高分二號衛(wèi)星遙感影像制圖適用性分析

史園莉，付 卓，姜 俊，張 雪

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094)

高分二號衛(wèi)星遙感影像制圖適用性分析

史園莉，付 卓，姜 俊，張 雪

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094)

遙感影像制圖是高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用的主要方面之一。針對高分二號衛(wèi)星影像制圖流程，本文討論了影響制圖效果的幾個關鍵因素，包括自然真彩色波段合成方式、人眼分辨率與打印分辨率(DPI)的關系、衛(wèi)星影像空間分辨率與制圖比例尺的關系。實踐證明，這些處理方法在高分辨率遙感影像制圖工作應用中取得了良好的效果。

高分二號；遙感制圖；真彩色波段合成；成圖比例尺；打印分辨率

隨著對地觀測技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感空間分辨率的逐漸提高，使遙感數(shù)據(jù)大比例尺應用成為可能，為對高分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品制圖的迫切需求提供了數(shù)據(jù)保障[1]。與傳統(tǒng)的低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)相比，高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在很大程度上增加了地表信息量，可以更加細致地反映地物細節(jié)，但同時也增加了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的復雜性[2]。遙感影像制圖是遙感技術應用的一個重要內(nèi)容，以遙感影像和地圖符號來表現(xiàn)制圖對象地理空間分布和環(huán)境狀況[3-4]。在遙感影像地圖中，圖面內(nèi)容主要由影像構成，輔助以一定地圖符號來表現(xiàn)或說明制圖對象。相比傳統(tǒng)地圖，遙感影像地圖不僅信息量豐富，而且形象直觀、現(xiàn)勢性強，提高了地圖的可讀性。

高分二號衛(wèi)星是我國目前空間分辨率最高、觀測幅寬最大的民用遙感衛(wèi)星，大幅提升了我國遙感衛(wèi)星觀測效能，對城市規(guī)劃發(fā)展、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、地圖測繪更新等行業(yè)應用提供數(shù)據(jù)支撐[5]。根據(jù)長期環(huán)境遙感制圖實踐，本文總結了遙感影像制圖的主要流程，并針對高分二號衛(wèi)星影像制圖中自然真彩色波段合成、成圖比例尺和出圖分辨率的選擇等關鍵問題進行了分析研究，以提高應用高空間分辨率遙感影像進行環(huán)境制圖的水平。

1 高分二號衛(wèi)星

高分二號衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛(wèi)星，搭載有兩臺高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機，星下點空間分辨率可達0.8 m，運行在631 km高空的太陽同步回歸軌道中，軌道傾角97.908 0°，降交點地方時10:30AM，設計壽命5～8年，回歸周期69 d[5]。高分二號衛(wèi)星主要載荷技術指標見表1。

表1 高分二號衛(wèi)星有效載荷技術指標

高分二號衛(wèi)星傳感器波段設計應用比較廣泛。全色傳感器具有亞米級空間分辨率，多光譜傳感器設計了藍、綠、紅、近紅外4個波段，完全滿足常規(guī)遙感影像地圖制作的數(shù)據(jù)需求。既可以采用單獨全色影像數(shù)據(jù)制作高分辨率影像圖，也可以采用多光譜影像數(shù)據(jù)制作彩色影像圖，同時，可以進行全色和多光譜數(shù)據(jù)融合后，制作高分辨率的彩色遙感影像圖。

2 制圖流程

常規(guī)衛(wèi)星遙感影像制圖流程如圖1所示，包括數(shù)字正射影像圖制作、影像制圖與整飾、成圖輸出與印刷等3部分主要內(nèi)容。

圖1 高分二號影像制圖流程

2.1 數(shù)字正射影像制作

數(shù)字正射影像制作主要采用幾何精校正/正射校正、影像融合、勻色鑲嵌/裁切等處理過程，生成色調(diào)均勻、無縫鑲嵌的標準遙感影像圖。首先，根據(jù)制圖要求，選擇所需時相、制圖范圍云量覆蓋較少的數(shù)據(jù)[6]。其次，進行區(qū)域網(wǎng)平差與正射校正，提高影像的空間定位精度[7]達到制圖要求。然后將高空間分辨率全色影像和低空間分辨率的多光譜影像融合[8-10]，提高制圖視覺效果。再進行真彩色波段合成，有助于地物識別。最后將多幅影像勻色鑲嵌或?qū)⒛骋粎^(qū)域進行剪裁成制圖區(qū)域。

