利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物的方法*

聞兵工(61287部隊(duì)，四川成都　610036)

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利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物的方法*

聞兵工
(61287部隊(duì)，四川成都610036)

摘要:介紹了利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物的方法，重點(diǎn)介紹了利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物的優(yōu)勢(shì)。最后得出了歷史文化在境外影像判繪中具有重要作用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:高分辨率衛(wèi)星影像;地物判繪;航空影像

0　引言

利用航空影像和高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)地物進(jìn)行判繪是獲取1∶10 000、1∶50 000地形圖的主要方法，它們具有需要控制點(diǎn)少、作業(yè)速度快、生產(chǎn)效率高、作業(yè)范圍大、成本低、成圖質(zhì)量好、地貌表示逼真、工作自動(dòng)化程度高、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度低、成果現(xiàn)勢(shì)性好，及時(shí)準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，兩種方法相比而言，利用高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)地物進(jìn)行判繪，具有需要的控制點(diǎn)更少，更加及時(shí)準(zhǔn)確，獲取影像不受國境限制等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著中國天繪系統(tǒng)的建立和完善，高分辨率衛(wèi)星影像的分辨率將會(huì)越來越高，獲取的高分辨率衛(wèi)星影像不僅現(xiàn)實(shí)性好，而且價(jià)格也會(huì)降低，所以未來生產(chǎn)1∶10 000，1∶50 000的地形圖主要利用高分辨率衛(wèi)星影像。

1　高分辨率衛(wèi)星的特征參數(shù)

以前國內(nèi)購買高分辨率衛(wèi)星影像，主要選擇的衛(wèi)星有IKONOSII，QuickBird，SPOT－5，GeoEye－1和WorldView－1，這些高分辨率衛(wèi)星的主要參數(shù)，如表1所示[2]。

在生產(chǎn)中，1∶5萬的地形圖多數(shù)采用法國視寶公司的SPOT系列的衛(wèi)星影像，如果制作更大比例尺的地形圖，就要選擇QuickBird影像或GeoEye－1影像。利用衛(wèi)星影像制作地形圖，評(píng)價(jià)衛(wèi)星影像是否滿足要求，最簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)公式就是:衛(wèi)星空間分辨率≤成圖比例尺的分母* 0.000 1(地圖分辨率最小為0.1 mm)[3]。例如:GeoEye－1全色影像空間分辨率是0.41 m，成圖比例尺分母大于等于4 100的地形圖都可以用GeoEye－1的衛(wèi)星影像生產(chǎn)，而有些大比例尺地形圖仍然需要航空攝影，大比例尺地形圖的成圖比例尺與航攝比例尺的關(guān)系，見表2。隨著中國天繪系統(tǒng)的生產(chǎn)應(yīng)用，現(xiàn)在中國已經(jīng)能自主生產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像，高分辨衛(wèi)星影像在地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用將來會(huì)越來越廣泛。

表1　高分辨率衛(wèi)星傳感器的主要參數(shù)Tab.1　Main parameters of high-resolution satellite sensors

表2　成圖比例尺與航攝比例尺的關(guān)系Tab.2 Relationship between mapping scale and aerial scale

1　高分辨率衛(wèi)星影像的判繪

由于獲取影像的投影方式不同，物體在不同高分辨率衛(wèi)星影像上的變形也不同，同種投影方式下，影像上地物的變形是有規(guī)律的。為了減小投影的影響，提高判繪精度，利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物時(shí)，可以利用高分辨率衛(wèi)星影像的正攝影像和立體影像進(jìn)行判繪。由于利用立體影像對(duì)地物進(jìn)行判繪需要的儀器設(shè)備價(jià)格高，生產(chǎn)中大都是利用正射影像對(duì)地物進(jìn)行判繪[4，5]?，F(xiàn)在高分辨衛(wèi)星獲取地物影像都是多波段同時(shí)獲取地物影像，不僅可以獲得全景影像，也可以獲得其他波段的影像，為了更好的判繪，可以利用多個(gè)波段影像融合，生成假彩色高分辨率衛(wèi)星影像，突出需要判繪的地物，提高判繪精度。

