基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測圖技術(shù)研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測繪設(shè)計研究院,北京 100038)

基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測圖技術(shù)研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測繪設(shè)計研究院,北京 100038)

以某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像、外業(yè)控制資料等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行影像區(qū)域網(wǎng)平差解算,對平差精度進(jìn)行分析,并通過部分試驗(yàn)區(qū)外業(yè)調(diào)繪來分析 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像是否滿足國家相應(yīng)規(guī)范中 1∶10 000、1∶5 000以及1∶2 000地形圖修測要求,最終形成基于 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像的立體測圖生產(chǎn)工藝流程。

衛(wèi)星影像;地形圖;立體測圖;GeoEye-1

一、引 言

目前,在基礎(chǔ)測繪領(lǐng)域,航空攝影測量成圖方法是進(jìn)行基本比例尺地形圖生產(chǎn)和更新的主要手段。衛(wèi)星遙感的立體像對與航空影像的立體像對一樣,也能夠進(jìn)行不同比例尺的地形圖測繪。與航空影像不同的是,高分辨率遙感衛(wèi)星的軌道高度一般在幾百千米,衛(wèi)星遙感影像受大氣和地形的影響較小,影像條帶的寬度一般在幾十千米,覆蓋的范圍也較大,因而非常適合于邊境、無人區(qū)和禁飛區(qū)等地的測圖。此外,遙感衛(wèi)星按軌道周期運(yùn)動,可以在較短時間內(nèi)對同一地區(qū)進(jìn)行多次重復(fù)觀測,數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性強(qiáng),能夠加快地形圖的更新速度,因而航天攝影測量成圖逐步成為航空攝影測量成圖方法的一種有益和必要的補(bǔ)充[1-2]。

隨著衛(wèi)星遙感影像空間分辨率的不斷提高和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,立體成像能力的逐步增強(qiáng),影像價格也將呈現(xiàn)出下降的趨勢。0.5 m分辨率的WorldView-1衛(wèi)星和 0.41 m分辨率的 GeoEye-1衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射更是為大比例地形圖的測繪提供了可靠數(shù)據(jù)源。本文以某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1 0.5 m分辨率衛(wèi)星遙感影像、外業(yè)控制資料等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行影像區(qū)域網(wǎng)平差解算,對平差精度進(jìn)行分析,并通過部分試驗(yàn)區(qū)外業(yè)調(diào)繪來分析 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像是否滿足國家相應(yīng)規(guī)范中 1∶10 000、1∶5 000以及 1∶2 000地形圖修測要求,最終形成基于 GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像的立體測圖生產(chǎn)工藝流程,為大規(guī)模地應(yīng)用于城市大比例尺地形圖更新打下基礎(chǔ)。

二、試驗(yàn)與分析

1.GeoEye-1衛(wèi)星影像

本試驗(yàn)采用 2009年 3月 GeoEye-1衛(wèi)星獲取的某地區(qū)的同軌立體影像,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的幾何改正,影像質(zhì)量良好。影像格式為 GeoTiff,重疊度約為90%,覆蓋面積約 138 km2。該試驗(yàn)區(qū)東西寬約114 km,南北長約 120 km,平均海拔為 87 m。試驗(yàn)區(qū)西北部為山區(qū),東北部為平原,西南部為城鄉(xiāng)結(jié)合部并覆蓋部分河流,東南部為城區(qū)。

2.外業(yè)控制點(diǎn)測量

根據(jù) GeoEye-1衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差的要求,需要進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)測量。這里所需的外業(yè)控制點(diǎn)測量與常規(guī)的航測成圖外業(yè)控制點(diǎn)測量類似,主要包括選刺點(diǎn)、控制點(diǎn)測量以及相應(yīng)的點(diǎn)位整飾和點(diǎn)之記等。控制點(diǎn)測量采用網(wǎng)絡(luò) RTK,其平面精度為±5 cm,高程精度為 ±10 cm,完全滿足采用航測方法生產(chǎn) 1∶10 000、1∶5 000和 1∶2 000地形圖的外業(yè)控制點(diǎn)量測的規(guī)范要求。為了分析不同控制點(diǎn)分布、不同控制點(diǎn)數(shù)量情況下區(qū)域網(wǎng)平差的精度,所施測的 44個控制點(diǎn)均勻分布于立體像對的重疊區(qū)域,并選刺于明顯的地物點(diǎn)。

3.區(qū)域網(wǎng)平差

(1)平差數(shù)學(xué)模型

由于成像方式的不同,國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出許多不同的成像幾何模型。一般情況下,可以將它們大致分為嚴(yán)密幾何成像模型和通用幾何成像模型兩大類。由于信息安全和技術(shù)秘密等原因,有些高分辨率衛(wèi)星的軌道和成像參數(shù)信息是不公開的。

