雖然一景衛(wèi)星影像可以包含更大的范圍，減少了定向、接邊等工作，但是描繪、地物判讀等仍耗費大量時間，成圖的效率提高不多。

［1］張海濤，賈光軍，虞欣.基于GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測圖技術(shù)研究［J］.測繪通報，2010(12)：43-46.

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［5］趙巍，楊靜，王海燕，等.基于IRS-P5衛(wèi)星立體影像的地形圖測繪試驗［J］.測繪標(biāo)準化，2008，24(2)：34-38.

［6］國家測繪局.CH/T 1015.1—2007基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 第1部分：數(shù)字線劃圖(DLG)［S］.北京：測繪出版社，2007.

［7］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.GB/T13989—2012國家基本比例尺地形圖分幅和編號［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2012.

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.GB 22021—2008國家大地測量基本技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2008.

［9］耿則勛，張保明，范大昭.數(shù)字攝影測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社，2010：224-225.

［10］張過，李德仁，袁修孝，等.衛(wèi)星遙感影像的區(qū)域網(wǎng)平差成圖精度［J］.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2006，23(4)：239-241.

［11］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.GB/T 13923-2006基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2006.

［12］國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 13990—1992 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，1993.

［13］國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 13977—1992 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，1993.

［14］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.GB/T 18316-2008數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2008.