基于無(wú)控技術(shù)的海岸帶影像圖構(gòu)建與應(yīng)用

陳潔，李京，李奇，李天祺

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

0 引言

海岸帶是指在海陸之間相互作用的地帶，海岸帶地貌復(fù)雜，既有海洋水體，又有濕地、灘涂、海岸線以及陸地人文地物，受潮汐影響變化難測(cè)，應(yīng)用傳統(tǒng)的地面測(cè)量工作量巨大，且不易尋找明顯的地物特征點(diǎn)，船載測(cè)量由于近岸水位的原因不能開(kāi)展測(cè)量工作，因此造成了“人下不去、船上不來(lái)”的兩難境地，無(wú)法完成陸地與海洋的一體化無(wú)縫接圖，所以目前潮間帶地區(qū)地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)資料匱乏，工作仍處于起步階段。遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、時(shí)空尺度多樣、光譜信息豐富、觀測(cè)靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為海岸帶地質(zhì)調(diào)查的重要手段。李秀梅等[1]和石國(guó)印等[2]利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在渤海海岸帶進(jìn)行了土地利用類型分類和海岸線提取的研究；李清泉等[3]和梁立等[4]總結(jié)歸納了基于遙感影像技術(shù)的海岸帶監(jiān)測(cè)和海岸線提取方法。上述研究的數(shù)據(jù)源均為衛(wèi)星影像，由于衛(wèi)星軌道與海岸線走向不一致，解譯前需先進(jìn)行多源多時(shí)相數(shù)據(jù)的融合與鑲嵌，由于衛(wèi)星類型與數(shù)據(jù)格式的不同，還需采用不同的模型算法進(jìn)行大氣校正、幾何糾正與輻射定標(biāo)等預(yù)處理工作，算法的選擇也因人而異，造成了最終解譯底圖的不一致性。

以飛機(jī)為載體的航空遙感調(diào)查不受這些因素影響，具有衛(wèi)星數(shù)據(jù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。飛行平臺(tái)上搭載的光學(xué)相機(jī)、高(多)光譜成像儀、地形激光雷達(dá)、水深激光測(cè)深雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)等類型傳感器，涵蓋了多個(gè)電磁波譜段，合理利用這些技術(shù)手段既可以得到詳實(shí)準(zhǔn)確的高空間分辨率影像數(shù)據(jù)(多優(yōu)于0.3 m)，分析地質(zhì)現(xiàn)象的空間分布格局，還可以提供地形地貌、地物分類和統(tǒng)計(jì)等方面的定性及定量地理信息，有助于建立島礁、海洋和陸地的地質(zhì)模型，為研究海陸地質(zhì)耦合關(guān)系提供宏觀的基礎(chǔ)底圖。對(duì)于數(shù)字航空攝影與測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前可獲取到地表目標(biāo)高達(dá)厘米級(jí)的空間分辨率信息，隨著機(jī)載定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，無(wú)地面控制的定位精度已完全滿足中比例尺成果圖件生產(chǎn)，但其前提是架設(shè)地面基站，這在明顯特征地物少、工作區(qū)呈狹長(zhǎng)形的海岸帶地區(qū)可操作性不高。而精密單點(diǎn)定位(precise point position，PPP)技術(shù)利用GNSS衛(wèi)星廣播的星歷作為坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)，使用精密衛(wèi)星鐘差來(lái)替代用戶觀測(cè)到的衛(wèi)星鐘差參數(shù)，使得僅依靠一臺(tái)雙頻雙碼接收機(jī)即可進(jìn)行分米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位或厘米級(jí)的快速靜態(tài)觀測(cè)[5]，采用PPP技術(shù)的結(jié)果在尺度上是緊耦合方式的1/3～1/2，但其精度仍符合1∶10 000比例尺制圖的相關(guān)指標(biāo)要求[6]，這種級(jí)別的精度指標(biāo)已經(jīng)完全可以滿足大范圍、宏觀的地質(zhì)地貌分析及應(yīng)用的要求，特別適用于某些工作人員無(wú)法進(jìn)入、地質(zhì)災(zāi)害過(guò)后的困難地區(qū)及海洋[7]、沙漠、戈壁等特征地物較少的區(qū)域；航線規(guī)劃可根據(jù)海岸線走向進(jìn)行設(shè)計(jì)，飛行時(shí)間可參考常年的潮汐變化特征，選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行作業(yè)飛行，獲取接近真實(shí)情況的最高潮、最低潮和平均潮位的影像數(shù)據(jù)。因此，航空遙感與PPP技術(shù)結(jié)合，使基于無(wú)控技術(shù)的海岸帶影像構(gòu)建成為可能。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要位于渤海灣西部天津?yàn)I海新區(qū)和唐山曹妃甸新區(qū)，該區(qū)是渤海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，覆蓋面積為6 300 km2。天津?yàn)I海新區(qū)位于渤海灣頂端，在山東半島與遼東半島交匯處、海河流域下游、天津市東面，毗鄰渤海，轄區(qū)內(nèi)海岸線長(zhǎng)153 km，陸域面積為2 270 km2，海域面積為3 000 km2。唐山曹妃甸新區(qū)位于渤海中心，唐山南部，毗鄰北京、天津兩大城市。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行航空遙感數(shù)據(jù)采集與影像圖制作具有現(xiàn)實(shí)意義。

