基于 GeoEye-1衛星影像的立體測圖技術研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測繪設計研究院,北京 100038)

基于 GeoEye-1衛星影像的立體測圖技術研究

張海濤,賈光軍,虞 欣

(北京市測繪設計研究院,北京 100038)

以某試驗區的 GeoEye-1衛星遙感影像、外業控制資料等數據為基礎進行影像區域網平差解算,對平差精度進行分析,并通過部分試驗區外業調繪來分析 GeoEye-1衛星遙感影像是否滿足國家相應規范中 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衛星遙感影像的立體測圖生產工藝流程。

衛星影像;地形圖;立體測圖;GeoEye-1

一、引 言

目前,在基礎測繪領域,航空攝影測量成圖方法是進行基本比例尺地形圖生產和更新的主要手段。衛星遙感的立體像對與航空影像的立體像對一樣,也能夠進行不同比例尺的地形圖測繪。與航空影像不同的是,高分辨率遙感衛星的軌道高度一般在幾百千米,衛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、無人區和禁飛區等地的測圖。此外,遙感衛星按軌道周期運動,可以在較短時間內對同一地區進行多次重復觀測,數據的現勢性強,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充[1-2]。

隨著衛星遙感影像空間分辨率的不斷提高和傳感器技術的快速發展,立體成像能力的逐步增強,影像價格也將呈現出下降的趨勢。0.5 m分辨率的WorldView-1衛星和 0.41 m分辨率的 GeoEye-1衛星的陸續發射更是為大比例地形圖的測繪提供了可靠數據源。本文以某試驗區的 GeoEye-1 0.5 m分辨率衛星遙感影像、外業控制資料等數據為基礎進行影像區域網平差解算,對平差精度進行分析,并通過部分試驗區外業調繪來分析 GeoEye-1衛星遙感影像是否滿足國家相應規范中 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衛星遙感影像的立體測圖生產工藝流程,為大規模地應用于城市大比例尺地形圖更新打下基礎。

二、試驗與分析

1.GeoEye-1衛星影像

本試驗采用 2009年 3月 GeoEye-1衛星獲取的某地區的同軌立體影像,經過標準的幾何改正,影像質量良好。影像格式為 GeoTiff,重疊度約為90%,覆蓋面積約 138 km2。該試驗區東西寬約114 km,南北長約 120 km,平均海拔為 87 m。試驗區西北部為山區,東北部為平原,西南部為城鄉結合部并覆蓋部分河流,東南部為城區。

2.外業控制點測量

根據 GeoEye-1衛星影像區域網平差的要求,需要進行外業控制點測量。這里所需的外業控制點測量與常規的航測成圖外業控制點測量類似,主要包括選刺點、控制點測量以及相應的點位整飾和點之記等。控制點測量采用網絡 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 1∶10 000、1∶5 000和 1∶2 000地形圖的外業控制點量測的規范要求。為了分析不同控制點分布、不同控制點數量情況下區域網平差的精度,所施測的 44個控制點均勻分布于立體像對的重疊區域,并選刺于明顯的地物點。

3.區域網平差

(1)平差數學模型

由于成像方式的不同,國內外研究人員已經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秘密等原因,有些高分辨率衛星的軌道和成像參數信息是不公開的。

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模型進行衛星影像的地理定位時,其精度僅次于基于共線方程的嚴密幾何成像模型,甚至在理想情況下也能達到與嚴密幾何成像模型相當的定位精度。因此,本文采用基于有理函數模型的 GeoEye-1衛星影像區域網平差方法[3-4]。

(2)平差方案與精度統計

本文采用中國測繪科學研究院開發的 PixelGrid軟件對 GeoEye-1衛星影像進行區域網平差。在本文的試驗中設計了若干種不同的定向點布點方案,并用其他的像控點作為檢查點來分析區域網平差精度與像控點的數量和分布的關系。通過試驗,并對比不同方案的定向點和檢查點精度統計結果,證明采用 15個左右的均勻布點方案效果最佳。區域網平差的精度統計結果如表 1所示。

表1 區域網平差精度統計m

根據中華人民共和國國家標準《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 13990—1992),本文試驗得到的結果可以滿足1∶5 000地形圖的絕對定向后基本定向點殘差和多余控制點不符值的規定。

4.立體測圖

考慮到衛星遙感的立體像對覆蓋范圍比較大、數據量較大的特點,在立體測圖時選擇DPGrid.SLM軟件,該軟件采用服務器和客戶端相結合的測圖模式。在服務器端,主要完成定向、定義模型范圍,創建和批處理模型,分配任務,輸出成果等工作;在客戶端,主要完成測圖和質量檢查工作,與常規的全數字攝影測量工作站測圖模塊相似。

本文基于所選擇的 GeoEye-1立體衛星影像,完成了 1∶2 000內判測圖 2幅,1∶5 000、1∶10 000內判測圖各 1幅,并提交給外業進行精度檢測和調繪。

