P5衛星影像立體測圖的試驗和分析

范 蘭，趙 巍，陳 杰，王海燕

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安710054)

一、引 言

測繪工作中越來越多地采用衛星影像測制大中比例尺地圖和提取地面數字高程模型等。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地形圖的測繪［1］。空間分辨率達到米級/亞米級的立體遙感圖像，已有能力替代傳統用于1∶50 000和1∶10000比例尺地形圖測繪或地理信息更新的航空影像［2］。高空間分辨率(1～3 m)衛星遙感圖像以其高時間分辨率和直接為數字影像的特點，無疑將成為重要的數據源。數字攝影測量技術則是快速生產和更新數字空間數據的必要手段［3］。

P5作為高分辨率遙感制圖衛星，具有測制大中比例尺地圖的潛力。它可提供用于較大比例尺地形圖制圖、高程建模等的立體像對數據，其優勢主要體現在立體觀測方式、較高的地面分辨率、良好的基高比及理想的高程精度。在立體觀測模式下，由于兩個相機獲取同名地物影像的時間間隔只有52 s，使得兩幅影像的輻射效應基本一致，有利于立體觀察和影像匹配［4］。

已有專家利用北京地區的立體像對數據進行了有關試驗研究，結果表明，在良好的地面控制點的支持下，平面和高程精度均可達到5 m，滿足國家1∶50 000基本比例尺地形圖測圖規范要求［4］。但是在1∶10 000測圖生產中能否發揮潛力，尚需進行試驗和分析。陜西測繪地理信息局利用某地區的P5立體影像，采用全數字攝影測量系統測制1∶10 000數字線劃圖(DLG)，進行了相關試驗［5］。

二、試驗研究內容和測圖精度要求

1.試驗內容

1)多中心投影衛星影像數據在國產全數字攝影測量系統中建立立體模型。

2)從P5衛星立體影像中提取地物矢量信息和線劃圖測繪的技術及工藝。

3)測圖精度分析評價。

2.測圖精度要求

根據我國測繪行業標準《基礎地理信息數字產品1∶10 000、1∶50 000 生產技術規程》第 1 部分：數字線劃圖(DLG)(CH/T 1015.1—2007)的要求，DLG 數據精度［6］見表1。

表1 1∶10 000 DLG數據精度要求

三、原始數據資料情況

1)立體衛星影像數據。根據文獻［5］，P5軌道高度為618 km，相機焦距為1945 mm，可形成同軌立體像對，像對的有效幅寬為26 km，基線高度比為0.62。本次試驗所用影像分辨率為2.5 m。

2)盡管衛星遙感影像的區域網平差精度已經達到較高的要求，能夠獲得滿足1∶10 000的成圖精度要求的加密點［6］，但為了保險起見，本次試驗仍采用已有的1∶10 000空三加密成果數據。

3)覆蓋區域已有的1∶10 000基礎測繪調繪成果。

4)覆蓋區域已有的1∶10 000矢量數據(用于平面檢測)。

5)覆蓋區域已有的1∶10 000DEM數據及檢測點(用于高程檢測)。

試驗區含3幅圖，均為自由分幅，每幅圖約等于1∶10 000分幅，分幅和編號按照國家標準規定設置［7］。試驗區屬黃土高原溝壑地帶，地貌以黃土塬、梁、峁、溝壑為主，地形類別大多為山地。

上述各種已有資料，其空間位置都定位于《國家大地測量基本技術規定》(GB 22021—2008)規定的大地測量空間定位基準框架［8］中。

四、試驗研究過程

試驗研究過程主要包括選擇數據測圖系統、影像預處理和參數設定、影像定向建模、測圖數據采集、試驗結果檢測和分析等，其中最重要的是數字測圖過程。數字測圖是利用數字測圖系統，在軟件支持下，采用脫機繪圖的方式測繪地形［9］。要素采集按照《基礎地理信息數字產品1∶10 000、1∶50 000生產技術規程第1部分：數字線劃圖(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)規定的要素內容進行［6］。采集的要素分類和編碼按照《基礎地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923—2006)執行［10］。

1.測圖系統選擇

國產的主流全數字攝影測量系統都支持對P5立體影像數據的處理，本次試驗選取 JX4C DPS系統。

2.影像數據預處理和參數設定

涉及的處理包括數據格式轉換、影像灰度調整、分辨率參數設置、影像參數修改等［1］。

3.定向建模

建模包括相對定向、創建核線影像、絕對定向，采用15個點進行定向。定向誤差要求見表2。

表2 定向誤差要求［6］

4.立體測圖

定向建模完成之后，即可進入矢量測圖。測圖方法按照《基礎地理信息數字產品 1∶10 000、1∶50 000生產技術規程第 1部分：數字線劃圖(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)規定的方法進行［6］。采集地物和地貌時以現有的外業調繪成果作為判讀依據。

五、試驗結果分析

1.測圖采集過程中對要素的判讀分析

受衛星影像分辨率仍不夠高的影響，在立體影像上能直接準確判讀的地形地物要素不多，地物位置精度也不高。無調繪分類判讀分析的情況見表3。所以，準確判讀必須借助于外業調繪成果。

