高分七號衛(wèi)星影像在鐵路工程1∶1萬地形圖制作中的應(yīng)用

翟 旭

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251)

引言

1∶1萬地形圖是鐵路勘察設(shè)計過程中的重要資料，在預(yù)可行性研究階段、可行性研究階段、初步設(shè)計階段，對方案比選、方案優(yōu)化均起著至關(guān)重要的作用。目前，1∶1萬地形圖基礎(chǔ)資料的主要來源包括資料收集和航空攝影測量。其中，資料收集手續(xù)繁雜、時效性差；航空攝影測量易受到成本高、投入大、周期長等因素限制。衛(wèi)星影像為鐵路工程地形圖的快速制作提供了新的平臺，很多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。史園莉等討論了影響制圖效果的幾個關(guān)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(guān)系、衛(wèi)星影像空間分辨率與制圖比例的關(guān)系[1]；王國昌基于不同分辨率的衛(wèi)星影像，開展了鐵路勘測制圖試驗，證明了衛(wèi)星影像制圖的可行性[2]。目前常用的國外高分辨率商業(yè)衛(wèi)星主要有WorldView、Pleiades、GeoEye等，對此，王義等使用WorldView和GeoEye衛(wèi)星影像在高寒無人山區(qū)開展了地形圖制圖工作，其精度滿足鐵路勘察設(shè)計要求，但受限于國外衛(wèi)星中國境內(nèi)存檔數(shù)據(jù)量和成本高問題，僅能作為航攝方法的補(bǔ)充手段[3]；鄧?yán)^偉采取綜合使用衛(wèi)星立體像對、SRTM、谷歌注記和老舊地形圖的方法進(jìn)行地形圖制作[4]；周云提出針對目前最新對地觀測技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，鐵路勘測設(shè)計人員一方面要繼續(xù)挖掘既有對地觀測技術(shù)和資料的應(yīng)用潛力，也要對數(shù)碼航空攝影、機(jī)載激光雷達(dá)、高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等最新的對地觀測技術(shù)和成果加大研究、應(yīng)用力度[5]。隨著國產(chǎn)立體測繪衛(wèi)星的發(fā)射，這一問題將從數(shù)據(jù)源上得到改善，資源三號是我國第一顆立體測圖衛(wèi)星，在測繪地理信息行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[6]。針對鐵路勘測，代強(qiáng)玲等開展了資源三號衛(wèi)星1∶1萬圖制作的試驗工作，認(rèn)為其可以作為影像源困難地區(qū)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)使用[7]。但資源三號影像分辨率僅為2.5 m，主要用于1∶5萬地形圖制作。高分七號是我國第一顆亞米級立體測圖衛(wèi)星，已有學(xué)者對高分七號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了研究工作，并提出了空三加密的優(yōu)化方案[8]。但針對鐵路帶狀成圖特點(diǎn)，相關(guān)研究工作較少，尚無完善的技術(shù)方案。因此，有必要針對高分七號衛(wèi)星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作開展研究，進(jìn)一步拓展鐵路1∶1萬地形圖制作手段。

1 高分七號衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

高分七號衛(wèi)星于2019年11月3日在太原發(fā)射成功[9-10]；2020年8月20日，高分七號衛(wèi)星完成在軌測試并正式投入使用[11]。高分七號衛(wèi)星搭載雙線陣相機(jī)和激光測高儀，其中前視相機(jī)傾角為+26°，全色地面分辨率為0.8 m，后視相機(jī)傾角為-5°，全色地面分辨率為0.65 m，多光譜地面分辨率為2.6 m，攝影測量基高比為0.62，可以用于1∶1萬地形圖測繪[12]。高分七號衛(wèi)星具有以下技術(shù)特點(diǎn)[13]。

(1)主被動復(fù)合的全新測繪體制

采用了國內(nèi)首臺雙線陣1∶1萬立體測繪相機(jī)與國內(nèi)首套全波形星載對地激光測高儀相復(fù)合的測繪體制，既發(fā)揮了雙線陣成像效率高的優(yōu)勢，又可充分利用激光測距精度高的能力。

(2)內(nèi)外方位元素的高精度和高穩(wěn)定性

實現(xiàn)了單次在軌工作期間相機(jī)畸變穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像素，主點(diǎn)穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像素；采用雙頻接收機(jī)和超高姿態(tài)確定、控制技術(shù)，保證了外方位元素的高穩(wěn)定性。

(3)高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

采用X頻段自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)，保證了星地鏈路的可靠性，并提高了傳輸效率，最高傳輸速率可達(dá)到2.4GB/s，使衛(wèi)星成像能力得到了充分發(fā)揮。

2 方案設(shè)計

利用高分七號衛(wèi)星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作主要工序包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理、外業(yè)像控點(diǎn)的測量、空三平差、立體采集等，工序方案流程見圖1。

