全球4D數據產品研制

田海波，陳利軍，張宏偉，杜 曉

(國家基礎地理信息中心，北京 100830)

全球基礎地理信息資源是描述全球范圍地形地貌、地理環境和相關自然與人文現象的數據，主要包括數字正射影像(DOM)、數字地表模型(DSM)、數字高程模型(DEM)、核心矢量要素(DLG)等，是工程規劃與建設、突發事件應對與救援、國家安全與軍事行動保障、生態環境評估與監測、商貿活動與社會人文交流、全球變化研究與可持續發展規劃等不可或缺的基礎信息和知識資源。高分辨率衛星遙感技術的快速發展極大地推動了全球地理空間信息及服務的發展，其中最具代表性的產品是Google Earth/Map，可提供矢量地圖、不同分辨率的衛星影像、地形視圖、街景視圖等服務。

地形數據方面，早期全球DEM主要利用已有的地圖資料重新編譯和數據融合，空間分辨率較為粗糙，如ETOP05、GTOP030等，但在眾多領域仍然發揮了重要作用。目前，得益于全球衛星遙感、衛星測高、船載測深等技術發展，高分辨率全球DEM數據層出不窮，如SRTM、ASTER GDEM、AW3D30、WorldDEM等[1]。

依靠互聯網技術及應用的快速發展，網絡信息呈現出爆炸式增長，地名地址、網絡標注、行政區劃等地理信息不斷積累，相繼出現以OSM、GADM、GeoNames為代表的專題地理信息網站，為全球基礎地理信息建設提供了大量的數據來源。OSM是一個網上地圖協作計劃，由用戶根據手持GPS設備、航空攝影照片、其他自由內容甚至單靠本地知識繪制。GADM是一個全球行政區劃數據庫，包含了全球所有國家和地區的國界、省界、市界、區界等多個級別的行政區劃邊界數據。GeoNames是一個免費的全球地理數據庫，允許用戶糾正數據和添加新的地名，地名辭典包含了650萬個地點、將近200種語言的850萬個地名和200萬種別名，地理信息詳細到坐標、行政區劃、郵編、人口、海拔和時區。

近年來，我國衛星測繪技術實現了重大突破，資源三號(ZY-3)三線陣衛星和天繪一號(TH-1)三線陣衛星具備了獲取全球尺度地理信息的能力。自主研發的“天地圖”是我國推出的國家地理信息公共服務平臺，資源包括全球范圍的1∶100萬矢量數據和250 m影像，全國范圍的1∶25萬電子地圖、15 m和2.5 m影像，全國319個地級以上城市和10個縣級市的0.6 m影像等[2-3]，但是還比較缺乏國外的數據，尚沒有提供自主的數據產品服務。

隨著經濟全球化進程的加快和我國“一帶一路”倡議、“走出去”戰略的實施，我國經濟日益融入國際經濟體系，政府、企業、公民越來越多地參與境外的工程建設、商貿活動、旅游與社會人文交流等，迫切需要全球范圍、全要素、多尺度、自主可控的全球基礎地理信息資源[4-5]。本文利用我國自主高分辨率立體測圖衛星，依托高精度無控測圖技術和智能采編技術，研制全球4D數據產品，以提供自主、統一、高精度的全球基礎地理信息及服務。

1 數據源及研制方法

1.1 數據源

全球4D數據產品研制主要以ZY-3和TH-1數據為主，其主要參數見表1。

表1 ZY-3和TH-1影像主要參數

1.2 研制方法

本文采用高精度幾何定位和大范圍影像密集匹配技術、智能濾波和泊松編輯方法、基于眾源地理數據屬性挖掘技術等，研制全球陸域范圍的DSM、DEM、DOM和DLG等4D數據產品，提供面向全球的地理信息服務。

(1)區域網平差：通過合理分區，開展無控制區域網平差和幾何協同處理。區域網平差的相對定向中誤差一般不大于0.35像素,最大殘差不超過1.5像素，殘差在1～1.5像素的個數比例應小于5%。經計算，檢查點和模型間連接點的誤差應符合表2規定。

表2 區域網平差成果幾何質量要求 m

(2)DSM研制：基于平差與協同處理后的立體衛星影像，通過多模型、多基線算法進行DSM自動匹配，生成DSM數據，經人機交互編輯、接邊、鑲嵌、裁切、元數據制作等處理后，最后生成DSM的分幅成果。

(3)DEM研制：基于DSM數據，參考DOM、立體模型及其他相關資料，對人工建筑、橋梁、林地等非地表地物進行濾波編輯，將對應地物的高程降至地面，經圖幅接邊、投影轉換、制作元數據、質量檢查等處理后，最后輸出DEM分幅成果。

(4)DOM研制：利用DSM數據、衛星影像(立體影像采用下視影像)與區域網平差后的RPC參數，對全色影像與多光譜影像分別進行正射糾正，得到整景DOM。對包含全色和多光譜波段的衛星影像，需對整景的全色與多光譜影像進行影像融合、圖像增強、鑲嵌與裁切等處理，最后得到分幅的DOM。

(5)DLG研制：基于眾源數據，以DOM數據為基準進行幾何配準，對行政區劃、交通和水系數據進行編輯和補采，對地名數據進行結構規范化、分類和標準化處理，并與矢量要素中的水系、道路、行政區劃及數字正射影像進行空間關系協調處理，形成核心矢量要素數據成果和元數據成果。