2.2 影像制圖與整飾

根據(jù)制圖區(qū)域和制圖對象的特點，選擇合理的圖幅規(guī)格和制圖版式，設置標準清晰的主題要素信息的分類、分級及符號化方法；定義數(shù)學地理基礎，包括平面坐標系、地圖投影、高程基準、深度基準等；添加相關的地圖制圖要素進行地圖整飾，包括圖名、圖例、圖廓、比例尺、公里格網(wǎng)、指北針、圖記文字等信息。制圖要素需符號風格、顏色、粗細等協(xié)調(diào)，簡單精煉。最后，在主圖下方空白處配置相關文字說明、附注等，包括制圖單位、數(shù)據(jù)來源、成像時間等相關信息。

2.3 成圖輸出與印刷

制圖成果應版面清晰，無模糊虛斷、接邊明顯等現(xiàn)象。質(zhì)量檢查合格后[11]，在制圖軟件中保存地圖，選擇合適像素分辨率輸出地圖，保證打印成圖的清晰。根據(jù)制圖圖幅大小印刷圖件，非標準圖幅可待打印出圖后裁切成成果圖大小。通常，A0圖幅可采用高光相紙進行打印，A4—A3等圖幅可采用銅版紙打印。

3 關鍵問題

3.1 自然真彩色波段合成

遙感影像平面圖的影像應層次豐富、清晰易讀、色調(diào)均勻、反差適中；融合后的影像色彩應接近真實自然，色彩均衡，無明顯偏色與拼接痕跡[12]。遙感影像自然真彩色合成常用的方法主要有3種[13]：①直接用多光譜影像的紅、綠、藍波段對應R/G/B通道合成，一般用于在計算機上快速查看地物細節(jié)信息；②利用已有波段加權運算重新生成紅、綠、藍波段，一般用于增強植被、水體等地物顏色層次，提高遙感影像制圖的色彩信息；③利用其他波段信息重新生成某一波段，一般用于缺少波段的傳感器。為提高制圖質(zhì)量，通常在用制圖軟件出圖后，再用PhotoShop進行圖片增強處理，通過曲線、色階、色彩平衡、色相飽和度等對圖像進行調(diào)色，達到理想的效果。

對于高分二號衛(wèi)星高分辨率影像，具有近紅外、紅、綠、藍4個波段。在制圖過程中，若直接采用紅、綠、藍波段組合真彩色合成，影像基本上接近各類地物實際色彩，但植被的顯示效果并不理想，主要反映在植被整體色調(diào)偏暗[14]，植被內(nèi)部的層次感不強，影響了制圖視覺效果。為此，通常采用波段加權運算增強植被信息，對綠波段和近紅外波段進行加權后代替原來的綠波段，然后進行波段合成。如式(1)所示

(1)

下面選擇2016年8月27日北京鳥巢周邊的高分二號衛(wèi)星影像為例，進行正射校正、數(shù)據(jù)融合處理，對融合后的數(shù)據(jù)進行波段加權運算，重構真彩色影像，如圖2和圖3所示。

圖2 原始影像融合后真彩色波段組合影像

圖3 波段加權強化植被真彩色波段合成影像(a=0.8)

對比圖2和圖3，從目視效果看，經(jīng)過波段加權后的真彩色波段合成影像，整體視覺效果比直接進行真彩色組合方法得到了提升，特別是植被區(qū)域色調(diào)更加自然逼真，提高了影像制圖質(zhì)量。

