基于QuickBird衛星影像的平地礦區1∶2 000比例尺地形圖快速更新方法

劉昶

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230000)

1 引 言

大比例尺地形圖是基礎地理信息系統最重要的數據源之一，因此如何快速、經濟且有效地對大比例尺地形圖進行更新工作，保持地理信息數據的現勢性是測繪工作者所面臨的重要課題[1]。目前，大比例尺地形圖更新工作的主要方式還是通過野外數據采集和航空攝影測量的方法，人工全野外數據采集耗時耗力，且現勢性差，航空攝影測量方法比全野外數據采集的效率得到了極大的提高，但前期投資成本高，周期相對較長，因此都很難滿足快速發展的大比例尺地形圖更新工作。高分辨率遙感技術的應用，對大比例尺地形圖的快速、準確和經濟的更新帶來了新的手段[2]。近年來，國內關于高分辨率遙感影像應用于地形圖更新工作已經展開很多[3～7]。

本文基于礦區1∶2 000地形圖的更新進行實驗研究，礦區地形現勢性變化很快，所以快速的地形圖更新工作是滿足礦山設計、生產、管理以及開采后的影響評估、土地復墾和地面設施重建等的有效手段[8]。本文結合鮑店某礦區進行 1∶2 000地形圖更新，利用QuickBird影像(全色的分辨率為 0.61 m，多光譜的分辨率為 2.4 m)獲取地物變化信息，對現有地形圖進行修補測，并對更新地形圖的點位精度進行了分析，結果表明可以滿足 1∶2 000地形圖的更新精度，且快速、準確、高效，能滿足礦區生產導致地圖變化的現勢性更新工作。

2 礦區地形圖更新技術

2.1 地形圖更新流程

通過糾正影像的不穩定、大氣干擾及圖像傳輸過程中信息損失和畸變等干擾因素，來改善和增強圖像的識別效果，通過圖像融合和變化檢測，在提高目視判讀、解釋效果以及目標提取的準確性上，進行礦區 1∶2 000地形圖的更新工作，地形圖的更新過程如圖1所示。

圖1 QuickBird影像更新地形圖流程圖

2.2 更新技術方法

針對2.1節的技術路線圖，闡述本文更新過程中的相關技術方法。主要討論QuickBird遙感影像處理工作，包括影像的預處理，全色影像與多光譜影像的融合以及時相數據的變化檢測等工作，通過信息融合，來增強圖像質量、突出所需要的圖像信息，提高圖像的視覺效果，能夠更容易地識別圖像變化內容，從圖像中提取更有用的信息。通過變化檢測，獲得顯著變化的區域，對影像進行分類，識別出地物變化信息，根據地形圖更新規范，從而輔助完成地形圖的快速更新。

2.2.1 影像幾何糾正

幾何糾正就是消除或改正幾何誤差的過程，遙感圖像的幾何糾正主要由地面控制點(GCP)的選取、糾正模型多項式的建立及影像重采樣三個部分組成，生成幾何糾正后的影像。

(1)地面控制點(GCP)的選取

一般地質條件下地面控制點的選?。?/p>

①地面控制點(GCP)分布要均勻，不能過于集中；

②圖像邊緣也應該選取地面控制點，以避免外推；

③在山地復雜的情況下，根據實際情況一般多選取控制點；

④選擇影像上容易分辨和定位的特征點，如地形地物的交叉點、河流彎曲或分叉處、建筑物的邊界、農田的邊界，鐵路、水壩和交叉路口房屋的拐角處和廠房的邊緣等能準確定位的特征點。

礦區地表地面控制點選?。?/p>

除采用一般地質條件選取原則外，在礦區地區，切記避開在塌陷區選取地面控制點，避免在塌陷區形成的水面邊緣選取地面控制點，避免在地形變化大的地區選取地面控制點。

然后利用舊地形圖進行相應地面控制點坐標采集，或者采用GPS或RTK技術進行地面點坐標實測，以獲取控制點實地點位坐標數據。

(2)糾正模型的建立

同名相點確定后，即影像上像元坐標(x，y)和對應的地面坐標(X，Y)，采用二次或三次多項式建立數字糾正模型。多項式如下：

x=a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+…

y=b0+b1X+b2Y+b3X2+b4XY+b5Y2+…

(1)

用選取的兩套坐標，按最小二乘回歸求取多項式的系數，可以獲取每個控制點的RMS誤差(影像糾正的內部誤差)，如果RMS誤差不大于0.5，即符合精度要求。

(3)重采樣

根據輸出影像上的各像元在輸出影像中的位置，對原始圖像按一定規則重新采樣，進行亮度值的重新計算，建立新的圖像矩陣。

(4)幾何精度分析。

2.2.2 圖像融合

圖像融合是指將同一地區的多源遙感圖像按照一定的算法，在規定的坐標系內進行處理，生成新的圖像的過程，通過遙感圖像融合，可以克服單一傳感器獲取圖像信息不足的缺點，從而增強圖像信息。

全色圖像一般具有較高的空間分辨率(如本次實驗所用的QuickBird全色影像的空間分辨率為 0.5 m)，但多光譜圖像分辨率較低(QuickBird多光譜影像分辨率為 2.0 m)，而多光譜圖像較全色影像信息豐富(QuickBird有4個波段)，為提高多光譜圖像的空間分辨率，可以通過多光譜圖像與全色圖像的融合方法實現。通過圖像融合既可以提高多光譜圖像的空間分辨率，又可以保留其多光譜信息。