TAO C V等人的研究表明,利用屬于通用幾何成像模型的有理函數(shù)模型進(jìn)行衛(wèi)星影像的地理定位時,其精度僅次于基于共線方程的嚴(yán)密幾何成像模型,甚至在理想情況下也能達(dá)到與嚴(yán)密幾何成像模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取Ｒ虼?本文采用基于有理函數(shù)模型的 GeoEye-1衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差方法[3-4]。

(2)平差方案與精度統(tǒng)計

本文采用中國測繪科學(xué)研究院開發(fā)的 PixelGrid軟件對 GeoEye-1衛(wèi)星影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。在本文的試驗(yàn)中設(shè)計了若干種不同的定向點(diǎn)布點(diǎn)方案,并用其他的像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)來分析區(qū)域網(wǎng)平差精度與像控點(diǎn)的數(shù)量和分布的關(guān)系。通過試驗(yàn),并對比不同方案的定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計結(jié)果,證明采用 15個左右的均勻布點(diǎn)方案效果最佳。區(qū)域網(wǎng)平差的精度統(tǒng)計結(jié)果如表 1所示。

表1 區(qū)域網(wǎng)平差精度統(tǒng)計m

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 13990—1992),本文試驗(yàn)得到的結(jié)果可以滿足1∶5 000地形圖的絕對定向后基本定向點(diǎn)殘差和多余控制點(diǎn)不符值的規(guī)定。

4.立體測圖

考慮到衛(wèi)星遙感的立體像對覆蓋范圍比較大、數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn),在立體測圖時選擇DPGrid.SLM軟件,該軟件采用服務(wù)器和客戶端相結(jié)合的測圖模式。在服務(wù)器端,主要完成定向、定義模型范圍,創(chuàng)建和批處理模型,分配任務(wù),輸出成果等工作;在客戶端,主要完成測圖和質(zhì)量檢查工作,與常規(guī)的全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站測圖模塊相似。

本文基于所選擇的 GeoEye-1立體衛(wèi)星影像,完成了 1∶2 000內(nèi)判測圖 2幅,1∶5 000、1∶10 000內(nèi)判測圖各 1幅,并提交給外業(yè)進(jìn)行精度檢測和調(diào)繪。

5.精度檢測

近年來,已有許多關(guān)于衛(wèi)星影像成圖精度的研究[5-6],但對高分辨率衛(wèi)星更新大比例尺地形圖的研究較少。為了檢驗(yàn) GeoEye-1衛(wèi)星立體像對的內(nèi)判測圖精度,進(jìn)行了外業(yè)檢測點(diǎn)的測量。與外業(yè)控制點(diǎn)的測量類似,檢測點(diǎn)選擇的都是明顯地物點(diǎn),點(diǎn)位均勻分布于測圖區(qū)域,每張圖的外業(yè)檢測點(diǎn)個數(shù)為 100個左右。當(dāng)測量建筑物時,如有房檐則測量房檐投影到地面點(diǎn)的坐標(biāo),而不是測量房基坐標(biāo)。在外業(yè)完成測量檢測點(diǎn)工作后,內(nèi)業(yè)技術(shù)人員根據(jù)外業(yè)測量的檢測點(diǎn)和內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析,統(tǒng)計結(jié)果如表 2所示。

表2 外業(yè)檢測點(diǎn)及精度統(tǒng)計m

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《1∶500 1∶1 000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930—2008)和《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 13990—1992),在本次試驗(yàn)中,基于 GeoEye-1衛(wèi)星立體像對的內(nèi)判測圖不但滿足 1∶5 000地形圖的精度,甚至能達(dá)到 1∶2 000地形圖的精度。由此可見,基于 GeoEye-1衛(wèi)星立體像對進(jìn)行相關(guān)大比例尺地形圖的修測能夠符合相關(guān)規(guī)范的精度要求。

6.外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪針對前期的 1∶5 000、1∶10 000內(nèi)判測圖成果進(jìn)行。

(1)試驗(yàn)區(qū)情況

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有村莊、河流、山地、機(jī)關(guān)企事業(yè)單位及住宅小區(qū)等,大部分為建成區(qū)。幾條主要道路貫穿整個測區(qū)。城區(qū)部分高層建筑樓房較多,房屋密集,郊區(qū)部分以多層樓房和村落式民居為主,居民地的主要形式為集團(tuán)式。測區(qū)內(nèi)交通擁擠、樓房樹木較多給作業(yè)帶來了一定的難度。