3.2 出圖打印分辨率的選擇

對于高空間分辨率的遙感影像來說，出圖打印像素分辨率的選擇也是影響出圖效果的一個重要因素。打印像素分辨率(DPI)通常定義為單位長度內(nèi)(通常為1 inch，1 inch=2.54 cm)所包含的像素的個數(shù)。像素分辨率的大小直接影響到影像的數(shù)據(jù)量和地物細節(jié)的清晰度[2]。一般來說，像素分辨率越高，數(shù)據(jù)量就越大，地物細節(jié)的清晰程度也越高。但每種制圖打印方式都有最佳分辨率，并非分辨率越高越好。對于計算機制圖出圖像素分辨率，如果超出了人眼視覺分辨率的識別范圍，并不能提高制圖質(zhì)量，反而徒增了數(shù)據(jù)量，制約了制圖打印效率。

通常情況下，正常視力的人眼在正常明視距離處的分辨率為0.1 mm～0.30 mm[15-16]。據(jù)此可以計算出紙質(zhì)出圖打印像素分辨率的需求(1 inch=25.4 mm)，見表2。

表2 人眼分辨率與打印分辨率DPI的對應表

圖4 打印分辨率和人眼分辨率的關系圖

圖4顯示了打印像素分辨率和人眼分辨率的關系。其中，陰影部分的上邊界表示了最大的用于制圖的像素分辨率，一般用于紙質(zhì)打印出圖(250～300 dpi)，保證較好的印刷還原效果；陰影部分的下邊界表示了可用于制圖的最小像素分辨率，一般用于計算機網(wǎng)絡圖片(72～96 dpi)，降低網(wǎng)絡傳輸速度的影響，提高瀏覽速度。對于高分二號衛(wèi)星影像制圖，如果像素分辨率超出了陰影部分的上邊界，不會提高整體的制圖效果，反之，如果低于下邊界，則不適于進行制圖。

3.3 空間分辨率與成圖比例尺的選擇

衛(wèi)星傳感器空間分辨率的選擇是遙感制圖的重要環(huán)節(jié)之一，直接決定了地物細節(jié)的清晰度[17]。衛(wèi)星影像空間分辨率選擇的最主要依據(jù)是制圖比例尺的大小。通常制圖比例尺越大，要求衛(wèi)星影像的空間分辨率越高。但并不是高分辨率的衛(wèi)星影像適于制作所有大小比例尺的圖件，各個空間分辨率影像都有適宜制圖出圖的比例尺范圍。

為確保制圖細節(jié)清晰，制圖單位面積的原始像素數(shù)需高于出圖單位面積的像素數(shù)。據(jù)此可得制圖比例尺與影像空間分辨率的關系，如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

式中，長度單位均為m。其中，l為1英寸對應的單位米長度，即0.025 4；Dpi為制圖出圖像素分辨率；Soutput為制圖出圖尺寸；Soriginal為原始像素圖幅大小；Res為衛(wèi)星影像空間分辨率；Scale為制圖比例尺。

根據(jù)上節(jié)出圖打印像素分辨率分析，選擇72～300 dpi作為出圖像素分辨率，可以確定不同空間分辨率的遙感影像制圖比例尺的范圍，見表3。

表3 不同空間分辨率影像的制圖比例尺范圍

圖5 遙感制圖比例尺對影像空間分辨率的需求

圖5表示了不同制圖比例尺對衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的需求。其中，白色部分表示最佳的制圖比例尺范圍，斜線填充部分表示該分辨率過高，存在信息和數(shù)據(jù)的冗余，虛線部分表示分辨率低，不適合進行該比例尺的制圖。對于高分二號衛(wèi)星全色或融合影像空間分辨率1 m，可以制作的最大成圖比例尺為1∶2835，適合的最小成圖比例尺為1∶11 811。按照國家標準分幅，成圖比例尺范圍在1∶5000～1∶10 000。

