基于高分辨率衛(wèi)星影像測(cè)制高寒無(wú)人山區(qū)鐵路地形圖技術(shù)研究

王 義 盧建康 梅 熙

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

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基于高分辨率衛(wèi)星影像測(cè)制高寒無(wú)人山區(qū)鐵路地形圖技術(shù)研究

王 義 盧建康 梅 熙

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

收集GeoEye、Worldview衛(wèi)星影像立體像對(duì)進(jìn)行制圖研究，分析其技術(shù)特點(diǎn)及對(duì)高寒無(wú)人區(qū)鐵路制圖的適應(yīng)性，選擇有代表性的地段開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)精度統(tǒng)計(jì)分析得出：基于GeoEye、Worldview衛(wèi)星影像立體像對(duì)，在無(wú)像控條件下，滿足1∶10 000制圖精度，少量控制點(diǎn)滿足1∶2 000制圖精度。

GeoEye Worldview 區(qū)域網(wǎng)平差

川藏鐵路橫跨西藏和四川兩省區(qū)，所經(jīng)區(qū)域大部分都是高山地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，氣象和交通條件較差，森林覆蓋率較大，地形地貌極其復(fù)雜，部分地段靠近國(guó)境或?qū)嶋H控制線?？紤]選線的需求，需要攝影的范圍很大，常規(guī)攝影測(cè)量很難滿足要求。

使用高分辨率衛(wèi)星立體影像測(cè)繪地形圖具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如影像獲取不受?chē)?guó)境線及地面條件等因素的制約，高分辨率衛(wèi)星影像幾何分辨率較高。為此，本項(xiàng)目結(jié)合川藏鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)，開(kāi)展“基于高分辨率衛(wèi)星影像測(cè)制高寒無(wú)人山區(qū)鐵路地形圖技術(shù)研究”。

1 無(wú)控自由網(wǎng)平差方法研究

1.1 衛(wèi)星影像預(yù)處理

購(gòu)買(mǎi)的WorldView、GeoEye衛(wèi)星影像為16 bit，數(shù)據(jù)量較大，影像公司往往將1景影像裁剪為多塊，但對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星影像RPC參數(shù)只有1個(gè)，為方便后續(xù)定向處理，必須將影像進(jìn)行合并。合并方法較多，本項(xiàng)目采用Erdas輸入影像模塊將影像合并，通過(guò)該方法合并的影像無(wú)錯(cuò)縫，接邊處影像色調(diào)一致，從而保證了后續(xù)定向精度的可靠性。圖1為Erdas輸入WorldView影像進(jìn)行合并的過(guò)程。GeoEye衛(wèi)星影像合并方法與WorldView一致。

圖1 分塊影像合并

合并后的影像仍為16 bit，JX4和MapMatrix等測(cè)圖工作站無(wú)法識(shí)別16 bit的影像，必須對(duì)影像作降位處理?？梢灾苯永肊rdas的Rescale模塊或者Photoshop將影像降為8 bit。降位后影像幾何精度不變，但數(shù)據(jù)量減少一半，方便測(cè)圖工作站快速打開(kāi)影像，實(shí)施漫游測(cè)圖。

對(duì)降位后的影像作灰度拉伸，將地形及地物要素顯示出來(lái)，對(duì)粗調(diào)的灰度曲線作精細(xì)人工調(diào)整，以保證立體像對(duì)的兩幅影像在反差上盡量一致，通過(guò)提高亮度和對(duì)比度，增強(qiáng)人眼辨識(shí)度。

1.2 創(chuàng)建工程及像點(diǎn)自動(dòng)匹配

RPC參數(shù)文件中詳細(xì)說(shuō)明了影像中心點(diǎn)地理坐標(biāo)，分別為經(jīng)緯度及大地高，影像的行列號(hào)以像素為單位，物方與像方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程有80個(gè)有理函數(shù)系數(shù)，10個(gè)為正則化參數(shù)。通過(guò)定向或者空三加密，可以求出任意像點(diǎn)坐標(biāo)的大地坐標(biāo)。

