利用QuickBird影像快速更新1∶2 000地形圖技術(shù)方法探討

柴紅梅，李津嶺，張健

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

利用QuickBird影像快速更新1∶2 000地形圖技術(shù)方法探討

柴紅梅?，李津嶺，張健

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

首先介紹了QuickBird影像概況，然后通過對(duì)影像糾正精度分析說明，利用QuickBird影像更新地勢(shì)較為平坦地區(qū)的1∶2 000地形圖是可行的。

QuickBird；幾何糾正；更新

1 引 言

1∶2 000地形圖是城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)源之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)重要的基礎(chǔ)測(cè)繪資料。如何快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地更新 1∶2 000地形圖，保持地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性是城市測(cè)繪單位所面對(duì)的重要課題。目前1∶2 000地形圖更新多采用航空攝影測(cè)量方法進(jìn)行，該種測(cè)圖方法與以往的全野外測(cè)圖相比效率有了大幅提高，但因其投資大，成圖周期長(zhǎng)，不能滿足城市建設(shè)迅速發(fā)展的需要。QuickBird影像具有分辨率高、信息豐富、覆蓋面積大、獲取周期短的優(yōu)點(diǎn)，其地面分辨率可達(dá)到0.61 m。本文通過生產(chǎn)實(shí)踐，介紹利用QuickBird影像更新1∶2 000地形圖的可行性。

2 測(cè)區(qū)資料情況

2.1 QuickBird影像概況

QuickBird衛(wèi)星由美國(guó)DigitalGlobe公司于2001年10月18日發(fā)射成功，其具有多光譜成像(1個(gè)全色通道，4個(gè)多光譜通道)、全色波段分辨率(0.61 m)、多光譜分辨率(2.44 m)、成像幅寬(16.5 km×16.5 km)、軌道高(450 km)、重訪周期為1～6d等特點(diǎn)。

QuickBird影像產(chǎn)品分為3個(gè)級(jí)別:

(1)基本產(chǎn)品(Basic Product)

基礎(chǔ)產(chǎn)品是QuickBird影像產(chǎn)品系列中處理最少的一種，只經(jīng)過輻射校正、傳感器內(nèi)部幾何校正、光學(xué)畸變和傳感器校正。基礎(chǔ)產(chǎn)品既沒有地理參考也沒有地圖投影，提供QuickBird的傳感器模型。

(2)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(Standard Product)

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品是用粗DEM做了地形誤差校正、有地理參考的產(chǎn)品，經(jīng)過了輻射校正、傳感器和衛(wèi)星平臺(tái)引起的系統(tǒng)誤差校正，具有地圖投影。

(3)預(yù)正射影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(Ortho Ready Standard Imagery)

預(yù)正射影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品是未經(jīng)過地形校正的產(chǎn)品，只經(jīng)過了輻射校正、傳感器和衛(wèi)星平臺(tái)引起的誤差校正，具有地圖投影，投影到每景影像覆蓋區(qū)的平均基高。用戶可以直接通過相關(guān)專業(yè)軟件結(jié)合自己的DEM，RPC參考模型、地面控制點(diǎn)來做正射校正。廣泛應(yīng)用于對(duì)絕對(duì)定向精度要求較高的情況。

2.2 測(cè)區(qū)及其資料情況

本次更新1∶2 000地形圖范圍為哈爾濱市四環(huán)路范圍及松北區(qū)、平房區(qū)近240 km2。

哈爾濱市區(qū)分布在松花江形成的三級(jí)階地上。第一級(jí)階地海拔在132 m～140 m之間，主要包括道里區(qū)和道外區(qū)，地面平坦；第二級(jí)階地海拔145 m～175 m，由第一級(jí)階地逐步過渡，無明顯界限，主要包括南崗區(qū)和香坊區(qū)的部分地區(qū)，面積較大，長(zhǎng)期流水侵蝕，略有起伏。

本次作業(yè)采用的QuickBird影像實(shí)相均為2009年，產(chǎn)品級(jí)別為預(yù)正射影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。產(chǎn)品類型為原始全色波段和多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)、PanSharping算法融合處理步驟后的16bit 4波段(紅、綠、藍(lán)和近紅外波段)彩色影像數(shù)據(jù)。

3 QuickBird影像預(yù)處理

3.1 QuickBird影像預(yù)處理

QuickBird原始影像數(shù)據(jù)分塊存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)量大且光譜信息不豐富，需進(jìn)行預(yù)處理，步驟如下:

(1)利用Erdas軟件中的鑲嵌功能將分塊影像拼接成一整景影像；

(2)拼接后的影像數(shù)據(jù)量大，需將16 bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8 bit的數(shù)據(jù)；

(3)原始影像數(shù)據(jù)由4個(gè)波段組合，且光譜信息不豐富，為增強(qiáng)影像的判讀能力，需對(duì)波段進(jìn)行

重新組合和波段運(yùn)算，達(dá)到增強(qiáng)影像光譜信息的效果。

3.2 控制點(diǎn)的選取和測(cè)量

本次作業(yè)所有控制點(diǎn)均為外業(yè)GPS實(shí)測(cè)，平面位置的測(cè)定精度約為0.05 m，且均勻分布于整個(gè)制圖區(qū)域，共實(shí)測(cè)320個(gè)GPS點(diǎn)，其中控制點(diǎn)200個(gè)，其余120個(gè)作為檢查點(diǎn)，點(diǎn)位分布如圖1所示。外業(yè)控制點(diǎn)的精度將直接影響影像糾正的精度。控制點(diǎn)的選取遵循如下原則和要求:選取影像上清晰能準(zhǔn)確定位不易變化的地物，一般首選在道路、田埂等線狀地物交叉處，其次選在能準(zhǔn)確定位的拐角和點(diǎn)狀地物的幾何中心。點(diǎn)位應(yīng)盡量選擇在高程變化不大的地面上，不允許在樓房、圍墻、水塔、煙筒等建筑物上選點(diǎn)。同時(shí)均勻布設(shè)GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)，用來檢查影像糾正精度。