4 結 語

在高空間分辨率的遙感影像制圖過程中，首先，針對實際工作需求，根據(jù)制圖區(qū)域和出圖圖廓大小，確定制圖比例尺；然后，根據(jù)制圖比例尺，選擇適宜的空間分辨率的衛(wèi)星遙感影像；最后，確定打印出圖像素分辨率。同時，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)源及制圖需求，選擇合適的波段組合模式。對于高分二號衛(wèi)星影像制圖，為確保制圖質(zhì)量，通常采用波段加權增強植被信息自然真彩色波段組合方式， 紙質(zhì)打印出圖像素分辨率為250～300 dpi，制圖比例尺范圍為1∶2835～1∶11 811。

[1] 曹鑫,陳學泓,張委偉,等.全球30 m空間分辨率耕地遙感制圖研究[J].中國科學(地球科學)，2016,46(11):1426-1435.

[2] 郭仕德,林旭東,馬廷.高空間分辨率遙感環(huán)境制圖的幾個關鍵技術研究[J].北京大學學報(自然科學版),2004,40(1):116-120.

[3] 彭望琭.遙感概論[M].北京:高等教育出版社,2010.

[4] 陳卓寧,韓鎮(zhèn).基于資源三號衛(wèi)星影像的制圖研究[J].測繪通報,2013(11):78-80.

[5] 潘騰.高分二號衛(wèi)星的技術特點[J].中國航天,2015(1):3-9.

[6] 譚凱,張永軍,童心,等.國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星影像自動云檢測[J].測繪學報,2016,45(5):581-591.

[7] 唐新明,張過,祝小勇,等.資源三號測繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構建與精度初步驗證[J].測繪學報,2012,41(2):191-198.

[8] 孫攀,董玉森,陳偉濤,等.高分二號衛(wèi)星影像融合及質(zhì)量評價[J].國土資源遙感,2016,28(4):108-113.

[9] 王華斌,李國元,張本奎,等.資源三號衛(wèi)星影像融合算法對比分析[J].測繪科學,2015,40(1):47-51.

[10] 段偉,閆利,鞏翼龍.圖像融合對圖像中信號頻率影響的研究[J].測繪通報,2016(3):36-39.

[11] 陳軍,陳晉,廖安平,等.全球30m地表覆蓋遙感制圖的總體技術[J].測繪學報,2014,43(6):551-557.

[12] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.遙感影像平面圖制作規(guī)范：GB/T 15968—2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[13] 遙感影像GIS中國專業(yè)服務.ENVI下遙感影像4波段融合真彩色3波段[EB/OL].[2014-03-05].http:∥blog.sina.com.cn/s/blog_4944b7c40101icmh.html.

[14] 張偉,鄭旭霞.基于植被指數(shù)的多光譜影像真彩色合成方法[J].測繪與空間地理信息,2010,33(6):110-113.

[15] 張廷斌,唐菊興,劉登忠.衛(wèi)星遙感圖像空間分辨率適用性分析[J].地球科學與環(huán)境學報,2006,28(1):79-82.

[16] 劉洋,辛蕊,孫曉明.人眼分辨率和衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率與成圖比例尺的適用性分析[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學,2012(9):126-129.

[17] 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系探討[J].測繪科學,2009,34(4):232-233.

ApplicabilityAnalysisofGF-2ImageryMapping

SHI Yuanli，F(xiàn)U Zhuo，JIANG Jun，ZHANG Xue

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China)

The environmental mapping is an important application of high spatial resolution remote sensing images. Based on the mapping progress of GF-2 imagery，some key processing techniques are discussed including natural-color band simulation，the relationship between eye resolution and DPI and the choice of spatial resolution and mapping scale. Actual works prove that these techniques are very useful for imgeries mapping based on high spatial resolution images.

GF-2；remote sensing mapping；natural-color band simulation；mapping scale；DPI

2017-05-31；

2017-08-29

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0501404)

史園莉(1984—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為遙感數(shù)據(jù)處理。E-mail：shiyuanli001@163.com

付 卓。E-mail：fuzhuo@126.com

史園莉，付卓，姜俊，等.高分二號衛(wèi)星遙感影像制圖適用性分析[J].測繪通報，2017(12)：86-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0385.

P237

A

0494-0911(2017)12-0086-04