利用ERDAS的IMAGINE Photogrammetry軟件分別對(duì)WorldView、GeoEye衛(wèi)星影像作空三處理，新建工程。衛(wèi)星模型分別選擇WorldView、GeoEye，設(shè)置測(cè)圖坐標(biāo)系中央子午線及投影方式(如圖2)。

圖2 WorldView衛(wèi)星模型選擇

加載衛(wèi)星影像，選擇與影像匹配的RPC地理定位數(shù)據(jù)，通過(guò)Compute Pyramids and Statistics模塊批量建立金字塔影像，并設(shè)置匹配策略，匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)設(shè)置為整幅影像點(diǎn)的1/10，立體像對(duì)自動(dòng)匹配連接點(diǎn)。匹配完成后，剔除大于1個(gè)像素的粗差點(diǎn)，缺點(diǎn)處適當(dāng)補(bǔ)充人工點(diǎn)，調(diào)整上下視差，使其符合限差要求。圖3為WorldView衛(wèi)星影像自動(dòng)匹配后立體像對(duì)連接點(diǎn)示意。

圖3 WorldView自動(dòng)匹配連接點(diǎn)示意

1.3 像點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)

WorldView衛(wèi)星影像自動(dòng)匹配，剔除粗差后像點(diǎn)的精度報(bào)告如表1。

表1 WorldView像點(diǎn)殘差報(bào)告

從表1可見(jiàn)，在全自動(dòng)匹配情況下，無(wú)人工干預(yù)，連接點(diǎn)分布均勻，匹配較好，無(wú)上下視差，證明前后視角影像姿態(tài)都較穩(wěn)定，可以用于后續(xù)測(cè)圖工作。GeoEye衛(wèi)星影像立體像對(duì)匹配結(jié)果與WorldView匹配結(jié)果類(lèi)似。

1.4 無(wú)像控條件下模型絕對(duì)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)

在無(wú)控制點(diǎn)條件下，完成了自由網(wǎng)平差、定向建模，將外業(yè)控制點(diǎn)及航片測(cè)制的1∶2 000地形圖導(dǎo)入矢量測(cè)圖窗口，映射至立體模型，進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)及評(píng)定。表2中WorldView-1簡(jiǎn)稱(chēng)wv1，GeoEye簡(jiǎn)稱(chēng)GEy。無(wú)控自由網(wǎng)情況下必須作高程異常改正，本測(cè)區(qū)為林芝地區(qū)，覆蓋范圍較小，高程異常取平均值-31 m。

不量測(cè)像控下WorldView、GeoEye衛(wèi)星影像立體模型與航片測(cè)制1∶2 000圖地物平面比較如表2。

WorldView、GeoEye衛(wèi)星影像立體模型與外業(yè)控制點(diǎn)高程值比較如表3。

從表2、表3統(tǒng)計(jì)的精度可見(jiàn)，在無(wú)像控條件下，WorldView立體模型點(diǎn)與1∶2 000圖控制點(diǎn)比較平面中誤差為1 m，高程中誤差為4.4 m，GeoEye立體模型點(diǎn)平面中誤差為2.8 m，高程中誤差為2.5 m。

2 少量控制條件下區(qū)域網(wǎng)空三加密研究

2.1 控制點(diǎn)分布情況

在前期自由網(wǎng)完成后，量測(cè)外業(yè)像控點(diǎn)，1個(gè)WorldView-1、GeoEye-1立體像對(duì)分別量測(cè)了6個(gè)控制點(diǎn)，設(shè)置平差權(quán)重，剔除像點(diǎn)粗差，完成區(qū)域網(wǎng)平差，

表2 WorldView、GeoEye立體模型點(diǎn)與1∶2 000圖平面精度比較

表3 WorldView、GeoEye立體模型點(diǎn)與控制點(diǎn)高程比較 m

圖4 WorldView-1立體

解算所有連接點(diǎn)的大地坐標(biāo)，輸出糾正后的RPC參數(shù)。圖4為 WorldView-1立體像對(duì)控制點(diǎn)分布。圖5為GeoEye-1立體像對(duì)控制點(diǎn)分布。