2.2.3 時相影像的變化檢測

變化檢測是利用同域兩時相遙感影像瞬時獲取的地物信息，根據灰度值、紋理信息、邊緣特征等差異，采用圖像識別和信息提取的手段，識別、檢測、提取和分析地物的變化情況，即通過對比，得到變化區域從地物A變為地物B，進而輔助地形圖的更新。

變化檢測的方法存在很多，如基于代數運算的變化檢測、基于變換的變化檢測、基于影像紋理特征的變化檢測等，本文通過常用的基于代數運算中的差值法對HSV融合圖像進行變化檢測，通過非監督分類實驗分析。

3 實驗分析與地圖更新

對選取的試驗區進行相關實驗處理及分析，利用處理的圖像進行地形圖快速更新。

3.1 礦區概括與影像數據

3.1.1 礦區概況

該礦區屬平原，地勢平坦，地面標高為+40 m～+46 m，其地形總的趨勢是東北高、西南低，地形坡度特別平緩。因此，本文地形圖更新工作主要以地物為主，地物主要包括居民地垣柵、交通及其附屬設施、植被、水系等。

3.1.2 影像數據

本次實驗所用的是QuickBird的全色影像和多光譜影像，礦區局部的全色影像與多光譜影像分別如圖2和圖3所示。

圖2 全色影像

圖3 多光譜影像

3.2 幾何精度分析

以QuickBird影像作為地形圖更新數據源，其影像質量的好壞直接影響更新質量的好壞，所以要對其糾正精度進行評定。因此本次在試驗區選取18個均勻分布地面控制點(GCP)，對其進行幾何糾正，其幾何糾正精度如表1所示。

幾何精度分析 表1

在表1中：∑RMS=0.299 5<0.5，滿足糾正精度的要求。

3.3 影像融合分析

本文通過三種融合算法進行融合實驗，即HSV變換、Brovey變換、PCA變換融合方法，分別如圖4～圖7所示。

圖4 融合前的真彩色圖像

圖5 PCA融合圖

圖6 Brovey融合圖

圖7 HSV融合圖

對QuickBird的多光譜影像與全色影像進行融合實驗，通過圖4、圖5、圖6、圖7直接目視判別可得：HSV變換后的融合圖較為清晰，且有效提高了影像的分辨率及光譜特性，而Brovey變換與PCA變換后的融合圖質量較差。因此在后面的更新地形圖過程中采用HSV變換后的融合圖像。

3.4 變化檢測分析

對QuickBird的標準假彩色影像的兩個時相影像進行變化檢測實驗，兩次影像采集間隔(即地形圖更新對應的影像)為5個月，如表2所示。

兩時相數據表 表2

根據QuickBird的兩時相光學遙感影像的地物分類結果，分析兩時相影像的地物類別變化。分類后的兩時相影像如圖8所示，圖9為變化檢測結果及地物分類。

圖9(a)中，黑色表示變化的地物信息，白色表示未變化的地物，通過地物分類，得到圖9(b)，可清晰判別變化的地物類別：綠色表示地物類別由建筑變為農田，紫色表示水體變為農田，棕綠色表示由農田變為植被，棕黃色表示地物類別由水體變為植被。

圖8QuickBird兩時相影像地物分類結果

圖9 插值法檢測結果與地物類別

3.5 地形圖更新

選取實驗區域更新前的1∶2 000地形圖，對糾正和融合圖像進行剪裁，得到需要更新區的融合影像圖，在CASS軟件中將更新前的地形圖與影像圖進行配準、疊加。得到圖10的影像與地形圖的疊加圖，此處地區地勢較為平坦，有大量農田、道路、房屋和一些沉陷區，在圖10上進行地形圖更新工作。圖11為屬性更新圖。

全色影像與多光譜影像融合后，其融合圖像極大地提高了圖像的信息量，在對水塘、農田、道路和建筑物的識別及邊界判定過程中有很大的幫助，且通過變化檢測，可快速地識別變化地物位置信息，從而進行地形圖的快速更新，極大地降低了誤判率，且提高了工作效率。

圖10 地形圖更新

圖11房屋、道路、水體變化圖

對更新后的點位精度進行評價，本次實驗采用點位中誤差對更新的地形圖進行精度分析，選取18個同名點均勻分布在更新區域，點位精度如表3所示。

點位精度分析表 表3

根據表3的數據進一步計算得到：

由計算可知，該礦區利用多光譜影像與全色影像融合后圖像更新的地形圖的點位精度為 0.288 3 m，根據《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖數字化測圖規范》的要求可知點狀要素中誤差要小于 2.5 m的限差，該數據滿足規范要求，可以進行 1∶2 000地形圖的更新工作。

4 結 語

本文以QuickBird 的全色影像與多光譜影像來更新 1∶2 000的礦區地形圖，研究了高分辨遙感影像更新大比例尺地形圖的方法。主要進行遙感影像融合、變化檢測等方面的研究，來增強影像的目視判別和快速提取變化信息，從而實現利用高分辨率的影像快速、準確、經濟地更新大比例地形圖。通過精度分析，此更新方法具有可行性。

與傳統地形圖更新方法相比較，表現出很好的現勢性，針對礦區的變化現狀，采用此種方法更新對礦區的村莊搬遷規劃、生產接續和合理留設保護煤柱，恰當處理地企關系具有重要的理論和實際意義。