高分辨率衛(wèi)星影像的判繪和航空影像的判繪有很多相似之處，航空影像判繪的經(jīng)驗(yàn)在判繪高分辨率衛(wèi)星影像時(shí)候基本上都能用。高分辨率衛(wèi)星影像的判繪和航空影像的判繪都分野外判繪和室內(nèi)判繪。野外判繪需確定站立點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)地判繪方向和確定行走路線，室內(nèi)判繪需要分析地物的物理特性及成像規(guī)律。影像判繪前應(yīng)了解影像獲取時(shí)的季節(jié)、時(shí)間和像片比例尺。然后依據(jù)地面物體的成像規(guī)律和判繪特征，結(jié)合作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行仔細(xì)辨別。一般將野外判繪和室內(nèi)判繪結(jié)合起來，影像清晰的在室內(nèi)判繪，野外對(duì)照核實(shí)。影像模糊不清室內(nèi)無法辨認(rèn)的，則在現(xiàn)場(chǎng)作對(duì)照判繪核實(shí)。目的是判繪出各種地物、地貌元素的屬性及其在像片上的準(zhǔn)確位置。

與航空影像相比高分辨率衛(wèi)星影像的特點(diǎn)是一景影像的范圍廣，數(shù)據(jù)量大，但是影像中地物的形狀、大小、色調(diào)、陰影等幾何特征和物理特征與航空影像相似(假彩色影像除外)。高分辨率衛(wèi)星影像判繪的直接依據(jù)是形狀、大小、色調(diào)、陰影等幾何特征和物理特征，尤其是色調(diào)與地物顏色的關(guān)系，不同的物體顏色在高分辨率衛(wèi)星影像上呈現(xiàn)的色調(diào)是不一致的。一般來說，白、黃、淺棕色物體，影像的色調(diào)為白色或淺灰色;堅(jiān)硬的物體反光強(qiáng)，如道路，房頂，影像的色調(diào)也為白色;紅色、干黃粘土，影像的色調(diào)為灰色;綠、藍(lán)、黑色的物體，影像的色調(diào)為深灰色或黑色。同樣顏色的物體由于含水量不一樣也會(huì)有不同的色調(diào)，含水量小，色調(diào)淺，含水量大，色調(diào)深[1]。此外，每一事物的存在和發(fā)展總是與其周圍其他事物互相聯(lián)系和互相影響，而不是孤立存在的。因此，物體之間相互的關(guān)系位置和相互聯(lián)系的規(guī)律，也可以作為高分辨率衛(wèi)星影像判繪的重要依據(jù)。地面物體之間是相互聯(lián)系的，其影像之間也就存在著一定的相關(guān)關(guān)系。判繪時(shí)要善于分析對(duì)照，邏輯推理，根據(jù)已判繪的自然現(xiàn)象而推斷另一種現(xiàn)象的存在，從而得到正確的結(jié)論。例如，當(dāng)鐵路或公路與河流相交時(shí)，可以判繪出橋梁的位置和性質(zhì);通向河邊的道路又從對(duì)岸延伸，說明該處有徙步場(chǎng)或渡口;若一條路到山腳突然終止，可以幫助判繪出山洞或隧道出口的位置;谷底灌木叢生，是有小溪的間接標(biāo)志;沿河邊帶狀的黑色影像，可能是防洪堤，如果河邊草場(chǎng)比其他地方茂盛，下面可能是沼澤。因此，在判繪影像時(shí)，必須綜合運(yùn)用以上特征，互相補(bǔ)充驗(yàn)證，不能憑一種判繪標(biāo)志就確定地物目標(biāo)的性質(zhì)，而是多種判繪標(biāo)志同時(shí)綜合考慮，這樣判繪的準(zhǔn)確性就會(huì)大大提高。

2　利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物的優(yōu)勢(shì)

高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物具有良好的繼承性，傳統(tǒng)的航空影像判繪經(jīng)驗(yàn)和方法都能繼承。航空攝影測(cè)量從20世紀(jì)30年代模擬測(cè)量、70年代解析攝影測(cè)量、80年代末數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，己經(jīng)發(fā)展到當(dāng)今的全數(shù)字化攝影測(cè)量階段，相關(guān)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)的工藝流程都已經(jīng)完善，利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物，航空攝影測(cè)量的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和工藝流程都能使用，除此之外高光譜影像還有自己的特點(diǎn)，具體如下:

1)利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物時(shí)需要外業(yè)的控制點(diǎn)少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高。利用航空影像判繪時(shí)，控制點(diǎn)的布設(shè)有嚴(yán)格的規(guī)定，根據(jù)測(cè)圖比例尺的不同，控制點(diǎn)的間距要求也不一樣(比例尺大于等于1∶2 000的地形圖所有控制點(diǎn)都需實(shí)測(cè)，不能加密)?？偟膩碚f，比例尺越大，間距越小，布設(shè)控制點(diǎn)的時(shí)，測(cè)區(qū)四周都要布設(shè)控制點(diǎn)，航帶之間要布設(shè)控制點(diǎn)或高程點(diǎn)(作業(yè)單位為了提高作圖精度，一般高程點(diǎn)也是按控制點(diǎn)的作業(yè)要求來做)。控制點(diǎn)的選擇也有嚴(yán)格要求，一般在航向重疊和旁向重疊中線相交點(diǎn)附近，距離航向重疊和旁向重疊中線垂直距離不超過1 cm，最大不能超過1.5 cm，距離像片邊沿要1 ～1.5 cm以上。由于航空影像范圍小，在規(guī)定范圍內(nèi)選擇交通便利的明顯地物比較困難，點(diǎn)位一般位于都是交通不便的地方，位置也偏僻，很多時(shí)候交通工具很難直接到達(dá)，為了防止有些外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)不能用的情況出現(xiàn)，實(shí)際布點(diǎn)時(shí)，外業(yè)控制點(diǎn)要比理論需要的控制點(diǎn)多出將近1/4，所以航空影像控制點(diǎn)的布設(shè)外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。高分辨率衛(wèi)星影像一景影像相比航空影像是非常大的，有些一景影像可達(dá)60 km2，而一景影像一般需要5組控制點(diǎn)(一組3個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距根據(jù)比例尺的不同要求不一樣)，分別位于該景影像的四角和中心附近，中心一組控制點(diǎn)是檢查點(diǎn)。由于高分辨率衛(wèi)星影像非常大，在選擇控制點(diǎn)時(shí)可以選在交通便利的地方，一組控制點(diǎn)之間的間距不小于規(guī)定的最小間距就符合要求，這樣不僅需要的控制點(diǎn)數(shù)量少，而且外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度明顯減少，工作效率明顯提高。

2)高分辨率衛(wèi)星影像相比航空影像受地物起伏的影響小。無論航空影像還是高分辨率衛(wèi)星影像都存在投影差，為了減少投影差對(duì)判繪的影響，一般外業(yè)判繪地物時(shí)最好使用正攝影像。作業(yè)單位接到任務(wù)后，一般是先了解測(cè)區(qū)情況，分析影像資料，布設(shè)控制點(diǎn)，然后測(cè)量外業(yè)控制點(diǎn)，得到控制點(diǎn)成果以后對(duì)影像進(jìn)行正攝糾正，變成正射影像，然后才對(duì)影像進(jìn)行判繪，但是為了節(jié)約成本，大部分生產(chǎn)單位都是控制點(diǎn)布設(shè)和野外調(diào)繪同時(shí)進(jìn)行。高分辨率衛(wèi)星影像因?yàn)閭鞲衅骶嚯x地面比較高，地形起伏引起的影像投影差一般比航空影像小，有利于直接判繪。

3)高分辨率衛(wèi)星影像影像清晰度高，可以進(jìn)行境外測(cè)繪。高分辨率影像影像清晰度非常高，可以在室內(nèi)判繪地物位置信息，有些航空影像不能判繪的地物位置也可以準(zhǔn)確判繪。地物屬性判繪一般是根據(jù)作業(yè)員野外經(jīng)驗(yàn)，判繪后進(jìn)行野外核實(shí)確認(rèn)。如圖1是電線桿的原始影像及其判繪成果，圖2是鐵絲網(wǎng)的原始影像及其判繪成果，圖3是居民地圍墻的原始影像和判繪成果(按照1∶10 000的判繪要求)。