地質(zhì)背景方面，天津?yàn)I海新區(qū)屬華北地層大區(qū)的華北平原分區(qū)，位于斷陷坳陷盆地，新生代堆積物沉積厚，前新生代地層與區(qū)域地層發(fā)育情況基本相同。該區(qū)域構(gòu)造處在華北斷坳二級(jí)構(gòu)造單元中，位于黃驊坳陷三級(jí)構(gòu)造單元的北部，自北東至南西分別涉及寧河凸起、北塘凹陷、板橋凹陷和歧口凹陷4個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元，接近黃驊坳陷的沉降中心[8]。唐山曹妃甸新區(qū)是因?yàn)春颖币贫纬傻臈l狀沙島海灘，位于古灤河三角洲前緣，距大陸海岸線約20 km。灘外側(cè)為古灤河沖積扇陡坎，甸頭前緣500～600 m處水深達(dá)到20～30 m，構(gòu)成渤海灣內(nèi)天然的深水港址；灘內(nèi)側(cè)為海水淹沒(méi)的古灤河沖積扇體，上部覆蓋海相沉積，與陸地之間均為寬闊的淺灘，地形比較平坦，海水高潮時(shí)顯露面積為4 km2，低潮時(shí)顯露面積為20 km2，海底地面標(biāo)高在-0.5～0.7 m之間，北淺南深逐漸變大[9]。由此可見(jiàn)，該研究區(qū)內(nèi)的第四紀(jì)地質(zhì)地貌特征較為發(fā)育[10]，通過(guò)航空攝影得到的高空間分辨率影像數(shù)據(jù)，可為下一階段的地質(zhì)調(diào)查打下良好的基礎(chǔ)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

2 技術(shù)流程

緊耦合機(jī)載POS系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)松散型機(jī)載POS對(duì)地面基站距離和飛行期間飛行平臺(tái)姿態(tài)的限制，可直接利用其獲取的機(jī)載POS數(shù)據(jù)，通過(guò)檢校場(chǎng)消除系統(tǒng)誤差后，得到的6個(gè)外方位元素進(jìn)行空中三角測(cè)量和數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)與數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)的成果制作，無(wú)需進(jìn)行地面控制點(diǎn)的測(cè)量，極大地縮短了作業(yè)周期，節(jié)約了人力和物力支出，該方式稱之為直接地理定位定向技術(shù)。在本研究中采用的緊耦合機(jī)載POS技術(shù)不僅可利用地面基站進(jìn)行聯(lián)合差分運(yùn)算，還可利用快速星歷文件進(jìn)行精密的單點(diǎn)定位成果輸出，其精度在高差不大的地區(qū)，仍可滿足中小比例尺技術(shù)規(guī)范要求，而海岸帶地區(qū)的平坦地勢(shì)為PPP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮提供了良好的解算背景。具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于機(jī)載POS技術(shù)的DEM和DOM成果制作流程Fig.1 Flowchart of DEM and DOM achievement production based on airborne POS technology