2 關鍵技術

2.1 衛星影像無地面控制幾何定位技術

高分辨率全球測圖最基本的目標是要解決全球數據的獲取、幾何定位和高效數據處理等問題。傳統的區域網平差都是基于地面控制點進行的，完全無地面控制條件下進行衛星影像區域網平差處理面臨快速構網難、質量控制難和參數解算難等技術難題。由于全球測圖受限于外業調繪工作，因此必然會采用衛星影像無控制測圖技術。該技術是指不利用地面控制點，而采用衛星影像獲取時同步獲取的高精度成像時間、軌道測量參數、姿態測量參數及地面定標場的成像系統參數，通過無控制區域網平差的手段，構建大區域內部幾何精度均勻的剛性區域網，精化單景影像直接定位模型參數，滿足4D數據產品研制的要求[6-9]。

本文采用無地面控制幾何定位技術[10-11]，即在天星地一體化全鏈路誤差建模分析的基礎上，利用在軌幾何定標模型與方法、穩態重成像幾何處理模型與方法及大規模無地面控制區域網平差方法等，實現國產高分辨率光學衛星遙感影像高精度的幾何處理。試驗表明[10]，該方法可以有效補償ZY-3衛星數據中存在的系統誤差和偶然誤差，在軌幾何定標后單景無地面控制精度提高到15 m，內部精度優于1像素。經過無地面控制大區域空三處理后，影像的平面和高程精度進一步提高到5 m以內，能夠滿足全球1∶5萬測圖精度要求[12-13]。

2.2 智能濾波與DEM泊松編輯方法

DSM數據中存在大范圍建筑、植被、水域等，導致自動濾波算法效率較低，交互式的DEM編輯必不可少。由于全球地形地表結構的多樣性和復雜性，現有依靠單一濾波模型或有限濾波規則的點云濾波方法的可靠性和效率難以保證。相比傳統的濾波方法，本文采用顧及彎曲能量的點云自適應濾波方法[19]，針對DSM點云數據，依據局部鄰域最低點為地面點與地表平滑的條件，采用金字塔的濾波策略，逐級加密非地面點，從而逼近真實地表。在金字塔濾波的過程中，通過帶有抗噪性，顧及彎曲能量正則化約束的DEM內插算法與自適應的參數優選算法，以彎曲能量定量顯式表達地形地貌特征，使濾波參數在局部范圍內根據地形特征進行自適應優選，提高自動濾波算法對噪聲與參數選擇的穩健性。

在濾波基礎上采用多邊界約束的泊松地形編輯方法[14]，通過優化域中的一個已知導向信息，給定邊界條件，引入分類、地形地貌特征線等邊界信息。一方面，給定的邊界條件保留了DEM中的地形結構特征信息，如山脊線、山谷線、河岸線、河流區域等；另一方面，通過調整優化域中的導向信息的定義方式，實現不同類型的濾波效果，如平滑、恢復梯度信息等，從而達到建筑區、森林和水域等區域的定向智能精準編輯。經過大量不同類型、不同地區的生產性試驗，在DEM生產困難的建筑區、森林和水域等區域，精度和效率優勢明顯，相比傳統生產方式生產效率提高至少2～3倍，為DEM大規模生產提供了有力的技術支撐[15]。基于DSM的智能濾波與DEM泊松編輯效果如圖1所示。

圖1 基于DSM的智能濾波與DEM泊松編輯效果

2.3 基于眾源地理數據屬性挖掘技術

開源地理數據提供了豐富的地理信息，如Google Map提供含有全球城市政區和交通及商業信息的矢量地圖，包含豐富的POI信息；各國房地產信息網站包含豐富的房屋POI信息，從網頁源代碼中可以解析出經緯度信息和詳細的地址信息；GeoNames把各種來源的免費數據進行集成并制作成一個數據庫。通過解析POI信息中的路名，并挖掘其與路網的空間模式，運用多種方法可將POI與路網的屬性進行融合，如圖2所示。研究表明[20]，OSM數據作為主要的境外矢量數據來源，具有豐富的幾何信息，但屬性信息的完整度較低，且區域性差異較大。通過對多源POI和Google Map數據等多種來源的地理數據進行挖掘，使用POI聚類、路網匹配等算法，實現境外屬性數據的自動提取與融合。

圖2 基于眾源地理數據屬性挖掘技術路線

本文采用基于眾源地理數據的屬性挖掘方法，通過解析多源數據中地址信息，獲取路名。按照字符串之間的Levenshtein Distance對地址信息聚類，提取公共字符串作為類中心，即該部分POI對應的路名，解決地址中門牌號與路名無法拆分的問題。采用最鄰近策略將POI與道路匹配，并賦屬性。通過挖掘POI的線性特征，擬合路網，與OSM路網進行匹配，將POI屬性與路網進行整合。

3 成果及技術指標

全球4D數據產品包括10 m格網的DSM、10 m格網DEM、2 m的DOM和DLG(包括二級及以上行政區劃與境界、交通要素、水系要素、地名等)，其成果規格及指標見表3。部分成果如圖3所示。

表3 全球4D數據產品規格及指標

圖3 DSM、DOM成果示例

4 結 論

全球4D數據產品研制是以我國自主的高分辨率遙感立體測圖衛星為主要數據源，利用高精度無控測圖技術和智能采編技術，研制全球陸域范圍統一框架下的多尺度、多類型的基礎地理信息產品，發揮測繪地理信息在全球治理和可持續發展方面的重要作用，為“一帶一路”倡議、國家經濟社會發展、全球戰略實施、智慧社會建設提供科技支撐。