圖1 控制點(diǎn)點(diǎn)位分布圖

3.3 DEM數(shù)據(jù)

本次采用的DEM范圍覆蓋作業(yè)區(qū)域，數(shù)據(jù)源為哈爾濱市1∶1 000地形圖高程點(diǎn)信息，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與糾正后的影像一致，平面系統(tǒng)為哈爾濱市城市坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為大連高程系。

3.4 影像幾何糾正

由于測(cè)區(qū)地形較為平坦，采用二次多項(xiàng)式幾何糾正模型進(jìn)行影像幾何糾正。遙感影像處理采用目前廣泛使用的美國(guó)Erdas公司開發(fā)的Erdas Imagine 8.7。利用隨原始影像提供的RPC數(shù)據(jù)，配合控制點(diǎn)與高程(DEM)數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行正射糾正。

(1)數(shù)據(jù)類型:QuickBird 0.61 m全色數(shù)據(jù)。

(2)糾正單元:采用完整的測(cè)區(qū)為糾正單元。

(3)投影系統(tǒng):平面系統(tǒng)采用 哈爾濱城市坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用大連高程系。

(4)影像重采樣間隔:采樣間隔為0.61 m，盡量采用原影像分辨率，重采樣方法為雙線性內(nèi)插。

(5)標(biāo)準(zhǔn)分幅:按照1∶2 000地形圖分幅。

4 工程實(shí)施

測(cè)區(qū)現(xiàn)有1∶2 000地形圖240幅，格式為DWG。利用DJC－數(shù)字測(cè)繪系統(tǒng)將糾正后QuickBird影像與地形圖疊加，判讀地理信息要素，僅需對(duì)變化的地物要素進(jìn)行更新，其中利用竣工測(cè)件更新的建筑物為外業(yè)實(shí)測(cè)，本次更新不做任何修改。采集時(shí)要注意消除投影差，先采集房頂?shù)男螤睿賹⒉杉膱D形移至房腳。更新技術(shù)流程如圖2所示。因生產(chǎn)過程為比較常見的作業(yè)方法，在此不過多加以說明。

圖2 技術(shù)流程圖

5 精度分析

5.1 QuickBird影像幾何糾正精度

選取檢查點(diǎn)與糾正后的影像與進(jìn)行疊加，檢查影像糾正精度，在市區(qū)每平方千米平均兩個(gè)檢查點(diǎn)，郊區(qū)每平方千米為一個(gè)檢查點(diǎn)。精度評(píng)定公式如下:

其中:ms為點(diǎn)位中誤差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，Xi、Yi為檢查點(diǎn)的x、y坐標(biāo)，xi、yi為糾正后影像上檢查點(diǎn)的x、y坐標(biāo)。精度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

精度檢測(cè)結(jié)果 表1

點(diǎn)位中誤差為米，精度指標(biāo)已經(jīng)到達(dá)1∶2 000地形圖點(diǎn)位的絕對(duì)精度要求，表明采用QuickBird影像可以滿足對(duì)1∶2 000地形圖進(jìn)行更新的要求。

5.2 1∶2 000地形圖采集精度

本次作業(yè)共更新1∶2 000地形圖240幅，隨機(jī)抽取其中48幅地形圖，計(jì)算出相對(duì)于作業(yè)底圖Quick-Bird影像采集中誤差為±0.30 m，故采集精度按Quick-Bird影像分辨率0.61 m計(jì)算。

5.3 1∶2 000地形圖圖上地物點(diǎn)對(duì)最近野外平面控制點(diǎn)的精度

該精度主要取決于QuickBird影像幾何糾正精度和1∶2 000地形圖采集精度。兩者按獨(dú)立誤差的聯(lián)合影響，計(jì)算1∶2 000地形圖圖上地物點(diǎn)對(duì)最近野外平面控制點(diǎn)的中誤差為:

綜合以上誤差分析，表明采用QuickBird影像更新1∶2 000地形圖在平面精度上可以滿足《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖數(shù)字化規(guī)范》GB/T 17160－2008的要求。

6 結(jié) 語

通過本次生產(chǎn)實(shí)踐表明，在地形起伏不大的區(qū)域利用QuickBird高分辨率全色遙感影像更新1∶2 000地形圖是可行的，這種更新城市大比例尺地形圖的方法具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

[1]孫成忠，李成名，洪志剛.基于衛(wèi)星遙感影像的城市地圖快速更新技術(shù)[J].測(cè)繪通報(bào)，2002(12):17～19

[2]高喜霞，柴紅梅，陳慶華.QuickBird影像在城市中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2008(2):65～70

[3]楊澤運(yùn)，康家銀，趙廣東.利用QuickBird遙感影像更新城市大比例尺地形圖[J].測(cè)繪工程，2005(2):29～31

Quality Control Standard and Technique of Haerbin 1∶2 000 Digital Orthophoto Maps

Chai HongMei，Li JinLing，Zhang Jian
(Harbin institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Harbin 150010，China)

Firstly this paper introduce the Overview of QuickBird image，then explain the geometric accuracy，make use of QuickBird image update 1:2000 digital orthophoto maps for Flat area is feasible.

QuickBird；geometric rectification；update

1672－8262(2010)03－85－03

P231

B

2010—01—06

柴紅梅(1972—)，女，工程師，從事空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。