圖1　電線桿影像及其判繪成果Fig.1　The image of telegraph pole and its result of interpretation and compilation

圖2　鐵絲網(wǎng)影像及其判繪成果Fig.2　The image of wire-fence and its result of interpretation and compilation

圖3　居民區(qū)圍墻影像及其判繪成果Fig.3　The image of residential fence and its result of interpretation and compilation

高分辨率衛(wèi)星影像相比航空影像最大的優(yōu)勢(shì)是不受地域限制，而且高分辨率衛(wèi)星一般不僅攜帶全景傳感器，還有其他不同波段的傳感器，可以對(duì)地全天候，全天時(shí)的連續(xù)攝影，多個(gè)波段的影像可以合成真彩色或假彩色影像，突出某些地物，更有利于地物屬性的判繪。近年來高光譜影像的發(fā)展，利用高光譜影像，不僅可以對(duì)地物進(jìn)行定性分析，還可以利用地物的特征光譜進(jìn)行定量分析，另外，不僅能判繪出地物的位置，還能判斷出地物的屬性。

3　歷史文化在境外判繪中的重要作用

隨著中國天繪系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，利用高分辨率衛(wèi)星影像獲取境外地物信息的條件已經(jīng)成熟，在境外判繪中了解作業(yè)區(qū)域的歷史文化對(duì)提高判繪精度起到非常大的作用。利用航空影像進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，作業(yè)單位接到任務(wù)，第一件事情就是分析測(cè)區(qū)概況，利用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行境外測(cè)繪的時(shí)候，第一件事就是了解該國的歷史文化，收集能收集到該測(cè)區(qū)的所有資料，分析資料，如尼泊爾信仰佛教，人去世后一般較少進(jìn)行土葬，那么當(dāng)?shù)孛嬗新∑鸶械膱A點(diǎn)時(shí)，就不應(yīng)該判斷為墳地;還有中國和印度爭(zhēng)議地區(qū)，該地區(qū)居民地大都是散列排列，在判繪時(shí)候盡量準(zhǔn)確判斷出獨(dú)立房的位置，少綜合。每個(gè)國家的歷史文化不同，在判繪時(shí)候要充分考慮判繪國家的歷史文化，總結(jié)判繪經(jīng)驗(yàn)，利用收集到的資料和Google等網(wǎng)絡(luò)工具，提高判繪精度。

4　結(jié)束語

隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，遙感、計(jì)算機(jī)、人工智能技術(shù)將與測(cè)繪傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，影像判繪將走向智能化、自動(dòng)化。利用高分辨率衛(wèi)星影像判繪地物既可以利用傳統(tǒng)的判繪經(jīng)驗(yàn)，迅速、科學(xué)、準(zhǔn)確的提取地物信息，還可以利用多波段融合技術(shù)突出某類地物，也可以利用高光譜技術(shù)進(jìn)行定量分析。隨著中國天繪系統(tǒng)的完善，利用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行判繪地物的應(yīng)用會(huì)越來越多，因此判繪地物時(shí)一定要掌握好高分辨率衛(wèi)星影像的判繪方法，才能制作出高質(zhì)量的地圖。

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Method of Interpretation and Compilation of Surface Features Using High-Resolution Satellite Image

WEN Bing-gong
(61287 Troops，Chengdu Sichuan 610036，China)

Abstract:This article describes the method of interpretation and compilation of surface features by using high-resolution satellite image，and focuses on the advantages of interpretation and compilation of surface features using high-resolution satellite image.At last，it has been concluded that the history and culture played an important role in interpretation and compilation in foreign area.

Key words:high-resolution satellite image; interpretation and compilation of surface features; aerial image

作者簡(jiǎn)介:聞兵工(1979～)，男，貴州平壩人，碩士，工程師，主要研究方向:航空攝影測(cè)量。

*收稿日期:2015－01－08

文章編號(hào):1007－9394(2015)02－0009－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):P 237; P 231.1