(2)地形要素處理

①居民地

1)內(nèi)業(yè)絕大多數(shù)都可以準(zhǔn)確定位,外業(yè)一般只需要調(diào)繪相應(yīng)的屬性信息即可,只是在房屋的綜合取舍方面,不同的作業(yè)員會有不同的結(jié)果。

2)頂部為深色的或尖頂?shù)臉欠?其邊線不易判讀。作業(yè)時需要盡量在現(xiàn)場多量取一些相關(guān)距離,以便準(zhǔn)確的繪出樓房形狀。

②道 路

1)內(nèi)業(yè)只有少部分不能準(zhǔn)確定位,主要是因?yàn)橛性苹蜢F的影響,或者存在立體效果不太好的區(qū)域,外業(yè)一般調(diào)繪道路的屬性信息便可。

2)靠近高樓、樹底下、路邊有綠地及陰影下的線狀地物不易判讀,如鐵絲網(wǎng)、柵欄、圍墻、道路邊線、溝渠邊線等;在影像圖上清繪時盡量取與其臨近的明顯地物距離以便繪出線狀地物的準(zhǔn)確位置。

③水 系

內(nèi)業(yè)定位都比較準(zhǔn)確,外業(yè)調(diào)繪工作與航空影像相比,幾乎沒有差別。

④植 被

由于試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1衛(wèi)星影像目前是全色影像,而由內(nèi)業(yè)確定植被范圍的時候,全色影像具有較大的局限性,因而外業(yè)調(diào)繪工作量會大一些。

⑤獨(dú)立地物

1)由于衛(wèi)星影像的空間分辨率相對較低,獨(dú)立地物中如電線桿、微波、獨(dú)立廁所、水井、水塔等,內(nèi)業(yè)幾乎看不清,往往無法分辨,外業(yè)工作量也有一定程度地增加。

2)相對較大的獨(dú)立地物如煙筒、發(fā)射塔、高壓桿等也不易判讀,尤其是林地中的很難判斷其準(zhǔn)確位置,作業(yè)時需要盡量地參照其周圍地物。

(3)小 結(jié)

結(jié)合外業(yè)調(diào)繪可得出：

1)由于衛(wèi)星運(yùn)行的軌道比較高,一般在 500～1 000 km之間,衛(wèi)星影像投影差小,高層建筑物的陰影比航空影像短,遮蓋也相對較少,這方面有利于外業(yè)調(diào)繪工作。

2)由于衛(wèi)星影像的覆蓋范圍比較大,需要制作專門外業(yè)調(diào)繪片,這與航空影像的外業(yè)調(diào)繪有所不同。

3)用于調(diào)繪的全色影像圖紙不夠清晰,不易判斷線狀地物及獨(dú)立地物的準(zhǔn)確位置。

4)1∶10 000和 1∶5 000兩種比例尺在外業(yè)調(diào)繪的工作上差別較小。

7.內(nèi)業(yè)成圖

依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范,參考外業(yè)調(diào)繪的成果,在AutoCAD環(huán)境下編輯、修改內(nèi)業(yè)采集的地形圖數(shù)據(jù),并完成 1∶10 000、1∶5 000地形圖的制作。

三、生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果,確定了基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測圖的生產(chǎn)工藝流程,如圖 1所示。

圖 1 基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測圖工藝流程

與航空影像的立體測圖相比,衛(wèi)星影像的立體測圖存在一些不同之處。

1)衛(wèi)星立體像對的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于航空影像的覆蓋范圍,在實(shí)際測圖之前,需要對衛(wèi)星立體像對進(jìn)行分幅裁切。如果軟件功能支持和配置性能較高的 PC機(jī),也可以考慮采用不裁切而直接測圖的模式。

2)由于衛(wèi)星影像自身的特點(diǎn),在同一個立體像對中,同一種地物在不同位置的立體效果不盡相同,例如：在有的位置電線桿的立體效果好,便于立體量測,而在有的位置電線桿的立體效果并不太理想,立體量測的時候不能判斷電線桿的準(zhǔn)確位置,這有可能是因?yàn)橛械奈恢眠€存在一定的上下視差。特別是在有云或霧遮擋的區(qū)域,更不利于立體量測。

3)考慮到衛(wèi)星遙感的立體像對覆蓋范圍比較大,數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn),在立體測圖時宜采用服務(wù)器和客戶端相結(jié)合的測圖模式,以提高生產(chǎn)效率。