2.1 航空攝影

本次飛行采用的傳感器為DMC數(shù)字航空攝影儀，并配備了AEROcontrol IID型慣性測(cè)量單元，可同步獲取機(jī)載POS數(shù)據(jù)。2016年6月2日—11月2日共執(zhí)行了10個(gè)架次的飛行任務(wù)，累計(jì)完成39條測(cè)線，獲取了3 325張數(shù)字影像，其中包括檢校場(chǎng)航線2條，飛行高度為3 000 m，同時(shí)完成了機(jī)載POS數(shù)據(jù)的獲取。最終實(shí)際獲取天津?yàn)I海新區(qū)和唐山曹妃甸新區(qū)8 332 km2的真彩色航空遙感影像數(shù)據(jù)，地面分辨率優(yōu)于0.3 m。

2.2 地面測(cè)量

2.2.1 基站布設(shè)

根據(jù)《IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》中基站選址原則，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)實(shí)際情況，選擇附近無(wú)電波干擾、無(wú)水面和強(qiáng)反射地物、無(wú)電磁波強(qiáng)輻射源、無(wú)高壓輸電線和無(wú)微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道的開(kāi)闊處為基站觀測(cè)點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，基準(zhǔn)站選定于天津市東麗區(qū)恒大名都小區(qū)東北角小區(qū)花園內(nèi)，點(diǎn)名為TJJZ。該站點(diǎn)附近交通、通訊條件良好，便于聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2 檢校場(chǎng)布設(shè)

檢校場(chǎng)位于曹妃甸新區(qū)濱海鎮(zhèn)，選擇2條相鄰航線，每條航線11張曝光點(diǎn)，在每條航線的第3、6、9張航片的六度重疊區(qū)域布設(shè)、選刺檢校點(diǎn)，檢校場(chǎng)共布設(shè)、聯(lián)測(cè)6個(gè)檢校點(diǎn)，另在檢校場(chǎng)內(nèi)布設(shè)、聯(lián)測(cè)2個(gè)同精度檢查點(diǎn)，在每個(gè)控制點(diǎn)位上實(shí)施GPS靜態(tài)定位測(cè)量，觀測(cè)時(shí)做詳細(xì)的控制點(diǎn)點(diǎn)之記。檢校場(chǎng)實(shí)際點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 檢校場(chǎng)地面控制點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Ground control points distribution of calibration field

2.2.3 精度驗(yàn)證區(qū)測(cè)量

精度驗(yàn)證區(qū)選在航攝區(qū)精度最弱的區(qū)域，即距離基站最遠(yuǎn)的區(qū)域，共均勻布設(shè)24個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)控制點(diǎn)。按照GB/T 13977—2012中規(guī)定的像片控制測(cè)量技術(shù)要求，在每個(gè)驗(yàn)證區(qū)控制點(diǎn)位上采用RTK測(cè)量方法，拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，做詳細(xì)的地面控制點(diǎn)點(diǎn)之記，以標(biāo)明點(diǎn)位名稱、所在地和點(diǎn)位略圖等信息，控制點(diǎn)采用統(tǒng)一編號(hào)。精度驗(yàn)證區(qū)實(shí)際點(diǎn)位分布如圖3所示。

圖3 精度驗(yàn)證區(qū)地面控制點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Ground control points distribution of accuracy verification area

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)字影像生成

采用DMC配套軟件對(duì)DMC數(shù)字影像進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、影像預(yù)處理、影像調(diào)色、幾何糾正和輻射校正，最終輸出真彩色數(shù)字影像。

