高分辨率衛(wèi)星遙感影像立體像對量測的實驗
——精度統(tǒng)計、分析總結和可行性分析

王洪艷，李國柱，冉磊，倪曙

（昆明市測繪研究院，云南昆明 650051）

高分辨率衛(wèi)星遙感影像立體像對量測的實驗
——精度統(tǒng)計、分析總結和可行性分析

王洪艷*，李國柱，冉磊，倪曙

（昆明市測繪研究院，云南昆明 650051）

對0.31 m分辨率Worldview3立體像對帶RPC參數(shù)的立體量測實驗，采用不同的作業(yè)平臺對立體像對進行量測實驗，進行精度統(tǒng)計、分析總結和可行性分析。最終得出0.31 m分辨率Worldview3立體像對在1∶2 000比例尺3D產(chǎn)品生產(chǎn)的可行性，為生產(chǎn)服務打下基礎和實踐。

高分辨率；衛(wèi)星遙感影像；立體像對；精度統(tǒng)計；分析總結；Worldview3衛(wèi)星

1　引 言

充分利用Worldview3衛(wèi)星遙感影像立體像對，可提高1∶2 000地形圖更新的作業(yè)效率，為生產(chǎn)服務打下基礎和實踐；可拓寬1∶2 000地形圖的更新渠道，為快速獲取高質量地理空間數(shù)據(jù)提供新途徑。本文基于全數(shù)字航天航空攝影測量工作站（航天遠景軟件平臺和適普軟件平臺的采用，主要是驗證主流航測軟件對衛(wèi)星遙感影像立體像對量測的可行性實驗），對Worldview3衛(wèi)星遙感影像立體像對量測實驗，并進行了精度統(tǒng)計、分析總結和可行性分析。

2　衛(wèi)星影像及研究區(qū)概況

2.1衛(wèi)星遙感影像立體像對資料

本研究區(qū)域所使用的衛(wèi)星影像為0.31 m分辨率WorldView3立體像對并帶RPC參數(shù)，立體像對的獲取時間為2015年5月4日，實驗域內整體云量小于10%，面積為200 km2。

2.2實驗區(qū)概況

實驗區(qū)行政隸屬于云南省政治、經(jīng)濟、文化、科技、交通中心昆明市，昆明市南瀕滇池，三面環(huán)山，位于中國的西南部，云貴高原中部，市中心海拔1 891 m。實驗區(qū)中大部分區(qū)域為地勢較平坦的壩區(qū)。實驗區(qū)代表了云南高原山區(qū)和高原盆地壩區(qū)的地貌特點。影像粗略概況圖如圖1所示:

圖1　昆明市衛(wèi)星影像實驗范圍概略圖

3　遙感影像立體像對測量原理

遙感影像立體像對測量是利用 0.31 m分辨率Worldview3遙感影像立體像對和RPC參數(shù)、野外實測控制點，恢復空間立體模型（并加密控制點），在立體模型下進行量測，生產(chǎn)3D產(chǎn)品。具體的作業(yè)流程如圖2所示:

圖2　遙感影像立體像對作業(yè)流程圖

4　遙感影像立體像對實驗實施

4.1控制測量

本測區(qū)的影像0.31 m分辨率Worldview3立體像對，像控點布設根據(jù)像對的分布及覆蓋情況進行區(qū)域網(wǎng)布點，采用控制測圖區(qū)域盡可能大于影像范圍的原則，像控點分布在影像的四周和中部（立體像對布點規(guī)范要求進行）?？刂泣c及檢查點測量采用GPS定位系統(tǒng)作業(yè)，按《航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》、《GPS規(guī)范》執(zhí)行。投影的數(shù)學基礎為:平面坐標系:1987昆明地方坐標系，橢球參數(shù)參照北京54坐標；高斯克呂格投影，3°分帶；子午線縮放比為1；高程基準:1985國家高程基準。

4.2空三加密

基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像和控制點的遙感影像平差技術已經(jīng)得到了初步的應用和發(fā)展。本次實驗采用適普公司開發(fā)的VirtuoZoSat衛(wèi)星立體影像進行空三加密，該軟件是進行衛(wèi)片空中三角測量的專用軟件。同時，也采用航天遠景軟件包（SATMatrix模塊）進行空三加密。

4.3衛(wèi)星遙感影像立體像對量測

實驗是利用0.31 m分辨率Worldview3立體像對進行DLG量測，量測具體過程按圖2遙感影像立體像對作業(yè)流程圖進行，在立體影像下測制1∶2 000DLG數(shù)據(jù)，嘗試高分辨率衛(wèi)星在大比例尺3D產(chǎn)品生產(chǎn)中的運用。

4.4結果的精度分析

實驗依據(jù)立體像對立體下量測的1∶2 000DLG數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（相同比例尺）進行比對和中誤差計算，得出相應的實驗結論。