2.測圖數據精度檢測和分析

(1)定向精度的檢測

定向精度采取多點檢測方法。檢測從一到多個控制點定向，一方面考察誤差情況，另一方面分析控制點的數量及分布對精度的影響。試驗區為山地，定向限差不得大于表2中山地誤差的規定。

1)定向精度檢測。檢測及分析結果見表4。從表4中可以看出，相對定向和絕對定向誤差分別達到了要求。

2)控制點數量對定向精度的影響。利用軌道參數和稀疏控制點做絕對定向，從一到多個控制點進行定向，檢測結果見表5。

表3 測圖采集中地形地物要素分類判讀分析

表4 定向精度檢測及分析結果

表5 不同控制點數量的定向結果

從表5中可以看出，1個或2個點定向的誤差較大，超過限差要求;3個及更多點定向時平面和高程誤差都在限差以內，但是精度提高的趨勢不大，所以用3個點進行定向就可以滿足山地的精度要求。

(2)控制點分布對精度的影響

本試驗區內控制點點位的分布不是很均勻，這是由于在選擇控制點時，主要考慮了控制點的點位精度和點位是否容易判定。在這種情況下，3點定向就可以滿足1∶10 000線劃圖山地的精度要求。在困難地區條件下，控制點的點位可以不是很均勻，但一定要能容易判定。

(3)控制點數量不同對點位精度的影響

在同一景影像中，分別用1～15個控制點做控制，選取6個地物點和注記點檢測點位誤差，點位誤差統計見表6。

表6 控制點數量不同時的點位誤差 m

由表6可見，在控制點數量不同的情況下，不是控制點越多，同一點位的精度就越高。實際中，從保證成圖精度和減少外業工作量來看，采用4個控制點定向完全可以保證點位精度。

(4)立體測圖數據(DLG)的檢測

檢測時采用將測圖數據中的實測點作為檢測點與已有的同名地物點、注記點進行比對測量平面、高程較差的方法。分別利用加密成果中的外業控制點、加密點及保密點和外業實測點進行檢測［11-13］。

檢測時的精度指標為明顯地物點對附近野外控制點的平面位置中誤差和高程注記點、等高線對附近野外控制點的高程中誤差不得大于表1的規定。

試驗區內的3幅圖的檢測結果見表7，從檢測結果可以看出各點誤差都在范圍之內。

表7 試驗圖幅檢測結果m

六、結 論

本次試驗研究對基于P5衛星影像的1∶10 000基礎測繪立體測圖的過程有了整體了解，對今后衛星影像用于規模化生產具有很強的指導意義。通過對試驗成果的檢測和分析，可以得出以下結論：

1)試驗分析結果表明，在正確選擇全數字攝影測量系統的前提下，推掃式2.5 m分辨率衛星立體影像，可以用于測制1∶10 000數字線劃圖。

2)通過對1∶10 000 DLG成果數據的檢測分析，平面精度、高程精度可以達到規范中規定的山地地形類別中誤差要求。盡管如此，但是誤差已經接近極限。所以P5衛星立體影像1∶10 000測圖最好還是用于正常航測不易到達的困難區域。

3)P5衛星影像立體測圖時，受影像分辨率的影響，要把地物標記在準確的位置很難完全保證。因此，必須借助外業調繪成果來完成從影像上判繪的工作。

4)與正常航測方法相比較，雖然一景衛星影像可以包含更大的范圍，減少了定向、接邊等工作，但是描繪、地物判讀等仍耗費大量時間，成圖的效率提高不多。

［1］張海濤，賈光軍，虞欣.基于GeoEye-1衛星影像的立體測圖技術研究［J］.測繪通報，2010(12)：43-46.

［2］張力，張繼賢，陳向陽，等.基于有理多項式模型RFM的稀少控制SPOT-5衛星影像區域網平差［J］.測繪學報，2009，38(4)：302-303.

［3］李德仁，王樹根，周月琴.攝影測量與遙感概論［M］.2版.北京：測繪出版社，2008：255-256.

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

［5］趙巍，楊靜，王海燕，等.基于IRS-P5衛星立體影像的地形圖測繪試驗［J］.測繪標準化，2008，24(2)：34-38.

［6］國家測繪局.CH/T 1015.1—2007基礎地理信息數字產品1∶10 000、1∶50 000生產技術規程 第1部分：數字線劃圖(DLG)［S］.北京：測繪出版社，2007.

［7］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T13989—2012國家基本比例尺地形圖分幅和編號［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［8］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 22021—2008國家大地測量基本技術規定［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［9］耿則勛，張保明，范大昭.數字攝影測量學［M］.北京：測繪出版社，2010：224-225.

［10］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.

［11］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 13923-2006基礎地理信息要素分類與代碼［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［12］國家技術監督局.GB/T 13990—1992 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測量內業規范［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［13］國家技術監督局.GB/T 13977—1992 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測量外業規范［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［14］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 18316-2008數字測繪成果質量檢查與驗收［S］.北京：中國標準出版社，2008.