圖1 工序方案流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始的高分七號衛(wèi)星影像以16位存儲，而鐵路工程呈帶狀特點(diǎn)，需要的影像景數(shù)較多，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲量大，并影響數(shù)據(jù)處理速度。因此，需要進(jìn)行灰度拉伸和降位等預(yù)處理。預(yù)處理可以使用遙感處理軟件，也可以使用Photoshop軟件，但需要注意的是，為保證影像灰度不失真，應(yīng)先進(jìn)行灰度拉伸，再進(jìn)行16位轉(zhuǎn)8位的降位處理。

2.2 外業(yè)像控點(diǎn)測量

針對高分七號衛(wèi)星影像的外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)，首先需要考慮影像范圍和成圖范圍。在勘察設(shè)計前期，線路方案較多，在這種情況下，推薦整景布點(diǎn)的方式(見圖2)，即像控點(diǎn)可以控制住整景影像，按每景影像9個點(diǎn)，像對間重疊區(qū)域像控點(diǎn)共用。線路方案穩(wěn)定時，可以按控制帶狀成圖范圍布點(diǎn)(見圖3)。按成圖范圍布點(diǎn)的優(yōu)勢是可以減少控制點(diǎn)數(shù)量，提高工作效率，若方案調(diào)整，則需要補(bǔ)測像控點(diǎn)。

端橫梁錨固塊及負(fù)彎矩齒板錨固塊尺寸分別如圖 1所示。其中，端橫梁厚度為1.5 m，錨固鋼束為6束φs15.2-27、2束φs15.2-31，張拉控制力為1 302MPa，錨墊板尺寸分別為342 mm×475 mm、367 mm×465 mm；齒板錨固區(qū)錨固鋼束為2束φs15.2-19，張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa，錨墊板尺寸為287 mm×375 mm。

圖2 整景布點(diǎn)示意

圖3 成圖范圍布點(diǎn)示意

按帶狀成圖范圍布設(shè)像控點(diǎn)時應(yīng)滿足以下原則。

(1)像控點(diǎn)連接成的多邊形包圍住成圖范圍。

(2)盡量布設(shè)在像對間重疊區(qū)域。

(3)每個像對內(nèi)可用點(diǎn)不少于5個。

(4)像控點(diǎn)距影像邊緣大于500 m。

為保證像控點(diǎn)在衛(wèi)星影像上清晰易辨，選取了幾種標(biāo)志地物來分析其可用性，見圖4～圖6。

圖4 獨(dú)立大房屋高分七號影像

圖5 連片小房屋高分七號影像

圖6 車道線和斑馬線外圍高分七號影像

由圖4～圖6可知，大的車道線箭頭、斑馬線的外圍可以從高分七號影像上分辨出來，并且這些位置多在平坦的馬路上，高程沒有突變，是比較理想的布點(diǎn)位置。但是需要注意的是，應(yīng)避免這些位置周圍有高樓等的遮擋，以及避免在車輛多的道路上。對于邊長大于5 m且獨(dú)立的房屋，密集連片、形狀不規(guī)則、邊長小于5 m的房屋，從圖像上可以分辨出來的，而連片的小房屋難以分辨。

高山林區(qū)地物特征較少，在這種情況下，宜選擇小路的路心交點(diǎn)作為像控點(diǎn)(見圖7)。需要注意的是，現(xiàn)場測量時要盡量準(zhǔn)確找到路心交點(diǎn)，并保證交點(diǎn)周圍盡量平坦。

圖7 以路心交點(diǎn)為像控點(diǎn)

表1 點(diǎn)位可用性分析

2.3 空三平差

空三平差是數(shù)據(jù)處理中的重要工序，衛(wèi)星影像一般以RPC模型建立地面點(diǎn)坐標(biāo)與像點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系?？杖用芡ㄟ^匹配影像間的連接點(diǎn)，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)，再加以外業(yè)控制點(diǎn)對區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行約束，之后基于RPC模型對區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差得到精確的RPC參數(shù)，有

(1)

式中，Num(u，v，w)=a1+a2v+a3u+a4w+a5vu+a6vw+a7uw+a8v2+a9u2+a10w2+a11uvw+a12v3+a13vu2+a14vw2+a14v2u+a16u3+a17uw2+a18v2w+a19u2w+a20w3Denl(u，v，w)=b1+b2v+…+b19u2w+b20w3；Nums(u，v，w)=c1+c2v+…+c19u2w+c20w3；Dens(u，v，w)=d1+d2v+…+d19u2w+d20w3；ai、bi、ci、di(i=1，2，…，20)為有理多項式系數(shù)；u、v、w與x、y分別為物方和像方坐標(biāo)。

可以使用Inpho軟件或Photomatrix軟件導(dǎo)入影像和初始RPC參數(shù)并建立工程，基于影像匹配算法軟件進(jìn)行連接點(diǎn)的自動匹配，再對連接點(diǎn)進(jìn)行檢查并剔除錯誤連接點(diǎn)，通過對像控點(diǎn)的人工量測并平差解算，得到精確的RPC參數(shù)，其中Inpho可以進(jìn)行像控點(diǎn)的立體量測，photomatrix在單片上進(jìn)行像控點(diǎn)的量測。平差后像點(diǎn)坐標(biāo)單位權(quán)中誤差應(yīng)小于0.5像素，精度滿足要求后，再導(dǎo)出成果RPC參數(shù)。

