基于多源數(shù)據(jù)的1∶10 000地形圖制作方法在境外鐵路項(xiàng)目中的應(yīng)用

鄧?yán)^偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

一直以來，地形資料獲取困難是境外鐵路勘察設(shè)計(jì)的一大瓶頸，嚴(yán)重制約著境外項(xiàng)目的前期進(jìn)展[1]。在境外鐵路項(xiàng)目中，存在技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一、溝通不暢、技術(shù)發(fā)展不均衡、設(shè)備及人員部署困難等問題，制約了第一手地形圖資料獲取的效率。隨著全球定位系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、遙感等技術(shù)的發(fā)展，可用于地形圖生產(chǎn)的數(shù)據(jù)資料越來越多，如數(shù)字化地圖、航空影像、衛(wèi)星遙感影像、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)等；編制地形圖的方式也由以紙質(zhì)地圖掃描矢量化逐漸向多源數(shù)據(jù)綜合利用的模式改變[2]。多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類的增多和數(shù)據(jù)綜合利用模式的改變，使地圖學(xué)產(chǎn)生了深刻的技術(shù)革命，境外鐵路項(xiàng)目地形圖制作的思路也將隨之轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)的低效率人工測(cè)量為主的勞動(dòng)密集型方式向非接觸式的技術(shù)密集型方式轉(zhuǎn)變。

目前，國(guó)內(nèi)外商業(yè)化衛(wèi)星影像種類越來越多，在此背景下，國(guó)家測(cè)繪地理信息部門已經(jīng)廣泛開展了利用多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖更新的技術(shù)研究。基于衛(wèi)星影像的地形圖更新方法具有更新周期短、效率高等優(yōu)勢(shì)，能夠較好地解決中、小比例地形圖等空間地理信息數(shù)據(jù)的更新問題，擴(kuò)大了基礎(chǔ)地理信息的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。利用攝影測(cè)量與遙感的方法進(jìn)行境外項(xiàng)目無圖區(qū)域的地形圖制作，既可以彌補(bǔ)現(xiàn)有作業(yè)資源的不足，保證地形圖的成圖質(zhì)量，又能夠提高地形圖的生產(chǎn)效率。

多源基礎(chǔ)資料大多存在比例不統(tǒng)一、坐標(biāo)系不統(tǒng)一以及時(shí)效性不同等諸多問題，給地形圖的生產(chǎn)帶來極大的困難。如何在境外項(xiàng)目中高效利用多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行中小比例地形圖的制作，是攝影測(cè)量與遙感的一個(gè)重要課題。近年來，國(guó)內(nèi)許多單位對(duì)遙感衛(wèi)星影像制圖的可行性及技術(shù)方法進(jìn)行了研究，基于RPC的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理方法也已日趨成熟。在借鑒已有理論和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、既有地形數(shù)據(jù)及免費(fèi)共享數(shù)據(jù)等為主的多源數(shù)據(jù)綜合制圖方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和總結(jié)，驗(yàn)證了該方案的可行性，并在境外某鐵路初測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用。

該鐵路工程線路全長(zhǎng)約430 km，沿線除城市區(qū)域較為平坦外，80%以上線路區(qū)域?qū)儆谏降?，地形起伏較大、溝谷縱橫，且70%以上區(qū)域植被非常茂密，采用傳統(tǒng)地形圖制作方式難度非常大。在該鐵路工程項(xiàng)目初測(cè)階段，考慮到工期緊、境外航飛困難等因素，采用高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)、全球共享數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)及既有1∶5 000圖等多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制作了全線的1∶10 000地形圖。本項(xiàng)目總體解決方案見圖1。

圖1 總體解決方案

1 縮編制作1∶10 000地形圖

在該鐵路項(xiàng)目的預(yù)可研階段，收集有全線的既有老舊1∶5 000地形圖，采用地形圖縮編的方法，通過制圖綜合，完成了既有1∶5 000地形圖的縮小比例制圖。

制圖綜合是地形圖縮編時(shí)的二次抽象，是一種主觀性及地域性都很強(qiáng)的制圖技術(shù)。為了到達(dá)制圖綜合的目的，通常需要對(duì)地形圖進(jìn)行兩種基礎(chǔ)處理-選取和概括[9]。