某些研究表明,采用無控制的方法先內(nèi)判測圖后進(jìn)行矢量重新定向可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化的生產(chǎn)[7]。但最后進(jìn)行矢量重新定向有一個明顯的缺點(diǎn),即重定向所采用的參數(shù)有限,會導(dǎo)致誤差分布不均勻和模型間的拼接誤差。本文的研究證明,在基于衛(wèi)星影像進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化測圖的過程中,應(yīng)該先進(jìn)行嚴(yán)密的區(qū)域網(wǎng)平差,直接在目標(biāo)坐標(biāo)系下進(jìn)行立體測圖。

四、存在的問題

通過本文的試驗(yàn),已初步實(shí)現(xiàn)了基于 GeoEye-1衛(wèi)星影像的立體測圖生產(chǎn)工藝。但要真正將其應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)工作,仍需解決幾個問題。

1)性價比,即生產(chǎn)成本問題。目前立體衛(wèi)星影像的采購成本遠(yuǎn)高于航空攝影。

2)坐標(biāo)系問題。在城市測繪生產(chǎn)中往往采用地方坐標(biāo)系,由于參數(shù)的保密問題,目前的軟件尚無法直接在地方坐標(biāo)系下測圖,需要對成果進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,既增加了工序,還可能帶來誤差,從而影響成圖精度。

3)航天攝影測量內(nèi)外業(yè)規(guī)范問題。目前尚無相關(guān)的國家規(guī)范,舊規(guī)范不適用。

4)相關(guān)軟件還需進(jìn)一步完善。

五、結(jié)束語

經(jīng)過十幾年來國內(nèi)外對航天攝影測量的深入研究,其理論已趨于成熟。隨著高分辨率商業(yè)衛(wèi)星影像進(jìn)入市場,迎來了大比例尺航天測圖的新時代。本文利用某試驗(yàn)區(qū)的 GeoEye-1全色波段 0.5m空間分辨率的衛(wèi)星影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)和地物采集試驗(yàn),而外業(yè)檢測點(diǎn)的精度統(tǒng)計表明利用GeoEye-1立體影像能夠達(dá)到修測 1∶1 0000、1∶5 000甚至 1∶2 000地形圖的精度要求,內(nèi)判測圖和外業(yè)調(diào)繪的成果基本可以滿足地形圖修測的要求。

隨著衛(wèi)星空間分辨率的逐步提高和相關(guān)技術(shù)的逐步成熟,利用立體衛(wèi)星影像進(jìn)行 1∶2 000地形圖的修測甚至新測將成為可能,從而成為基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)的一種有效的補(bǔ)充手段。在不遠(yuǎn)的將來,衛(wèi)星遙感影像測圖將會得到越來越多用戶的認(rèn)可,高分辨率衛(wèi)星遙感影像在地形圖測繪中的應(yīng)用也將越來也廣泛,并將成為地理信息數(shù)據(jù)更新和地形圖修測的重要數(shù)據(jù)源,航天攝影測量替代航空攝影測量進(jìn)行城市大比例尺地形圖更新是一種必然的發(fā)展趨勢。

[1] 郭海濤.基于衛(wèi)星遙感影像的單片測圖與修測技術(shù)的研究[D].鄭州：信息工程大學(xué),2002.

[2] 李兵,朱繼東,陳艷.采用 IKONOS衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測圖技術(shù)的應(yīng)用研究[J].地理信息世界,2006,4(6)：62-66.

[3] 李德仁,張過,江萬壽,等.缺少控制點(diǎn)的 SPOT-5 HRS影像 RPC模型區(qū)域網(wǎng)平差[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2006,31(5)：377-381.

[4] 趙利平,劉鳳德,李健,等.印度測圖衛(wèi)星 IRS-P5定位精度初步研究[J].遙感信息,2007(2)：28-32.

[5] 丁瓊.IKONOS衛(wèi)星立體像對幾何模型解算及三維定位精度分析[D].成都：西南交通大學(xué),2008.

[6] 張過,李德仁,袁修孝,等.衛(wèi)星遙感影像的區(qū)域網(wǎng)平差成圖精度 [J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2006,23(4)：239-241;245.

[7] 夏先麗,韓明,趙俊華,等.利用 IKONOS衛(wèi)星影像進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化測圖技術(shù)的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息,2008,31(3)：72-75.

Research on the D igitalMappingM ethod Based on GeoEye-1 Satellite Stereo I mages

ZHANG Haitao,J IA Guangjun,YU Xin

0494-0911(2010)12-0043-04

P236

B

2010-10-18

2009年度國家測繪局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計劃資助項目(200927)

張海濤(1969—),男,陜西乾縣人,教授級高級工程師,主要研究方向?yàn)槌鞘袦y繪。