圖5 GeoEye-1立體

2.2 少量像控條件下衛(wèi)星影像成圖精度統(tǒng)計(jì)

在JX4測(cè)圖工作站恢復(fù)立體模型，并完成精度統(tǒng)計(jì)。6個(gè)控制點(diǎn)下，1個(gè)WorldView-1、2個(gè)GeoEye-1像對(duì)與航片測(cè)制1∶2 000圖地物平面比較如表4。

量測(cè)6個(gè)控制點(diǎn)條件下，1個(gè)WorldView-1、2個(gè)GeoEye-1像對(duì)立體模型與航片測(cè)制1∶2 000圖高程點(diǎn)精度比較如表5。

從表4、表5可見(jiàn)，在量測(cè)6個(gè)控制點(diǎn)的前提下，WorldView-1立體模型與1∶2 000圖比較平面中誤差為1.2 m，高程中誤差為0.8 m。GeoEye-1立體模型與1∶2 000圖比較平面中誤差為1.1 m，高程中誤差為0.9 m。

表4 WorldView、GeoEye立體模型與1∶2 000圖地物平面比較

表5 WorldView、GeoEye立體模型與1∶2 000圖地物高程比較 m

3 結(jié)論

本項(xiàng)目研究無(wú)像控條件下，分別對(duì)GeoEye及WorldView立體像對(duì)作自動(dòng)匹配、自由網(wǎng)平差解算以及高程作異常改正，建立模型，統(tǒng)計(jì)成果精度，平面、高程中誤差優(yōu)于5 m，滿足規(guī)范1∶10 000制圖精度要求。并深入研究基于多個(gè)立體像對(duì)空三加密方法，通過(guò)增加旁向連接點(diǎn)，并采用區(qū)域網(wǎng)平差的方法，利用6個(gè)外業(yè)像控點(diǎn)完成了2個(gè)GeoEye-1立體像對(duì)、1個(gè)WorldView立體像對(duì)空三加密工作并統(tǒng)計(jì)成果精度，平面中誤差優(yōu)于1.2 m，高程中誤差優(yōu)于0.9 m，基本滿足規(guī)范1∶2 000制圖精度要求。

川藏鐵路由于其地勢(shì)復(fù)雜，環(huán)境、氣候條件惡劣，航空攝影、外業(yè)像片控制測(cè)量及后續(xù)的制圖等工作非常困難，通過(guò)該項(xiàng)目研究，利用高分辨率衛(wèi)星影像WorldView-1、GeoEye-1測(cè)制高寒無(wú)人區(qū)大比例尺地形圖成為可能，值得推廣應(yīng)用。

[1] 王義.基于高分辨率衛(wèi)星的影像預(yù)處理研究[J].鐵道勘察，2015(4)

[2] 趙春川，李永樹(shù)，張帥毅.基于高分影像的道路損毀評(píng)估方法研討[J].測(cè)繪，2016(1)

[3] 蔣勇.各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2013(5)

[4] 周云.高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與LIDAR數(shù)據(jù)在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2012(1)

[5] 張燕，王國(guó)昌，王智，等.IKONOS-2立體像對(duì)的糾正精度分析[J].鐵道勘察，2009(3)

[6] 代強(qiáng)玲，王智，閔世平.GeoEye-I衛(wèi)星影像制圖在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2014(3)

[7] 王國(guó)昌.衛(wèi)星影像制圖在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(2)

[8] 熊亮.WorldView-1衛(wèi)星影像制圖在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].鐵道勘察，2009(6)

[9] 夏先麗，韓明，文廣，等.利用WorldView-1衛(wèi)星立體影像測(cè)繪1∶5 000地形圖的試驗(yàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2010(1)

[10]龔明劼，張鷹，張蕓.衛(wèi)星遙感制圖最佳影像空間分辨率與地圖比例尺關(guān)系探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2009(4)

Study on Topographic MapTechnology of Railway High Resolution Satellite Image Measurement System Based on Unmanned Alpine Mountain

WANG Yi LU Jiankang MEI Xi

2016-09-19

王 義(1975—)，男，2000年畢業(yè)于武漢測(cè)繪科技大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)06-0004-04

P237

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