2.4 立體采集

基于航天遠(yuǎn)景MapMatrix或JX5攝影測量工作站，導(dǎo)入前后視高分七號衛(wèi)星影像和平差后的RPC參數(shù)，建立工程并恢復(fù)立體。需要注意的是，立體視覺來源于左右視差，而衛(wèi)星影像為前后視影像構(gòu)成立體像對，故應(yīng)在立體采集軟件中設(shè)置影像旋轉(zhuǎn)90°。1∶1萬地形圖按照規(guī)范要求進(jìn)行采集，并編輯成圖[14-15]。

3 應(yīng)用分析

渝萬高鐵自重慶東站引出，沿長江向東至萬州，線路長252 km，設(shè)計速度350 km/h。測區(qū)全部為山區(qū)，高差超過900 m，以下利用前述技術(shù)方案進(jìn)行鐵路工程1∶1萬圖制作應(yīng)用分析。

3.1 方案實施

本項目共使用9個高分七號立體像對(見圖8)，影像小部分區(qū)域存在云遮擋，但成圖范圍基本不受影響。

圖8 高分七號全色影像及像控點(diǎn)布設(shè)

項目中外業(yè)像控點(diǎn)采用整景布設(shè)方式，并盡量布設(shè)在像對間重疊區(qū)域；外業(yè)基于“CORS+RTK”方式進(jìn)行像控點(diǎn)測量，并拍攝近、遠(yuǎn)景照片，制作點(diǎn)之記(見圖9)，提交成果坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000-108(85高程)。

圖9 像控點(diǎn)點(diǎn)之記

空三加密使用Photomatrix軟件，立體采集使用了MapMatrix Grid2.0和JX5，采編生產(chǎn)1∶1萬地形圖，見圖10。

圖10 高分七號衛(wèi)星影像制作1∶1萬地形圖

3.2 精度檢查

精度檢查采用外業(yè)實測點(diǎn)與立體采集點(diǎn)對比的方式進(jìn)行，共統(tǒng)計了68個高程檢查點(diǎn)，37個平面檢查點(diǎn)，計算高程中誤差為1.27 m，平面點(diǎn)位中誤差為1.53 m。

為進(jìn)一步驗證不同地形下的精度情況，對兩段線路進(jìn)行了統(tǒng)計分析。Ⅰ段所處地形為Ⅱ級地形，共使用12個高分七號立體像對，完成1∶1萬地形圖882 km2，統(tǒng)計了33個高程檢查點(diǎn)，42個平面檢查點(diǎn)，計算高程中誤差為0.81 m，平面點(diǎn)位中誤差為1.05 m。Ⅱ段所處地形為I級地形，共使用5個高分七號立體像對，完成1∶1萬地形圖296 km2，統(tǒng)計了27個高程檢查點(diǎn)，22個平面檢查點(diǎn)，計算高程中誤差為0.48 m，平面點(diǎn)位中誤差為1.32 m。

中誤差統(tǒng)計情況和規(guī)范要求見表2。

表2 中誤差統(tǒng)計情況和規(guī)范要求 m

由表2可知，不同級別地形下平面檢查點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差均小于規(guī)范要求限值，高程檢查點(diǎn)的高程中誤差均小于規(guī)范要求限值，精度滿足規(guī)范要求。

3.3 優(yōu)勢分析

該項目共完成1∶1萬地形圖535 km2，數(shù)據(jù)查詢、申請高分專線推送時間為4 d，期間同步開展外業(yè)像控點(diǎn)測量，3 d完成53個像控點(diǎn)測量工作，拿到數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)后，2 d時間內(nèi)完成高分七號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理，即6 d的時間可具備地形圖采編條件。

若采用常規(guī)航空攝影測量，需要空域申請、設(shè)備進(jìn)場、航飛作業(yè)，期間還受到天氣、飛行計劃的影響，加上數(shù)據(jù)處理的時間，一般要30 d以上才具備地形圖采編條件。國外商業(yè)衛(wèi)星一般在國內(nèi)存檔數(shù)據(jù)有限，需要編程拍攝，時間周期也在30 d左右。

對比國外商業(yè)衛(wèi)星價格，以WorldView為例，高分七號數(shù)據(jù)成本約為其1/20；相較于航空攝影，大幅減少了成本投入，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

通過以上分析，基于高分七號衛(wèi)星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作節(jié)省了成本、提高了制圖效率。

4 結(jié)論

以高分七號衛(wèi)星影像進(jìn)行鐵路工程1∶1萬地形圖制作為目標(biāo)，提出了數(shù)據(jù)預(yù)處理、外業(yè)像控點(diǎn)測量、空三加密、立體采集工序的技術(shù)方案，以典型項目為例，對平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差進(jìn)行了統(tǒng)計，其中Ⅳ級地形平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差最大，分別為1.53 m和1.27 m，精度滿足規(guī)范要求，方案有效拓展了鐵路工程1∶1萬地形圖制作的技術(shù)手段，提高了鐵路工程1∶1萬地形圖制作效率，具有較強(qiáng)的工程適用性。