高分遙感在農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用

喬娟，魏清，楊鵬

（1.陜西省公路局，陜西 西安 710068；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.咸陽市交通運(yùn)輸局，陜西 咸陽 712099）

0 引言

農(nóng)村公路作為全國公路的重要組成部分，是支撐農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、滿足農(nóng)民群眾基本生活與生產(chǎn)需要的重要基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前我國農(nóng)村公路基數(shù)大、分布廣、等級低、管理難度大，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和電子地圖存在底數(shù)不清、準(zhǔn)確度低、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差等問題，部分路段出現(xiàn)軌跡偏差。要全面提高農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和電子地圖質(zhì)量，按照傳統(tǒng)方式需要投入大量的人力物力。高分遙感技術(shù)近年來發(fā)展迅速，我國自主高分2 號衛(wèi)星等系列高分辨率遙感衛(wèi)星的投入使用，大幅降低了高分遙感影像的使用成本，也為利用高分遙感影像開展農(nóng)村公路的摸底調(diào)查、數(shù)據(jù)更新維護(hù)提供了可靠的技術(shù)保障。

我國的高分遙感技術(shù)具有時效性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、分辨率高、知識產(chǎn)權(quán)自主的特點(diǎn)，其空間分辨率可達(dá)0.8m，在交通基礎(chǔ)設(shè)施勘察設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)、路域環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，同樣在農(nóng)村公路管理的規(guī)劃審核、投資計(jì)劃復(fù)核、項(xiàng)目現(xiàn)狀進(jìn)度核查及實(shí)際線形線位走向等方面的應(yīng)用逐漸顯示出技術(shù)及成本優(yōu)勢。將其應(yīng)用于農(nóng)村公路核查工作，可全面掌握農(nóng)村公路基礎(chǔ)情況，提高農(nóng)村公路的建設(shè)監(jiān)管水平。鑒于此，本文利用高分遙感技術(shù)，結(jié)合農(nóng)村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存在的問題，提出基于高分遙感的農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新技術(shù)方案，并通過咸陽市農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新項(xiàng)目開展了具體應(yīng)用。

1 技術(shù)原理及流程

基于高分遙感的農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新是利用高分遙感影像與農(nóng)村公路電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，查找電子地圖路線偏差部分，借助高分遙感影像提取偏差路段實(shí)際線位及路面類型等基礎(chǔ)信息，完善公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和電子地圖數(shù)據(jù)。

基于高分遙感的農(nóng)村公路數(shù)據(jù)庫和電子地圖更新，其技術(shù)流程包括遙感影像處理（影像融合、控制點(diǎn)配準(zhǔn)校正、畸變模型校正）、線形軌跡矢量化提?。ㄈ﹂]問題路段偏差范圍、歸納偏移軌跡問題類型、識別偏移路段實(shí)際軌跡、提取路段實(shí)際軌跡及屬性）、數(shù)據(jù)導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫實(shí)施更新，詳細(xì)技術(shù)流程見圖1。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新技術(shù)流程

（1）高分遙感影像處理

通常情況下，高分遙感數(shù)據(jù)僅提供一些軌道、姿態(tài)參數(shù)以及與地面系統(tǒng)相關(guān)的處理參數(shù)，并對影像進(jìn)行相對輻射校正、系統(tǒng)級幾何校正。正射校正遙感影像存在變形，若直接應(yīng)用，定位精度不能滿足公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取要求，因此需進(jìn)行相應(yīng)影像處理工作。高分遙感影像處理包括影像融合、控制點(diǎn)校準(zhǔn)、利用DEM 畸變模型處理，其中影像融合可提高影像地物分辨率，控制點(diǎn)校準(zhǔn)、利用DEM 畸變模型處理可提高定位精度。

（2） 線形軌跡及路面類型信息提取

將公路電子地圖與高分遙感影像疊加在統(tǒng)一坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，可查找出道路偏差線形，圈出偏差范圍，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行偏差原因分析，找出偏差路段實(shí)際線位，規(guī)劃提取范圍、提取偏差路段實(shí)際線形軌跡矢量數(shù)據(jù)和路面類型信息。

（3）公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫入庫和數(shù)據(jù)更新

提取偏差路段矢量數(shù)據(jù)，導(dǎo)入公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和電子地圖，用正確線形替換原偏差線形，同時識別道路路面類型，完善公路基礎(chǔ)信息。

2 農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及電子地圖更新應(yīng)用

2019 年，采用基于高分遙感農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新的技術(shù)方案，開展了咸陽市農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及電子地圖修正更新工作。項(xiàng)目實(shí)施過程中主要采用了我國高分二號衛(wèi)星2018 年數(shù)據(jù)（部分地區(qū)利用了2017年數(shù)據(jù)），公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2018年底咸陽市年報(bào)數(shù)據(jù)，其中農(nóng)村公路里程11 300km?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫及電子地圖修正更新工作內(nèi)容如下。

