基于國產高分辨率遙感影像的地圖制圖技術研究

彭菲菲 韓 虎

（新疆維吾爾自治區第一測繪院,新疆 昌吉 831100）

0.引言

遙感衛星影像因為覆蓋面廣，能夠實現大范圍面積內地物信息的快速準確獲取，通過對同一地區不同時期的遙感影像進行綜合比對，可以實現對大面積區域的長期動態監測[1]，并依據實時遙感影像數據，對現有資料進行更新存檔，在多個領域得到了較為廣泛的應用。

隨著遙感技術的不斷發展，基于遙感影像的地圖制圖技術應運而生。在遙感衛星影像的基礎上，以專業的地圖符號和地圖注記對地物空間信息進行準確表達，從而形成遙感影像地圖[2]。由于國產高分辨率遙感影像技術起步較晚，遙感影像地圖多采用國外遙感衛星影像數據[3]。隨著我國遙感技術的迅速發展，越來越多的學者投入基于國產遙感影像的地圖制圖研究中去，擬定更為規范的遙感影像地圖制圖方法，形成標準化制圖流程[4]，具有重要的現實意義。

本文以資源三號、高分一號和高分二號三種國產高分辨率衛星遙感影像為基礎，研究遙感衛星影像地圖制圖技術，分析真彩色波段合成方法，選擇最合適的波段合成方法進行色彩處理前的準備；通過對多景遙感影像拼接方法進行綜合研究，利用Photoshop常用的軟件工具進行邊緣平滑及增強處理，提高影像地圖的直觀性和一覽性；定制設計地圖符號和地圖注記，對多個地區的遙感影像進行生產處理，制作清晰、直觀、易于理解的大區域遙感影像地圖。

1.數據基礎

本次研究以國產高分辨率遙感衛星影像為研究對象，分別以資源三號、高分一號以及高分二號遙感影像進行制圖。資源三號衛星搭載了多臺高分辨率相機，包括正視多光譜相機（分辨率5.8m）、全色延遲積分成像相機（分辨率2.1m）等，全國陸地覆蓋率可達99.37%以上；高分一號衛星的成功發射標志著我國高分辨率對地觀測時代的開啟，同樣搭載多臺高分辨率相機，其中多光譜相機共5臺（4臺分辨率為16m，1臺分辨率為8m），全色延遲積分成像相機共1臺（分辨率2.0m）[5]；高分二號衛星空間分辨率相對較高，所搭載相機的分辨率優于1m，國產遙感衛星正式進入亞米級時代。

除遙感影像數據外，還需要地理矢量要素數據，主要可分為三大類，分別是行政區劃數據、道路矢量數據、位置信息及地名數據，數據格式一般為shp格式，分別來源于國家基礎地理信息中心、Open Street Map網站、已出版地圖或百度地圖等。

2.制圖方法研究

以國產高分辨率遙感影像為基礎，制作遙感影像地圖，主要包括遙感影像處理、地理屬性數據編輯、整體效果提升三大部分，具體（如圖1所示）：

圖1 遙感影像地圖制圖過程

2.1 數據預處理

遙感影像地圖的數據預處理主要包括三個方面，分別是數據收集、影響配準與融合、正射校正[6]。其中數據收集是遙感影像地圖制作的基礎性工作，數據內容主要包括遙感影像和地理屬性數據兩個方面。

在使用遙感影像數據前，需對其進行配準處理，因為光譜波段和分辨率的不同，會使得遙感影像與真實地表存在一定的偏差，且所收集遙感影像多為多時相多景影像，需對其進行融合，并對拼接位置進行邊緣平滑處理[7]，實現多幅遙感衛星影像的無縫拼接。

正射校正。在遙感影像獲取過程中，由于遙感衛星自身因素以及外界條件的影響，拍攝的遙感影像存在一定程度的幾何變形，一般情況下，用戶獲取的遙感影像已經過幾何粗校正處理，而正射校正則對幾何形變進行進一步精校正，從而降低遙感影像幾何誤差。

2.2 真彩色影像合成

遙感影像預處理后，需進行真彩色影像合成處理。通過對資源三號、高分一號和高分二號衛星進行綜合研究，各衛星均包含紅、綠、藍、近紅外四個波段，在進行影像合成時直接采用紅、綠、藍三波段進行處理，所獲得的遙感影像植被色彩容易失真，紋理清晰度偏低，從而降低遙感影像地圖質量[8]。為解決這個問題，本次研究采用近紅外波段結合綠波段進行合成處理，生成新的綠波段，然后再合成真彩色遙感衛星影像。

遙感影像由于波段合成時波段的選擇不同、波段合成方法的不同，所以最終呈現出的地物色彩也會有所不同。在本次研究過程中，通過對比分析資源三號、高分一號和高分二號國產遙感衛星影像的真彩色合成方法，研究其最為適合的波段合成方法。

為了研究資源三號、高分一號以高分二號遙感影像的波段合成最佳權重，取α值分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5，對比各加權波段合成結果（如圖2所示）。對三種遙感影像的對比進行綜合計算可得：所有遙感影像整體均呈現先增后減趨勢。當α=1.0時，即對遙感影像采用原始紅、綠、藍波段進行合成處理，三種遙感衛星影像植被顏色均容易失真，遙感影像對比度相對較小，其中資源三號遙感影像最為明顯；當α=0.9時，與原始波段合成結果相比，資源三號遙感影像的植被顏色改善較為顯著，雖然三種遙感影像的對比度有所提升，但綠植仍存在表達不充分現象；當α=0.8時，高分一號和高分二號遙感影像的對比度大幅度上升，達到最大值，但資源三號遙感影像對比度基本不變，此時高分一號以及高分二號遙感影像的表達效果相對較為理想；當α=0.7時，高分一號以及高分二號遙感影像對比度呈下降趨勢，但此時資源三號遙感影像對比度明顯增加，達到最大值，遙感影像的表達效果較好；當α=0.6時，三種衛星的遙感影像對比度呈現下降趨勢；當α=0.5時，資源三號遙感影像的對比度大幅度下降，遠低于原始遙感影像，高分一號以及高分二號遙感影像對比度出現小幅度上升趨勢，但仍小于原始遙感影像。