2.3.2 機(jī)載POS數(shù)據(jù)處理

(1)POS數(shù)據(jù)預(yù)處理。下載地面基站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)。利用慣導(dǎo)廠商提供的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到每個(gè)曝光點(diǎn)的機(jī)載慣導(dǎo)和GNSS初始觀測(cè)值。根據(jù)航攝飛行記錄，將曝光點(diǎn)的實(shí)際編號(hào)與設(shè)計(jì)編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

(2)載波相位差分計(jì)算。利用基站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)載觀測(cè)數(shù)據(jù)、精密星歷進(jìn)行載波相位差分解算，得到每一個(gè)采樣間隔的機(jī)載GNSS天線相位中心的坐標(biāo)成果。

(3)POS數(shù)據(jù)后處理。利用所得到的天線相位中心坐標(biāo)觀測(cè)值和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)觀測(cè)值，引入飛行前所量測(cè)的偏心分量值，進(jìn)行POS數(shù)據(jù)后處理，得到包括檢校場(chǎng)在內(nèi)的每個(gè)曝光點(diǎn)的未檢校的外方位元素值。

(4)檢校場(chǎng)計(jì)算。采用傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量方法，引入檢校場(chǎng)的6個(gè)地面平高控制點(diǎn)，得到檢校場(chǎng)每個(gè)曝光點(diǎn)的外方位元素成果，該套數(shù)據(jù)可視為真值。與POS數(shù)據(jù)后處理得到的檢校場(chǎng)外方位元素進(jìn)行比較分析，采用嚴(yán)密數(shù)學(xué)檢校方法，得到檢校參數(shù)，即偏心角值。

(5)高精度外方位元素解算及輸出。利用上一步驟得到的偏心角值對(duì)該架次的所有曝光點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)檢校改正，得到更高精度的外方位元素，并將成果轉(zhuǎn)換為所需坐標(biāo)系。在飛行高度相同、作業(yè)時(shí)間跨度不大的情況下，可利用該偏心角值對(duì)測(cè)區(qū)其他架次飛行數(shù)據(jù)依次處理，以得到整個(gè)測(cè)區(qū)所有曝光點(diǎn)的外方位元素成果。

2.4 DEM和DOM制作

利用經(jīng)過(guò)了系統(tǒng)檢校后的高精度外方位元素成果直接恢復(fù)立體，即基于直接地理定位定向技術(shù)進(jìn)行研究區(qū)的DEM和DOM數(shù)據(jù)制作，并開(kāi)展成果評(píng)價(jià)與精度驗(yàn)證以確保成果質(zhì)量，在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯的基礎(chǔ)上利用該航空遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展更精細(xì)化的地質(zhì)調(diào)查工作。

2.4.1 準(zhǔn)備工作

需要準(zhǔn)備的資料包括影像數(shù)據(jù)、地面點(diǎn)刺點(diǎn)片、控制點(diǎn)成果和儀器設(shè)備參數(shù)等。在航空攝影測(cè)量軟件中導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)后，首先，利用數(shù)字航攝的儀器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)影像內(nèi)定向與相對(duì)定向；然后，量測(cè)像控點(diǎn)并進(jìn)行絕對(duì)定向；最后，運(yùn)用光束法加密出模型匹配點(diǎn)(加密點(diǎn))的坐標(biāo)。

2.4.2 精度設(shè)定

該步驟是根據(jù)成果圖件的比例尺來(lái)設(shè)定攝影測(cè)量解算的約束值，一般分為內(nèi)定向和相對(duì)定向2部分，內(nèi)定向的目的是將拍攝的影像糾正到像片坐標(biāo)系，數(shù)字影像由許多像元組成，成像時(shí)的相對(duì)位置穩(wěn)定，因此不需要內(nèi)定向環(huán)節(jié)。相對(duì)定向時(shí)，模型連接點(diǎn)殘余上下視差中誤差不大于1/3個(gè)像元，連接點(diǎn)上下視差最大殘差不大于2/3個(gè)像元[11]。

