WorldView衛(wèi)星影像在公路航測(cè)數(shù)字化制圖中的應(yīng)用研究

摘 要：依托于G217線莎車至塔什庫爾干公路數(shù)字測(cè)圖項(xiàng)目，利用高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星WorldView，進(jìn)行滿足公路勘測(cè)需要的1：2000制圖精度和流程研究。對(duì)于豐富高分辨率衛(wèi)星影像在公路勘測(cè)制圖中的應(yīng)用及制圖環(huán)節(jié)探索具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星影像； 空三加密； WorldView

Application of WorldView Satllite Images in Highway

Digital Survey and Mapping

Kang Miaohang

（China Railway First Survey And Design Institute.Ltd Shanxi Xian 710043）

Abstract：The research based on the 1：2000 survey and mapping project of G217 highway from Shache to Taxkorgan by WorldView satellite images. The aim is to develop the application and process of high resolution satellite images in highway digital survey and mapping.

Key words： satellite image； aerial triangulation； WorldView

1 現(xiàn)狀分析

隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星影像時(shí)空分辨率的不斷提高，衛(wèi)星影像立體測(cè)圖逐漸成為一種高精度、高效率的勘測(cè)制圖手段，廣泛地應(yīng)用于鐵路、公路、電力、冶金、城市規(guī)劃等勘測(cè)設(shè)計(jì)中。由于衛(wèi)星影像覆蓋面積大、重訪周期縮短、制圖所需的外控成果少，使得衛(wèi)星影像立體測(cè)圖相比于航空影像制圖，有著更高的制圖效率和實(shí)效性。特別是在困難地區(qū)以及國(guó)外勘測(cè)制圖項(xiàng)目中，更是逐漸發(fā)揮了重要的作用。 基于以往的衛(wèi)星影像制圖研究，例如，陳卓寧、韓鎮(zhèn)《基于資源三號(hào)衛(wèi)星影像的制圖研究》等，衛(wèi)星影像制圖在1：10000，1：5000等比例尺測(cè)圖方面能夠滿足精度要求，但在對(duì)于更大比例尺，例如1：2000的公路勘測(cè)制圖精度方面研究與嘗試較少。本次研究采用的是高分辨率衛(wèi)星立體測(cè)圖影像WorldView， 研究其在植被稀疏地區(qū)能否滿足精度要求更高的山區(qū)1：2000比例尺公路地形圖制圖要求。為今后的衛(wèi)星影像制圖項(xiàng)目中起到借鑒和指導(dǎo)的作用。

2 研究區(qū)域及衛(wèi)星影像概況

研究所依托項(xiàng)目為G217線莎車至塔什庫爾干公路航測(cè)數(shù)字制圖。該線位于新疆南疆喀什地區(qū)，線路里程約240.7km， 測(cè)區(qū)位于東經(jīng)75°11′～77°14′；北緯37°45′～38°24′。整個(gè)測(cè)區(qū)為山地地形、海拔最高3700米、最低1500米、高差2200米，測(cè)區(qū)內(nèi)植被稀少、居民地等分布零散。

針對(duì)帶狀測(cè)區(qū)，本研究所采用的衛(wèi)星為WorldViewⅠ和WorldViewⅡ。WorldView系列衛(wèi)星是美國(guó)DigitalGlobe公司在商用衛(wèi)星領(lǐng)域中最高空間分辨率衛(wèi)星之一，也是中比例尺、大比例尺測(cè)圖中亟需用到的衛(wèi)星影像。本次采用的影像為全色黑白立體像對(duì)數(shù)據(jù)，影像空間分辨率（GSD）為0.5米，含有RPC參數(shù)文件（*.RPB）?；A(chǔ)產(chǎn)品經(jīng)過了輻射糾正及傳感器校正，為WGS84的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。區(qū)域內(nèi)整體云量小于5%。立體像對(duì)的拍攝時(shí)間為2014年10月，六張衛(wèi)星影像共構(gòu)成三對(duì)立體像對(duì)，覆蓋面積約為1350平方公里。