圖2 不同α取值不同類型遙感影像合成結果

綜上所述，相較于原始影像紅、綠、藍波段直接合成，波段加權后的真彩色合成影像效果更為理想；α=0.7時資源三號遙感影像對比度最大，地物信息表現較為豐富，色彩較好；α=0.8時，高分一號及高分二號遙感影像對比度最大，影像整體表達效果最好。

2.3 色彩增強處理

遙感衛星影像色彩增強方法主要包括色階工具、曲線工具、選區工具以及蒙版工具等。其中色階工具作為最常使用的調色工具，是以獲取的圖像直方圖均衡為基礎，對遙感影像進行非線性拉升處理，從而使得圖像亮度、色彩等按照需求進行改變調整。在進行多幅遙感影像拼接處理時，為保證不同影像的亮度及色彩等具有較高一致性，需對其進行勻光勻色處理。以較為理想的遙感影像為參考，不斷調節其他遙感影像的亮度、對比度等，以獲取最佳的亮度、色彩匹配，從而實現多幅遙感影像的無差異拼接。

選取同一地區不同時期不同軌道不同衛星拍攝的遙感衛星影像，利用Adobe Photoshop圖像處理軟件進行勻光勻色處理（如圖3所示）。蘭州市整體遙感影像是由四景遙感衛星影像拼接而成，由圖3可知，拼接影像顏色差異相對較大，右側遙感影像明顯優于左側影像，故以右側遙感影像為基準，利用色階工具對左側影像進行調整優化，使其與右側影像色彩及亮度基本一致，無顯著差別；并采用套索工具建立選區，對所選擇的區域進行邊緣平滑處理，消除拼接線，光滑過渡。

圖3 拼接遙感影像勻光勻色處理前（上）后（下）對比

3.遙感影像地圖制作

3.1 制作流程

圖幅設計。比例尺和分辨率是遙感影像地圖較為重要的因素，本次遙感影像地圖制作在滿足地圖分辨率的要求下，采用單幅面版芯尺寸為350mm×470mm，雙幅面版芯展開尺寸為700mm×470mm，制版圖比例尺以充滿整個版面為原則。圖幅設計版面（如圖4所示）：

圖4 圖幅設計

地理矢量要素。地理矢量要素是遙感影像地圖的重要組成成分，改善了某些難以定量的地物要素在遙感影像上的顯示質量。本次研究以圖幅量、內容規范等為基礎，選擇的矢量要素包括城市及城市間主干道路（劃線并注記）、五級以上河流（劃線）、四級以上河流（注記），以及政府建筑、大型公園、機場車站交通樞紐等標志性建筑。

地圖符號和注記。地圖符號是地圖對外的專業圖解語言，是地圖信息解讀的關鍵。在地圖符號設計階段，需要對地圖符號的形狀、方向、大小、密集度、色彩以及與遙感影像的匹配度等進行重點考慮，著重突出地圖符號的表現性、專業性及易辨認性，在遙感影像地圖符號設計過程中，主要考慮點狀符號設計和線狀符號設計。地圖注記作為地圖的基本內容，采用文字和數字等要素對地圖上的地物信息進行詳細表述，以普通地圖注記設計原則為基礎，并輔以特殊地物表述方式，突出遙感影像地圖的專業性。

地圖整飾。地圖整飾是對遙感影像地圖的完善及優化處理，主要包括地圖圖名圖號、經緯度及注記、坐標系、比例尺等必要地圖要素，從而生成完整遙感影像地圖。

3.2 遙感影像地圖

在城市遙感影像地圖制作過程中，為追求影像地圖的準確性和功能性，對城市基礎地形數據如主干道路、主要河流以及居民地等的要求越來越高。在本次研究過程中，采用數字正射影像對城市范圍內的主干道路、居民地及重點建筑物等地形要素進行更新，由于數字正射影像上地面所有點位均進行了投影差分改正，因此地理要素精度完全滿足遙感影像地圖制圖要求。將研究區數字正射影像與搜集到的矢量數據進行疊加處理，然后正射影像上將所需地物信息進行直接提取，即可實現城市主干道路、主要河流以及重點建筑物等數據的快速更新，方便制圖。本文選擇幾個具有代表性的省會城市，分別制作其遙感影像地圖（如圖5所示）：

圖5 部分制圖成果

4.結束語

基于國產高分辨率遙感影像的地圖制圖技術是國家遙感技術的綜合體現，本文以資源三號、高分一號和高分二號遙感衛星影像為基礎，分析各衛星影像波段特點，設置不同權重，對比分析較為合適的真彩色波段合成方法，結果發現當權重值分別為0.7和0.8時，資源三號和高分一號、高分二號衛星遙感影像的地物信息表達效果最為理想；并利用Adobe Photoshop圖像處理軟件對拼接影像進行勻色勻光處理，提高拼接影像的整體一致性；最后基于專業地圖符號和注記，利用數字正射影像圖和處理后的遙感影像，制作多個城市的高分辨率遙感影像地圖，為后續國產高分辨率遙感影像地圖的制作提供參考依據。