2.4.3 DEM制作

利用數(shù)字航空遙感影像和經(jīng)檢校過(guò)的外方位元素?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)空中三角測(cè)量技術(shù)解求每個(gè)模型定向點(diǎn)成果。利用空三加密成果，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上采集DEM數(shù)據(jù)，編輯輸出進(jìn)行正射校正的高程數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)經(jīng)分幅、裁剪和整理，生產(chǎn)出以圖幅為存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)tiff格式。DEM數(shù)據(jù)覆蓋整個(gè)研究區(qū)范圍，接邊范圍數(shù)據(jù)要有一定的重疊。DEM數(shù)據(jù)制作按《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型》(CH/T 9009.2—2010)等標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求執(zhí)行[12]。

2.4.4 DOM制作

利用生成的DEM數(shù)據(jù)和空三測(cè)量數(shù)據(jù)在專業(yè)軟件支持下對(duì)原始影像進(jìn)行正射校正，再進(jìn)行影像的鑲嵌和裁剪，相鄰DOM數(shù)據(jù)鑲嵌處的接邊限差不大于2個(gè)像元。圖幅間DOM數(shù)據(jù)要求紋理接邊，影像顏色保持一致。DOM數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)完整，地物清晰，色調(diào)均勻，反差適中，無(wú)重影、模糊或紋理斷裂等現(xiàn)象。DOM元數(shù)據(jù)按圖幅進(jìn)行錄入，數(shù)據(jù)格式為非壓縮的tiff格式，并以圖幅編號(hào)命名。DOM數(shù)據(jù)制作按《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000，1∶100 000 數(shù)字正射影像圖》(CH/T 9009.3—2010)等標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求執(zhí)行[13]。

3 質(zhì)量評(píng)價(jià)與精度分析

3.1 飛行質(zhì)量

3.1.1 航線彎曲度

航攝時(shí)由于不穩(wěn)定氣流的影響，飛行軌跡并不是一條直線，將實(shí)際曝光點(diǎn)的點(diǎn)位連接起來(lái)可得到一條彎曲的折線。如圖4所示，L為連接首末兩端影像像主點(diǎn)的直線長(zhǎng)度，m;l為偏離直線L最遠(yuǎn)的像主點(diǎn)與該直線的距離，m。航線的彎曲度C為航線彎曲的最大矢量與航線長(zhǎng)度比值的百分?jǐn)?shù)，即

C=l/L×100%。

(1)

圖4 航線彎曲度示意圖Fig.4 Schematic of flightline curvature

當(dāng)彎曲度太大時(shí)會(huì)產(chǎn)生航線的旁向漏洞，增加航測(cè)內(nèi)業(yè)困難，影響航測(cè)加密精度。規(guī)范規(guī)定航線彎曲度一般不大于1%，當(dāng)航線長(zhǎng)度小于5 000 m時(shí)，航線彎曲度最大不大于3%。

本研究采用的DMC航空攝影儀具有自動(dòng)化程度較高的飛行管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控飛行偏移距離，飛行平臺(tái)上也集成了高精度的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，具有自動(dòng)駕駛功能。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，通過(guò)航攝員與飛行員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與溝通，確保了所有架次的飛行軌跡均按既定設(shè)計(jì)飛行，最大偏移距離控制在50 m以內(nèi)，航線彎曲度均小于1%。

3.1.2 航向、旁向重疊度

像片重疊部分是用來(lái)進(jìn)行立體觀測(cè)和像片連接的，在航向方向必須要有三度重疊，即同一地物需在連續(xù)的3張影像上出現(xiàn)，以便于立體模型的連接和公共定向點(diǎn)的選擇。而旁向重疊度是在2個(gè)航帶模型進(jìn)行連接時(shí)應(yīng)用的。