3 試驗(yàn)研究

3.1像控測(cè)量

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)，中央經(jīng)線為77°，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。像控點(diǎn)的布設(shè)主要依據(jù)JTG C10-2007《公路勘測(cè)規(guī)范》，GB/T 7931-2008《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》，根據(jù)像對(duì)的覆蓋及重疊情況進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，分布在影像的四周和中部，像對(duì)重疊區(qū)域應(yīng)盡量保證有控制點(diǎn)。采用GPS靜態(tài)觀測(cè)，共布設(shè)19個(gè)控制點(diǎn)， 選刺目標(biāo)清晰可辨，易于量測(cè)。像控點(diǎn)高程采用GPS水準(zhǔn)測(cè)量方法擬合，分段擬合時(shí)要進(jìn)行充分檢驗(yàn)。設(shè)40個(gè)檢查點(diǎn)，用于空三加密及數(shù)字線劃圖（DLG）成果的精度評(píng)定，以驗(yàn)證研究方案的可行性。

3.2衛(wèi)星影像空三加密

衛(wèi)星影像空三加密定位采用航天遠(yuǎn)景Mapmatrix全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站完成。主要采用RPC參數(shù)+控制點(diǎn)的模式來進(jìn)行空三加密。通過衛(wèi)星影像RPC參數(shù)定位，自動(dòng)匹配，量測(cè)外業(yè)點(diǎn)，進(jìn)行改正數(shù)計(jì)算及區(qū)域網(wǎng)平差，完成空三加密并輸出精度報(bào)告。

3.2.1 衛(wèi)星影像預(yù)處理

首先利用ERDAS軟件將16bit影像轉(zhuǎn)換為8bit影像。通過調(diào)光處理后可使影像灰度均勻、反差適中，不同時(shí)間影像間色調(diào)基本一致，能夠提高影像匹配效果。

3.2.2 自動(dòng)匹配及粗差探測(cè)

內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)根據(jù)程序自動(dòng)匹配完成，結(jié)合人工手動(dòng)量測(cè)。匹配完成后，均應(yīng)進(jìn)行粗差探測(cè)，刪除不可靠點(diǎn)、精度差的點(diǎn)及像片邊緣的點(diǎn)。在RPC空三界面下進(jìn)行模型連接點(diǎn)的量測(cè)，選擇自由網(wǎng)模式，先在6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位置量測(cè)模型連接點(diǎn)，再加密其它連接點(diǎn)。保證每個(gè)像對(duì)有一個(gè)接邊點(diǎn)，兩測(cè)段接邊處至少有2-3個(gè)接邊點(diǎn)。

3.2.3 外業(yè)像控點(diǎn)量測(cè)

外控點(diǎn)應(yīng)在立體模型上仔細(xì)準(zhǔn)確量測(cè)，控制點(diǎn)量測(cè)先在平面模式下調(diào)整點(diǎn)位，然后再進(jìn)入立體模式調(diào)整點(diǎn)位。由于衛(wèi)星影像RPC參數(shù)的區(qū)域網(wǎng)平差主要校正像方偏移為主的系統(tǒng)誤差，因此較少的控制點(diǎn)即可提高空三加密精度。位置不明確，量測(cè)誤差較大的控制點(diǎn)應(yīng)舍去。應(yīng)盡量保留像對(duì)四個(gè)角點(diǎn)位置的控制點(diǎn)量測(cè)以及多度重疊區(qū)的控制點(diǎn)量測(cè)，如圖1所示。最終保證像點(diǎn)單位權(quán)中誤差在0.5個(gè)像素以內(nèi)，并輸出空三成果報(bào)告。

3.3 采集編輯成圖

圖和數(shù)字地面高程模型的采集由JX4和MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站完成。

結(jié)合外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)成果，采集各類要素完成。參照規(guī)范GB/T《基礎(chǔ)地理信息要素分類與

代碼》。在航天遠(yuǎn)景Mapmatrix中，立體采集經(jīng)過模型定向，根據(jù)影像條帶中加載的影像，按照命名規(guī)則分別進(jìn)行立體像對(duì)的創(chuàng)建，進(jìn)入FeatureOne矢量數(shù)據(jù)采集窗口。打開實(shí)時(shí)核線影像，在此平臺(tái)下完成地形圖要素采集工作。