5　適普軟件平臺作業(yè)簡介和測量（DLG）精度統(tǒng)計

5.1適普軟件平臺作業(yè)

采用適普公司的VirtuoZoSat數(shù)字攝影測量工作站進行實驗和分析。

5.2精度統(tǒng)計方式

本次精度對比依據(jù)是昆明市測繪研究院現(xiàn)有成品圖1∶2 000DLG地形圖（或稱老圖）為底圖，進行衛(wèi)星影像立體像對立體量測的1∶2 000DLG（或稱新圖）與現(xiàn)有成品圖1∶2 000DLG地形圖存在的相同地物進行平面位置對比及相似接近同一高度的高程對比，計算選取點位平面誤差的中誤差和計算選取點位高程誤差的中誤差。圖3平面精度統(tǒng)計選取點位；圖4高程精度統(tǒng)計選取點位。

圖3　平面精度對比選取精度監(jiān)測點示意圖（灰色底圖為1∶2 000DLG成品圖）

圖4　高程精度選取精度監(jiān)測點示意圖（灰色底圖為1∶2 000DLG成品圖）

5.3平面精度統(tǒng)計表（如表1所示）

平面精度點位中誤差結果　表1

5.4高程精度統(tǒng)計表（如表2所示）

高程中誤差結果　表2

5.5實驗小結（適普軟件平臺）

利用0.31 m分辨率Worldview3立體像對進行量測的1∶2 000DLG平面中誤差為（0.762 m），高程中誤差為（0.596 m）。備注:采用我院現(xiàn)有1∶2 000地形圖為統(tǒng)計底圖，衛(wèi)星影像立體像對（0.31分辨率）實測DLG數(shù)據(jù)對比量算。精度要求:基礎地理信息數(shù)字成果 1∶500 1∶1 000 1∶2 000數(shù)字線劃圖（CHT 9008.1-2010）有關規(guī)定（表5所示）。實驗數(shù)據(jù)達到相關規(guī)范規(guī)定。本次測試地形為山地和丘陵地混合地區(qū)（確定為山地）。

6　航天遠景平臺作業(yè)簡介和測量（DLG）精度統(tǒng)計

采用的軟件平臺為航天遠景軟件 SATMatrix、MapMatrix、FeatureOne軟件下進行實驗和分析。

6.1衛(wèi)星像對空三加密

衛(wèi)星影像立體像對空三加密在SATMatrix模塊下進行，圖5為加密軟件作業(yè)界面。添加控制點及加密（圖6作業(yè)殘差結果報告XK開頭的點為控制點，其余為加密點）。

圖5　SATMatrix加密界面

圖6　作業(yè)殘差結果報告

6.2航測成圖

空三加密完成后，要在 SATMatrix模塊下導出MapMatrix工程文件。由于在SATMatrix下是將影像制作成*.sat的虛擬景影像進行加密的，在導出工程文件之后，要對其進行打散，拆解成較小單位的小景影像，才能在MapMatrix中使用。在MapMatrix下，合成立體像對，然后新建DLG文件，調入立體像對，即可調用FeatureOne模塊進行測圖（如圖7所示）。我們選取了地物比較全面的一塊小區(qū)域進行測圖實驗。

圖7　FeatureOne模塊進行測圖界面

6.3精度統(tǒng)計方式及結果

（1）測圖完成后，與庫內已有的1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)進行比對。平面位置選取了54個點進行比對，中誤差為0.802 3 m。具體分布位置如圖8所示（圖中綠色三角為選取位置）。高程點選取的為同一平面上相近的點，共選取了98個點進行比對，高程中誤差為0.461 5 m。具體分布位置如圖9所示（圖中綠色圓圈為選取位置）。

圖8　平面精度對比點圖示

圖9　高程精度對比點圖示

（2）平面精度和高程中誤差統(tǒng)計表（如表3和表4所示）

平面位置中誤差結果　表3

高程中誤差結果　表4

6.4實驗小結（航天遠景軟件平臺）

（1）在加密過程中，遇到的軟件包問題有以下幾個方面:

①控制點設置為不參與空三計算，但在平差后的報告里依然存在；②誤差報告顯示的是控制點在兩張像片上各自的誤差，沒有總體的中誤差；③報告中沒有顯示高程中誤差。這與軟件的完善有關。

（2）在測圖作業(yè)過程中，遇到的問題主要有以下幾方面:

①使用的是衛(wèi)星像片，由于航高等原因，在觀測立體像對時，發(fā)現(xiàn)觀測的地物高差與實際高差有很大的區(qū)別。地物高差顯示很夸張，但實際測出來并沒有那么大的高差，給地物的綜合取舍造成了一定的難度；由于影像的分辨率為0.3 m，在測圖過程稍不注意，很容易就會有1 m左右的誤差，精度難控制。②如城中村這種房屋密集的地方，由于存在第一條所述的問題，測圖比較困難，矮層的房屋很難辨別，如圖10所示。③在測圖中，受影像分辨率的限制，會給地物判讀帶來難度。如圖11所示，白筆所圈的道路看上去很窄，可以用單線路表示，量算后發(fā)現(xiàn)其實已經(jīng)超過了2 m，要用雙線路表示。④電桿、路燈等點狀地物難以辨別，需要外業(yè)調繪補測，會給外業(yè)加大工作量。

圖10　城中村房屋密集圖示

圖11　道路寬度圖示

7　總結及建議

（1）精度分析:與立體判讀有關；與分辨率有關；與航高有關；與影像明亮度有關；與控制點精度有關等。

（2）過程分析:在立體量測下，衛(wèi)星航高較高，視角小，高程視角困難，立體判讀困難，特別的是城中村密集的地方，作業(yè)人員工作難度，工作量大，表示完整性受到影響。

（3）操作平臺:與操作規(guī)程和習慣有關，符號庫的配置合理有關。本次測量結果均在各自的軟件平臺上進行立體測量，存在軟件熟悉不夠（航空影像立體量測是在清華山維軟件平臺進行）。如果開展衛(wèi)星影像立體像對測繪工作，軟件還需要進行升級才行，現(xiàn)在試用軟件包。

（4）其他建議:開展此項業(yè)務必要的練習時間和培訓必不可少，才能適應衛(wèi)星影像立體像對立體量測作業(yè)。

（5）依據(jù)《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》GB/T 17278-2009，1∶2 000地形圖的平面位置中誤差和高程中誤差不得大于下表的規(guī)定，如表5所示。本次實驗的區(qū)域屬于山地地形，對照表5，平面位置和高程中誤差分別不得大于1.6 m和1.2 m。通過與庫內已有數(shù)據(jù)的比對，我們計算出本次實驗圖幅的平面位置中誤差為0.802 3 m，高程中誤差為0.461 5 m。滿足1∶2 000地形圖精度的要求。衛(wèi)星影像像對的應用方面，具有優(yōu)點和不足兩個方面:①優(yōu)點方面是:衛(wèi)星影像實時獲取（最新）；無需要進行空管申請；容易解譯判讀的地方精度良好；可以減少部分外業(yè)工作量；作業(yè)面積大；空三作業(yè)工作量?。幌穹鶑V（立體像對覆蓋面積大）。②不足之處是:衛(wèi)星影像航高較高，視角變小，解譯判讀困難，視差大（由于航高等原因，在觀測立體像對時，發(fā)現(xiàn)觀測的地物高差與實際高差有很大的區(qū)別）；房屋密集地區(qū)作業(yè)困難；影像有陰影遮蓋；地物微小不易解譯判讀；影像質量關系到3D生產(chǎn)精度。

平面位置中誤差和高程中誤差　表5

（6）利用航天遠景軟件平臺和適普軟件平臺的測量結果，通過本次的實驗與總結分析，衛(wèi)星影像0.31 m分辨率Worldview3立體像對帶RPC參數(shù)，基本可以進行1∶2 000作業(yè)生產(chǎn)，滿足相關的精度要求，對下一步的3D生產(chǎn)具有參考作用。

［1］孫家柄，舒寧，關澤群.遙感原理、方法和應用［J］.測繪出版社，1997.

［2］MapMatrix4.0用戶手冊［R］.2014.

［3］CHT 9008.1-2010.基礎地理信息數(shù)字成果1∶500 1∶1000 1∶2000數(shù)字線劃圖［S］.

［4］VirtuoZoSat衛(wèi)星影像處理流程［R］.2013.

［5］VirtuoZoSat_help［R］.2013.

［6］SATMatrix1.0用戶手冊［R］.2014.

High Resolution Satellite Imagery on the Stereo Pair Measurement Experiment——Accuracy of Statistics，Analysis and Feasibility Analysis Summary

Wang Hongyan，Li Guozhu，Ran Lei，Ni Shu
（Kunming Institute of Surveying and Mapping，Yunnan 650051，China）

On the 0.31 meter resolution Worldview3 stereo image pair with RPC parameters of the three-dimensional measurement experiment，using different operating platform for the measurement of three-dimensional image of the experiment，the accuracy of statistical analysis，analysis and feasibility analysis.Finally come to the 0.31 m resolution Worldview3 stereo image on the 1∶2000 scale production of 3D products for the production of the feasibility of the production and service to lay the foundation and practice.

high resolution；satellite remote sensing image；stereo image pairs；precision statistics；analysis and summary；Worldview3 satellite

1672-8262（2016）04-91-06

P236

B

2016—03—24

王洪艷（1970—），男，高級工程師，主要從事遙感與航空攝影測量相關的工作。