采用機(jī)載POS輔助的全數(shù)字質(zhì)檢方法[14]，即通過(guò)對(duì)機(jī)載POS數(shù)據(jù)的解算得到實(shí)際飛行的航行軌跡和曝光點(diǎn)位置信息，再輸入相機(jī)像幅、像元尺寸、焦距和飛行高度等參數(shù)，得到每張像片相對(duì)于測(cè)區(qū)平均高程的地面覆蓋范圍，把該文件導(dǎo)入到以DEM為底圖的工程中，即可以直觀地顯示出顧及了地面起伏的實(shí)際覆蓋范圍，通過(guò)人工目視選取最小的重疊區(qū)域進(jìn)行量測(cè)，如果其滿足規(guī)范要求，則其他的地方肯定可以滿足。經(jīng)質(zhì)檢本次作業(yè)航向重疊度最大為68%，最小為58%，旁向重疊介于25%～30%之間，均符合有關(guān)規(guī)范要求。

3.1.3 旋偏角

飛行管理系統(tǒng)和自動(dòng)陀螺平臺(tái)相互交聯(lián)，能根據(jù)飛機(jī)的航向和航跡自動(dòng)控制旋偏角。該項(xiàng)質(zhì)檢根據(jù)POS解算的Heading角與設(shè)計(jì)航向角的差值進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)質(zhì)檢，本次作業(yè)旋偏角最大為12°，且連續(xù)不超過(guò)3片。其余均控制在5°以內(nèi)，均符合有關(guān)規(guī)范要求。

3.1.4 航高

通過(guò)對(duì)測(cè)線相鄰影像航高保持情況抽查的方法，檢驗(yàn)得出同一條航線相鄰2張像片高差最大值均小于20 m，最大航高與最小航高之差均小于40 m，均滿足規(guī)范要求。

3.1.5 覆蓋范圍

研究區(qū)航空遙感飛行范圍覆蓋情況是絕大部分航線超出圖廓線至少2條基線長(zhǎng)，個(gè)別航線超出3～4條基線長(zhǎng)；旁向覆蓋超出圖廓線的范圍為像幅的25%以上，均滿足規(guī)范要求。

3.2 影像質(zhì)量

對(duì)影像的檢查主要通過(guò)對(duì)生成的瀏覽小影像進(jìn)行分析，經(jīng)目視檢查，影像色彩豐富、顏色飽和、反差適中，不同架次相同地物的顏色基調(diào)一致，能夠清晰辨認(rèn)出與攝影分辨率相對(duì)應(yīng)的地物影像細(xì)節(jié)，正確地辨認(rèn)出航空遙感像片上的各種地物類別，精確地反映出被攝物體的輪廓。最終得到的平均地面空間分辨率為0.3 m，有碎云和云影的像片數(shù)目不超過(guò)總數(shù)的0.6%。

3.3 POS精度分析

3.3.1 線元素觀測(cè)值的精度評(píng)估

以X坐標(biāo)為例，POS系統(tǒng)X方向定位中誤差表達(dá)式為

(2)

式中：n為參與檢校的像片數(shù)；vXP為觀測(cè)誤差。

POS觀測(cè)值X、Y和Z3個(gè)方向的定位中誤差，均可以利用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

3.3.2 角元素觀測(cè)值的精度評(píng)估

姿態(tài)參數(shù)的觀測(cè)誤差按以下步驟進(jìn)行：

(1)根據(jù)檢校場(chǎng)像片的外方位元素(φ為俯仰角，ω為側(cè)滾角，κ為航向角)和系統(tǒng)檢校參數(shù)，POS系統(tǒng)獲取的姿態(tài)參數(shù)“真值”的旋轉(zhuǎn)矩陣R(φI′,ωI′,κI′)表達(dá)式為

R(φI′,ωI′,κI′)=R(φ,ω,κ)·R-1(φε,ωε,κε) ，

(3)

式中φε、ωε、κε分別為外方位元素的修正值。

(3)計(jì)算姿態(tài)觀測(cè)誤差vI′，以φ為例，即

。

(4)

(4)計(jì)算姿態(tài)參數(shù)的中誤差。中誤差δPOS=[δXP，δYP，δZP，δφP，δωP，δκP]T的大小可反映POS系統(tǒng)剔除系統(tǒng)漂移誤差后隨機(jī)誤差的分布。POS觀測(cè)值的精度可與商用POS的標(biāo)注精度進(jìn)行比較。