數(shù)字地形圖及DEM的編輯工作利用AutoCAD環(huán)境下的DLGmate 圖形編輯軟件完成。參照GB/T 7930-2008《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》及 GB/T 20257.1-2007《國(guó)家基本比例尺地圖圖式 第一部分： 1：500、1：1000、1：2000地形圖圖式》。按照?qǐng)D式要求對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，符號(hào)化各種線型、線寬、注記等內(nèi)容，制作成數(shù)字線劃圖，如圖2所示。

4 精度檢驗(yàn)

4.1空三加密精度統(tǒng)計(jì)

定向控制點(diǎn)的均方根中誤差及殘差如表1。

根據(jù)空三加密精度統(tǒng)計(jì)報(bào)告可得，定向控制點(diǎn)單位權(quán)中誤差控制在0.5個(gè)像素內(nèi)，定向質(zhì)量較好。

4.2地形圖制圖精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)測(cè)區(qū)地形等級(jí)，滿足公路勘測(cè)規(guī)范的1：2000地形圖的精度應(yīng)符合表2規(guī)定。

注：H為基本等高距

根據(jù)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與衛(wèi)星影像繪制的地形圖相比較，40個(gè)檢查控制點(diǎn)的平面中誤差為1.125m，滿足1：2000公路制圖平面中誤差±1.6m范圍內(nèi)。對(duì)于山嶺困難地區(qū)，等高距為兩米的情況下，檢查控制點(diǎn)高程中誤差為1.105m，滿足1：2000公路制圖高程中誤差±1.33m之內(nèi)。因此，地形圖精度滿足1：2000公路制圖精度要求。

通過以上精度統(tǒng)計(jì)分析，WorldView衛(wèi)星定位精度穩(wěn)定，布設(shè)控制點(diǎn)合理的情況下，空三加密定向精度及地形圖制圖精度基本能夠達(dá)到山區(qū)1：2000公路制圖規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

由于WorldView衛(wèi)星影像軌道姿態(tài)參數(shù)——RPC參數(shù)較為準(zhǔn)確，立體測(cè)圖所需要的外業(yè)控制點(diǎn)也較少。在引入一個(gè)平高控制點(diǎn)時(shí)，空三加密的精度已經(jīng)得到很大的提升?？刂泣c(diǎn)布設(shè)合理，影像質(zhì)量較好且植被覆蓋較少的前提下，WorldView衛(wèi)星影像立體測(cè)圖可以滿足山區(qū)1：2000公路勘測(cè)地形圖制圖精度要求。經(jīng)過這些嘗試及研究，最終形成了基于WorldViewⅠ和WorldViewⅡ 的衛(wèi)星遙感影像立體測(cè)圖技術(shù)流程。相比于航空攝影，利用衛(wèi)星影像測(cè)圖在航攝條件困難以及像控點(diǎn)布設(shè)困難的地區(qū)具有明顯優(yōu)越性。在鐵路、公路、電力等帶狀勘測(cè)制圖項(xiàng)目中能夠提高制圖效率、縮短制圖周期。此外，對(duì)于WorldView衛(wèi)星影像在平原及丘陵地區(qū)1：2000地形圖制圖精度方面仍需進(jìn)一步研究分析其可行性。今后隨著衛(wèi)星影像分辨率的進(jìn)一步提高，高分辨率衛(wèi)星遙感影像測(cè)圖將進(jìn)一步替代航空攝影測(cè)量，成為勘測(cè)制圖的主要手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王義. 基于高分辨率衛(wèi)星影像測(cè)制高寒無人山區(qū)鐵路地形圖技術(shù)研究 [J]. 鐵道勘察， 2016（6）：4-7

[2]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）：16-18

[3]張永軍，張勇. SPOT 5 HRS 立體影像無（稀少）控制絕對(duì)定位技術(shù)研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào) 2006，31（11）：941-944

[4]張永生，劉軍. 高分辨率遙感衛(wèi)星立體影像RPC模型定位的算法及其優(yōu)化[J]. 測(cè)繪工程，2004，13（1）：1-4

作者簡(jiǎn)介：

亢邈迒（1990.3-），男，助理工程師，畢業(yè)于香港中文大學(xué)航測(cè)遙感專業(yè)，現(xiàn)于中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司工作。