本項(xiàng)目中，在進(jìn)行縮編工作之前，通過分析測(cè)區(qū)的資料情況，結(jié)合制圖部門的生產(chǎn)技術(shù)能力，選擇適合的縮編方法，制定了合理的縮編作業(yè)流程?？s編技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 1∶5 000地形圖縮編技術(shù)路線

2 基于RPC的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取及介紹

為了完成線路方案范圍的1∶10 000地形圖制作，采用基于RPC的高分辨率衛(wèi)星影像獲取變化區(qū)域的地形圖地物特征數(shù)據(jù)，利用立體像對(duì)采集變化區(qū)域的等高線和高程點(diǎn)等地形數(shù)據(jù)。該鐵路項(xiàng)目地處熱帶，常年被云霧覆蓋。因此，分別采購(gòu)了美國(guó)的WorldView-2和法國(guó)的Pleiades高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)，確保成圖區(qū)域沒有被云遮蓋。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)由全球SRTM數(shù)據(jù)中獲取。

WorldView-2衛(wèi)星是Digitalglobe公司的商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng)，影像數(shù)據(jù)分辨率高，其全色波段分辨率達(dá)到0.41 m，并能同時(shí)提供8個(gè)多光譜波段，影像細(xì)節(jié)豐富[6]。Pleiades的空間分辨率也高達(dá)0.5 m，其衛(wèi)星星座由Pleiades1和Pleiades2兩顆完全相同的衛(wèi)星組成，通過雙星配合可實(shí)現(xiàn)全球任意地區(qū)的每日重訪，能夠快速獲取任何區(qū)域的高分辨率數(shù)據(jù)。WorldView-2和Pleiades高分辨率衛(wèi)星影像二者共同的特點(diǎn)是:提供與每景影像對(duì)應(yīng)的高精度軌道參數(shù)，即有理函數(shù)模型(Rational Function Model-RFM)所使用的有理多項(xiàng)式系數(shù)(Rational Polynomial Coefficients-RPC)?；赗PC參數(shù)，可以精確描述衛(wèi)星影像像點(diǎn)坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)之間的變換關(guān)系[4]。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與選刺

在Google Earth中布設(shè)像控點(diǎn)，要求沿線位成圖區(qū)域均勻分布；基于Google Earth上衛(wèi)星影像平面精度的先驗(yàn)知識(shí)考慮，平面誤差一般能控制在50 m以內(nèi)。因此，像控點(diǎn)距航線設(shè)計(jì)邊緣應(yīng)不小于100 m，以避免布設(shè)的像控點(diǎn)落在測(cè)區(qū)以外[11]。

1∶10 000地形圖像控點(diǎn)的布設(shè)間距較大。因此，可采用快速靜態(tài)測(cè)量的方式，在已知起算點(diǎn)和像控點(diǎn)上分別架設(shè)儀器，獲取像控點(diǎn)三維坐標(biāo)。本項(xiàng)目共布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)99個(gè)。

(2)基于RPC的高分辨率衛(wèi)星影像空三加密

首先，選取全色影像和多光譜影像的一個(gè)波段，進(jìn)行基于RPC參數(shù)的聯(lián)合自由網(wǎng)匹配；然后，引入外業(yè)像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。經(jīng)過RPC參數(shù)和像控點(diǎn)改正后的數(shù)據(jù)定向精度會(huì)得到較大的提升[13]。

(3)正射糾正和鑲嵌

空三加密完成后，其空三結(jié)果應(yīng)用于測(cè)區(qū)工程中衛(wèi)星數(shù)據(jù)的每一個(gè)波段；然后利用全球共享的STRM數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星影像的各波段逐一進(jìn)行數(shù)字微分糾正；最后對(duì)全色影像和多光譜影像分別進(jìn)行正射鑲嵌。

(4)正射影像融合

影像融合的目的是將配準(zhǔn)后的多光譜正射影像與全色正射影像進(jìn)行融合，使融合后的影像同時(shí)具備全色正射影像的高空間分辨率特征和多光譜正射影像的光譜信息，從而大幅增強(qiáng)遙感影像數(shù)據(jù)的分辨能力和解譯能力。本項(xiàng)目采用的原始全色影像和多光譜影像已經(jīng)過高精度自動(dòng)配準(zhǔn)，可以直接進(jìn)行影像融合。選用多光譜正射數(shù)據(jù)中的XS3、XS2及XS1三個(gè)波段與全色影像融合，并按該順序組合輸出[8]。