2.1 開展幾何校正，提高定位精度

經(jīng)過對咸陽地區(qū)高分二號衛(wèi)星遙感影像總體評估，其定位精度在10～30m 之間，不經(jīng)過處理很難滿足公路軌跡提取的需要。為提高數(shù)據(jù)提取質(zhì)量，利用地面控制點(diǎn)和DEM 數(shù)據(jù)對高分遙感影像實(shí)施了幾何校正，提高了空間定位精度，校正后的遙感影像定位精度控制在5m以內(nèi)。

2.2 開展遙感影像融合

高分二號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包含1個0.8m全色波段和多個3.2m 的多光譜波段，這些波段需要融合，從而提高遙感影像的分辨率和道路路面類型的識別率。在融合前，需對全色波段和多光譜波段進(jìn)行相應(yīng)處理，其中全色波段需提高全色數(shù)據(jù)的亮度，增強(qiáng)局部反差突出紋理細(xì)節(jié)，降低噪聲；多光譜的處理是根據(jù)道路地面類型識別需要，以色彩增強(qiáng)為主，調(diào)整亮度、色度、飽和度，凸顯道路顏色范圍，拉開不同地物反差。預(yù)處理完后，開展全色波段和多光譜波段影像融合。

2.3 確定路面類型在高分遙感影像的特征標(biāo)志

通過對咸陽市全區(qū)高分遙感影像分析歸類，依據(jù)瀝青、水泥、砂石及土路路面在影像中的特征，建立各路面類型識別標(biāo)志，其中：

（1）瀝青路面：路面整體發(fā)暗、沿線可隱約觀測到條帶狀線形，道路兩側(cè)平直，道路寬度穩(wěn)定（見圖2（a））；

（2）水泥路面：路面總體為發(fā)亮白色、顏色均勻，兩側(cè)路緣平直，道路寬度穩(wěn)定（見圖2（b））；

（3）砂石路面：路面呈淺色，隱約可見到暗斑，有時也可見到帶顏色砂石鋪設(shè)的路面，道路兩側(cè)較平順（見圖2（c））；

（4）土路路面：呈淺色，不均勻，道路兩側(cè)路緣不夠平整（見圖2（d））。

圖2 公路路面類型圖

2.4 偏差線形軌跡問題歸類

開展偏差線形軌跡問題歸類，主要是為后期偏差路段線形提取提供依據(jù)，避免道路線形提取錯誤。根據(jù)分析，咸陽整個區(qū)域出現(xiàn)偏差路段的原因有道路改線（見圖3（a））、山區(qū)回頭灣路段（見圖3（b））、采集過程GPS 信號不穩(wěn)（見圖3（c））以及人為干擾等因素（見圖3（d））等。

圖3 偏差路段（淺綠）與修正路段

2.5 偏差路段道路軌跡識別

針對區(qū)域偏差路段進(jìn)行范圍界定，同時確定偏差路段實(shí)際線位，劃定糾偏差路段起終點(diǎn)。

2.6 偏差路段道路實(shí)際線形及路面類型提取

確定偏差路段實(shí)際線形位置，開展線形矢量數(shù)據(jù)提取，獲取其實(shí)際線形軌跡，同時依據(jù)路面類型特征標(biāo)志進(jìn)行道路路面屬性信息提取。

2.7 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及電子地圖更新

偏差路段實(shí)際道路線形軌跡提取完后，導(dǎo)入農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，替換原有路段，并將原有路段基礎(chǔ)信息導(dǎo)入新的路段數(shù)據(jù)庫中，同時將提取的道路路面信息與原有信息進(jìn)行對比，若一致則保留，若發(fā)生變化則需確認(rèn)后更改相應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

利用高分遙感技術(shù)對咸陽市往年采集的14 123 條公路線形數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一核對，對存在偏差的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，其中修改線形軌跡的公路共1 400km，同時也對新增農(nóng)村公路進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，采集量達(dá)3 600 條共2 700km。

3 結(jié)語

針對農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新工作，提出利用高分遙感開展農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新的技術(shù)方案，制定了技術(shù)流程，并在咸陽市的農(nóng)村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及電子地圖修正更新中得到具體應(yīng)用。實(shí)踐表明，該方案提高了工作效率，減輕了基層統(tǒng)計(jì)員的工作量，使原來4個月完成的統(tǒng)計(jì)任務(wù)在1個月內(nèi)完成，同時大幅提高了公路養(yǎng)護(hù)年報(bào)的時效性和準(zhǔn)確性。在利用高分遙感影像開展農(nóng)村公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及電子地圖更新過程中，高分遙感的空間定位精度是關(guān)鍵，它直接關(guān)系著數(shù)據(jù)提取質(zhì)量的高低，同時還應(yīng)針對不同地區(qū)進(jìn)行相適應(yīng)的遙感圖像處理，建立適合本地區(qū)的路面特征標(biāo)準(zhǔn)，從而提高公路路面類型的識別率。