5.精度檢測

近年來,已有許多關于衛星影像成圖精度的研究[5-6],但對高分辨率衛星更新大比例尺地形圖的研究較少。為了檢驗 GeoEye-1衛星立體像對的內判測圖精度,進行了外業檢測點的測量。與外業控制點的測量類似,檢測點選擇的都是明顯地物點,點位均勻分布于測圖區域,每張圖的外業檢測點個數為 100個左右。當測量建筑物時,如有房檐則測量房檐投影到地面點的坐標,而不是測量房基坐標。在外業完成測量檢測點工作后,內業技術人員根據外業測量的檢測點和內業采集的數據進行統計與分析,統計結果如表 2所示。

表2 外業檢測點及精度統計m

根據中華人民共和國國家標準《1∶500 1∶1 000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 7930—2008)和《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 13990—1992),在本次試驗中,基于 GeoEye-1衛星立體像對的內判測圖不但滿足 1∶5 000地形圖的精度,甚至能達到 1∶2 000地形圖的精度。由此可見,基于 GeoEye-1衛星立體像對進行相關大比例尺地形圖的修測能夠符合相關規范的精度要求。

6.外業調繪

外業調繪針對前期的 1∶5 000、1∶10 000內判測圖成果進行。

(1)試驗區情況

試驗區內有村莊、河流、山地、機關企事業單位及住宅小區等,大部分為建成區。幾條主要道路貫穿整個測區。城區部分高層建筑樓房較多,房屋密集,郊區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式。測區內交通擁擠、樓房樹木較多給作業帶來了一定的難度。

(2)地形要素處理

①居民地

1)內業絕大多數都可以準確定位,外業一般只需要調繪相應的屬性信息即可,只是在房屋的綜合取舍方面,不同的作業員會有不同的結果。

2)頂部為深色的或尖頂的樓房,其邊線不易判讀。作業時需要盡量在現場多量取一些相關距離,以便準確的繪出樓房形狀。

②道 路

1)內業只有少部分不能準確定位,主要是因為有云或霧的影響,或者存在立體效果不太好的區域,外業一般調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、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確位置。

③水 系

內業定位都比較準確,外業調繪工作與航空影像相比,幾乎沒有差別。

④植 被

由于試驗區的 GeoEye-1衛星影像目前是全色影像,而由內業確定植被范圍的時候,全色影像具有較大的局限性,因而外業調繪工作量會大一些。

⑤獨立地物

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

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

(3)小 結

結合外業調繪可得出：

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

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

3)用于調繪的全色影像圖紙不夠清晰,不易判斷線狀地物及獨立地物的準確位置。

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

7.內業成圖

依據相應的規范,參考外業調繪的成果,在AutoCAD環境下編輯、修改內業采集的地形圖數據,并完成 1∶10 000、1∶5 000地形圖的制作。

三、生產工藝流程

根據前期的試驗結果,確定了基于 GeoEye-1衛星影像進行立體測圖的生產工藝流程,如圖 1所示。

圖 1 基于 GeoEye-1衛星影像的立體測圖工藝流程

與航空影像的立體測圖相比,衛星影像的立體測圖存在一些不同之處。

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

2)由于衛星影像自身的特點,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確位置,這有可能是因為有的位置還存在一定的上下視差。特別是在有云或霧遮擋的區域,更不利于立體量測。

3)考慮到衛星遙感的立體像對覆蓋范圍比較大,數據量較大的特點,在立體測圖時宜采用服務器和客戶端相結合的測圖模式,以提高生產效率。

某些研究表明,采用無控制的方法先內判測圖后進行矢量重新定向可以實現內外業一體化的生產[7]。但最后進行矢量重新定向有一個明顯的缺點,即重定向所采用的參數有限,會導致誤差分布不均勻和模型間的拼接誤差。本文的研究證明,在基于衛星影像進行內外業一體化測圖的過程中,應該先進行嚴密的區域網平差,直接在目標坐標系下進行立體測圖。

四、存在的問題

通過本文的試驗,已初步實現了基于 GeoEye-1衛星影像的立體測圖生產工藝。但要真正將其應用于實際的生產工作,仍需解決幾個問題。

1)性價比,即生產成本問題。目前立體衛星影像的采購成本遠高于航空攝影。

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

3)航天攝影測量內外業規范問題。目前尚無相關的國家規范,舊規范不適用。

4)相關軟件還需進一步完善。

五、結束語

經過十幾年來國內外對航天攝影測量的深入研究,其理論已趨于成熟。隨著高分辨率商業衛星影像進入市場,迎來了大比例尺航天測圖的新時代。本文利用某試驗區的 GeoEye-1全色波段 0.5m空間分辨率的衛星影像進行區域網平差試驗和地物采集試驗,而外業檢測點的精度統計表明利用GeoEye-1立體影像能夠達到修測 1∶1 0000、1∶5 000甚至 1∶2 000地形圖的精度要求,內判測圖和外業調繪的成果基本可以滿足地形圖修測的要求。

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

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

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

[3] 李德仁,張過,江萬壽,等.缺少控制點的 SPOT-5 HRS影像 RPC模型區域網平差[J].武漢大學學報：信息科學版,2006,31(5)：377-381.

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[6] 張過,李德仁,袁修孝,等.衛星遙感影像的區域網平差成圖精度 [J].測繪科學技術學報,2006,23(4)：239-241;245.

[7] 夏先麗,韓明,趙俊華,等.利用 IKONOS衛星影像進行內外業一體化測圖技術的應用[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術和技術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,主要研究方向為城市測繪。