具體技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 基于RPC的高分辨率衛(wèi)星正射影像制作流程

2.3 衛(wèi)星影像空三加密及正射影像制作

目前，國(guó)內(nèi)處理衛(wèi)星立體像對(duì)的軟件系統(tǒng)主要有MapMatrix、LPS、PixGrid及像素工廠(PixelFactory)等，本項(xiàng)目采用像素工廠攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

(1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了方便后續(xù)處理，在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件系統(tǒng)之前，先對(duì)原始的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和圖像增強(qiáng)[7]。

3 修測(cè)更新

3.1 利用衛(wèi)星正射影像進(jìn)行平面要素更新

高分辨率衛(wèi)星正射影像具有時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，可以提供綜合性的定位、定量信息，而通過1∶5 000地形圖縮編制作的1∶10 000地形圖幾何精度高，但存在時(shí)間上的滯后。基于這兩者的整合可以很好地互補(bǔ)。

首先，將衛(wèi)星正射影像沿線位所需成圖區(qū)域進(jìn)行分幅處理；其次，將1∶10 000地形圖中所需更新的要素與衛(wèi)星正射影像疊加套合；最后，由內(nèi)業(yè)制圖人員對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行人工判讀，并進(jìn)行平面地物要素?cái)?shù)據(jù)(現(xiàn)狀、面狀要素)的更新。

3.2 利用立體像對(duì)進(jìn)行高程要素更新

平面要素更新完畢后，對(duì)于變化面積大的區(qū)域，將變化的矢量范圍導(dǎo)入衛(wèi)片立體采集系統(tǒng)，進(jìn)行等高線和高程點(diǎn)的采集，從而實(shí)現(xiàn)1∶10 000的高程要素更新。

3.3 注記要素更新

1∶10 000地形圖的注記要素主要包含道路、河流及行政區(qū)劃名稱等。先利用Google Earth結(jié)合既有1∶5 000地形圖進(jìn)行全線變化注記要素的補(bǔ)充采集；然后利用踏勘收集的資料進(jìn)行二次更新；最終實(shí)現(xiàn)注記要素的全部更新整合。

3.4 地形圖整合

在完成全線地形圖的平面、高程及注記等要素的更新工作后，制圖人員利用CAD對(duì)1∶10 000地形圖進(jìn)行編輯整飾，得到滿足圖式規(guī)范要求的最終成果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)縮編后1∶10 000地形圖的修測(cè)整合。

綜合上述，1∶10 000地形圖修測(cè)更新技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 1∶10 000地形圖修測(cè)更新技術(shù)流程

4 精度分析

綜合考慮線位走向和每景衛(wèi)星影像范圍，將全線分成8個(gè)測(cè)區(qū)，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從正射影像和立體采集過程來看，數(shù)據(jù)總體質(zhì)量良好，一是影像清晰可見，能夠區(qū)分較小的地物和相連的房屋；二是每景影像覆蓋的面積較航片大，數(shù)據(jù)處理和矢量采集過程更加簡(jiǎn)單便捷。

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，在該項(xiàng)目的1∶10 000地形圖更新制作過程中，在每個(gè)測(cè)區(qū)選定地形地貌變化大的區(qū)域，提供給外業(yè)安排質(zhì)檢；外業(yè)測(cè)量人員在各區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)測(cè)多處平面和高程檢查點(diǎn)，平面和高程精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

上述8個(gè)測(cè)區(qū)的質(zhì)檢點(diǎn)在各測(cè)區(qū)中都均勻分布且涉及多種地形等級(jí)。從精度統(tǒng)計(jì)可以看出，利用基于RPC的衛(wèi)星影像(或立體像對(duì))，在量測(cè)足夠數(shù)量的外業(yè)控制點(diǎn)并完成空三加密后，其平面精度(或高程精度)均能達(dá)到較高且穩(wěn)定的精度水平。

表1 各測(cè)區(qū)平面和高程精度質(zhì)檢 m

依據(jù)鐵路工程航空攝影測(cè)量規(guī)范的精度指標(biāo)可以看出，該項(xiàng)目中基于多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新制作的1∶10 000地形圖，其平面精度和高程精度(無論是在Ⅱ級(jí)地形，還是Ⅲ、Ⅳ級(jí)地形)均滿足1∶10 000地形圖精度要求[14-15]。