按照上述步驟，依次對(duì)每個(gè)架次POS觀測(cè)值自身精度進(jìn)行評(píng)定，POS觀測(cè)值精度分析顯示所有架次的IMU/GPS數(shù)據(jù)均在限值范圍內(nèi)(表1)。平面、高程和速度偏差限值分別為0.15 m、0.5 m和0.6 m/s。

表1 機(jī)載POS數(shù)據(jù)解算結(jié)果Tab.1 Solution results of airborne POS data

3.4 DEM和DOM精度分析

3.4.1 驗(yàn)證區(qū)空三加密

驗(yàn)證區(qū)空中三角測(cè)量運(yùn)用經(jīng)典的光束法平差模型解算加密點(diǎn)坐標(biāo)。將POS數(shù)據(jù)引入空三工程，進(jìn)行相對(duì)定向模型連接點(diǎn)自動(dòng)匹配，之后進(jìn)行基于POS數(shù)據(jù)的光束法空三嚴(yán)密平差，平差計(jì)算后在立體模型下量測(cè)外業(yè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與驗(yàn)證區(qū)控制點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)得到實(shí)際精度。

3.4.2 定位精度對(duì)比

自由網(wǎng)平差合格后在立體模型下測(cè)量外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，與驗(yàn)證區(qū)控制點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，得到利用檢校后POS數(shù)據(jù)直接進(jìn)行空三加密的模型實(shí)際精度。規(guī)范要求1∶10 000的DOM平面中誤差≤5 m，1∶10 000的二級(jí)DEM高程中誤差≤1.7 m。利用檢校后的POS數(shù)據(jù)直接進(jìn)行空三加密的模型實(shí)際精度計(jì)算，如表2所示，其中Dx為北方向的差值，Dy為東方向的差值，Ds為平面差值，Dh為高程方向的差值。在立體模型下采集對(duì)應(yīng)的24個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比，其中平面中誤差最大值為3.45 m，最小值為0.18 m，平均值為±1.82 m；高程中誤差最大值為-2.60 m，最小值為0.31 m，平均值為±1.61 m；結(jié)果均滿足規(guī)范要求。利用上述影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)制作的DEM和DOM成果如圖5所示。

表2 基于機(jī)載POS的空三模型與實(shí)測(cè)點(diǎn)定位精度對(duì)比Tab.2 Positioning accuracy comparison between aerial triangulationl model based on airborne POS and measured points

(a) DEM (b) DOM

圖5 1∶10 000比例尺DEM和DOM成果圖
Fig.51∶10000scaleDEMandDOMresults

4 成果應(yīng)用

4.1 土地利用類型遙感解譯

利用緊耦合機(jī)載POS技術(shù)獲取高空間分辨率的航空遙感數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上將得到的外方位元素采用直接地理定位定向方式進(jìn)行高精度DEM和DOM制作，其成果可以針對(duì)海岸帶斷裂構(gòu)造、潮灘、濕地、地表鹽堿化和海岸線等要素開(kāi)展信息提取和解譯，形成大比例尺遙感地質(zhì)專題圖、近海水深圖和海陸交互帶地形地貌無(wú)縫拼接成果，在此基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域環(huán)境進(jìn)行綜合分析研究，為渤海海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查提供航空物探遙感技術(shù)支持和服務(wù)，后期為環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)城市群生態(tài)文明建設(shè)、重大工程與項(xiàng)目建設(shè)、海陸資源統(tǒng)籌規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與防治、減災(zāi)防災(zāi)等方面的政府決策提供重要的科學(xué)依據(jù)，為海洋地質(zhì)調(diào)查提供高精度航空遙感數(shù)據(jù)資料遙感解譯成果[15]。以全國(guó)第二次土地利用劃分類型為基礎(chǔ)，采用GF-1和GF-2數(shù)據(jù)并結(jié)合本研究獲取的高空間分辨率遙感影像，對(duì)區(qū)內(nèi)典型區(qū)域祥云島的土地利用類型進(jìn)行了1∶10 000遙感解譯，將土地利用類型劃分為10個(gè)一級(jí)地類和21個(gè)二級(jí)地類。土地利用類型解譯成果如圖6所示。

圖6 土地利用類型解譯成果Fig.6 Interpretation result of land utilization types

4.2 海岸線灘涂解譯

在1∶50 000解譯的基礎(chǔ)上，利用本次成果在祥云島地區(qū)進(jìn)行了1∶10 000土地利用類型、生態(tài)景觀和海岸線灘涂的解譯，并對(duì)區(qū)內(nèi)土地利用類型分布、土地景觀分布以及海岸線灘涂分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，為該島的保護(hù)和開(kāi)發(fā)提供了詳細(xì)的信息。其中海岸線灘涂解譯成果如圖7所示。

圖7 海岸線灘涂解譯成果Fig.7 Interpretation result of coastline beaches

5 結(jié)論與展望

(1)緊耦合機(jī)載POS技術(shù)的成功應(yīng)用，改變了長(zhǎng)期以來(lái)航空遙感對(duì)地定位嚴(yán)重依賴地面控制的狀況，大幅縮短了航空遙感調(diào)查的生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，解決了無(wú)法對(duì)西部無(wú)人區(qū)、海岸帶、灘涂、濕地和災(zāi)后地進(jìn)行野外作業(yè)的技術(shù)難題，與常規(guī)成圖作業(yè)方式相比至少可減少40%以上的工作量，縮短一半作業(yè)周期。

(2)直接地理定位技術(shù)在海岸帶航空遙感調(diào)查中的首次成功應(yīng)用，使得在無(wú)地面控制點(diǎn)、距基站距離過(guò)遠(yuǎn)甚至飛行過(guò)程中衛(wèi)星失鎖的情況下，仍可進(jìn)行高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，并制作高精度成果圖件，極大地減少了地面工作量，縮短工作周期，提高工作效率。本研究所飛行覆蓋面積為8 332 km2，僅架設(shè)一臺(tái)地面基站，與飛行航攝區(qū)域最遠(yuǎn)距離達(dá)137 km，所得數(shù)據(jù)精度經(jīng)解算仍滿足精度要求，與此同時(shí)嘗試了單點(diǎn)定位方式，該方式的解算精度較有基站時(shí)下降15%～20%，但仍可滿足1∶10 000比例尺的制圖要求；使用直接地理定位結(jié)果進(jìn)行成果圖件制作，平面精度優(yōu)于2.5 m，高程精度優(yōu)于2 m，說(shuō)明采用緊耦合技術(shù)解算的外方位元素可直接用于DEM和DOM制作而無(wú)需布設(shè)任何地面控制點(diǎn)，解決了海岸帶、灘涂地區(qū)難以布設(shè)控制點(diǎn)的難題；在僅布設(shè)四角控制點(diǎn)的情況下，平面和高程精度可迅速提高至優(yōu)于1 m，若研究區(qū)采用常規(guī)方式進(jìn)行影像圖制作則需要布設(shè)480個(gè)地面控制點(diǎn)，說(shuō)明該技術(shù)極大程度地減少了地面工作量，提高了工作效率。

(3)緊耦合機(jī)載POS技術(shù)和直接地理定位方法已經(jīng)成為現(xiàn)有航空遙感不可或缺的輔助手段。本次應(yīng)用再一次證明了該方法的先進(jìn)性和可靠性，并進(jìn)一步積累了工作和科研經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)該技術(shù)在海岸帶無(wú)人機(jī)測(cè)量、水深測(cè)量和高光譜探測(cè)等方面的應(yīng)用，打下了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)本研究初步歸納出一套緊耦合直接地理定向技術(shù)的海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)流程和工作方法，能在較短時(shí)間內(nèi)完成從數(shù)據(jù)獲取到成果圖制作的過(guò)程，其成果也可適用多搭載平臺(tái)和多傳感器的應(yīng)用，為新興遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐和工作思路。