基于 GeoEye-1卫星影像的立体测图技术研究

张海涛,贾光军,虞 欣

(北京市测绘设计研究院,北京 100038)

基于 GeoEye-1卫星影像的立体测图技术研究

张海涛,贾光军,虞 欣

(北京市测绘设计研究院,北京 100038)

以某试验区的 GeoEye-1卫星遥感影像、外业控制资料等数据为基础进行影像区域网平差解算,对平差精度进行分析,并通过部分试验区外业调绘来分析 GeoEye-1卫星遥感影像是否满足国家相应规范中 1∶10 000、1∶5 000以及1∶2 000地形图修测要求,最终形成基于 GeoEye-1卫星遥感影像的立体测图生产工艺流程。

卫星影像;地形图;立体测图;GeoEye-1

一、引 言

目前,在基础测绘领域,航空摄影测量成图方法是进行基本比例尺地形图生产和更新的主要手段。卫星遥感的立体像对与航空影像的立体像对一样,也能够进行不同比例尺的地形图测绘。与航空影像不同的是,高分辨率遥感卫星的轨道高度一般在几百千米,卫星遥感影像受大气和地形的影响较小,影像条带的宽度一般在几十千米,覆盖的范围也较大,因而非常适合于边境、无人区和禁飞区等地的测图。此外,遥感卫星按轨道周期运动,可以在较短时间内对同一地区进行多次重复观测,数据的现势性强,能够加快地形图的更新速度,因而航天摄影测量成图逐步成为航空摄影测量成图方法的一种有益和必要的补充[1-2]。

随着卫星遥感影像空间分辨率的不断提高和传感器技术的快速发展,立体成像能力的逐步增强,影像价格也将呈现出下降的趋势。0.5 m分辨率的WorldView-1卫星和 0.41 m分辨率的 GeoEye-1卫星的陆续发射更是为大比例地形图的测绘提供了可靠数据源。本文以某试验区的 GeoEye-1 0.5 m分辨率卫星遥感影像、外业控制资料等数据为基础进行影像区域网平差解算,对平差精度进行分析,并通过部分试验区外业调绘来分析 GeoEye-1卫星遥感影像是否满足国家相应规范中 1∶10 000、1∶5 000以及 1∶2 000地形图修测要求,最终形成基于 GeoEye-1卫星遥感影像的立体测图生产工艺流程,为大规模地应用于城市大比例尺地形图更新打下基础。

二、试验与分析

1.GeoEye-1卫星影像

本试验采用 2009年 3月 GeoEye-1卫星获取的某地区的同轨立体影像,经过标准的几何改正,影像质量良好。影像格式为 GeoTiff,重叠度约为90%,覆盖面积约 138 km2。该试验区东西宽约114 km,南北长约 120 km,平均海拔为 87 m。试验区西北部为山区,东北部为平原,西南部为城乡结合部并覆盖部分河流,东南部为城区。

2.外业控制点测量

根据 GeoEye-1卫星影像区域网平差的要求,需要进行外业控制点测量。这里所需的外业控制点测量与常规的航测成图外业控制点测量类似,主要包括选刺点、控制点测量以及相应的点位整饰和点之记等。控制点测量采用网络 RTK,其平面精度为±5 cm,高程精度为 ±10 cm,完全满足采用航测方法生产 1∶10 000、1∶5 000和 1∶2 000地形图的外业控制点量测的规范要求。为了分析不同控制点分布、不同控制点数量情况下区域网平差的精度,所施测的 44个控制点均匀分布于立体像对的重叠区域,并选刺于明显的地物点。

3.区域网平差

(1)平差数学模型

由于成像方式的不同,国内外研究人员已经提出许多不同的成像几何模型。一般情况下,可以将它们大致分为严密几何成像模型和通用几何成像模型两大类。由于信息安全和技术秘密等原因,有些高分辨率卫星的轨道和成像参数信息是不公开的。

TAO C V等人的研究表明,利用属于通用几何成像模型的有理函数模型进行卫星影像的地理定位时,其精度仅次于基于共线方程的严密几何成像模型,甚至在理想情况下也能达到与严密几何成像模型相当的定位精度。因此,本文采用基于有理函数模型的 GeoEye-1卫星影像区域网平差方法[3-4]。

(2)平差方案与精度统计

本文采用中国测绘科学研究院开发的 PixelGrid软件对 GeoEye-1卫星影像进行区域网平差。在本文的试验中设计了若干种不同的定向点布点方案,并用其他的像控点作为检查点来分析区域网平差精度与像控点的数量和分布的关系。通过试验,并对比不同方案的定向点和检查点精度统计结果,证明采用 15个左右的均匀布点方案效果最佳。区域网平差的精度统计结果如表 1所示。

表1 区域网平差精度统计m

根据中华人民共和国国家标准《1∶5 000 1∶10 000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 13990—1992),本文试验得到的结果可以满足1∶5 000地形图的绝对定向后基本定向点残差和多余控制点不符值的规定。

4.立体测图

考虑到卫星遥感的立体像对覆盖范围比较大、数据量较大的特点,在立体测图时选择DPGrid.SLM软件,该软件采用服务器和客户端相结合的测图模式。在服务器端,主要完成定向、定义模型范围,创建和批处理模型,分配任务,输出成果等工作;在客户端,主要完成测图和质量检查工作,与常规的全数字摄影测量工作站测图模块相似。

本文基于所选择的 GeoEye-1立体卫星影像,完成了 1∶2 000内判测图 2幅,1∶5 000、1∶10 000内判测图各 1幅,并提交给外业进行精度检测和调绘。

5.精度检测

近年来,已有许多关于卫星影像成图精度的研究[5-6],但对高分辨率卫星更新大比例尺地形图的研究较少。为了检验 GeoEye-1卫星立体像对的内判测图精度,进行了外业检测点的测量。与外业控制点的测量类似,检测点选择的都是明显地物点,点位均匀分布于测图区域,每张图的外业检测点个数为 100个左右。当测量建筑物时,如有房檐则测量房檐投影到地面点的坐标,而不是测量房基坐标。在外业完成测量检测点工作后,内业技术人员根据外业测量的检测点和内业采集的数据进行统计与分析,统计结果如表 2所示。

表2 外业检测点及精度统计m

根据中华人民共和国国家标准《1∶500 1∶1 000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7930—2008)和《1∶5 000 1∶10 000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 13990—1992),在本次试验中,基于 GeoEye-1卫星立体像对的内判测图不但满足 1∶5 000地形图的精度,甚至能达到 1∶2 000地形图的精度。由此可见,基于 GeoEye-1卫星立体像对进行相关大比例尺地形图的修测能够符合相关规范的精度要求。

6.外业调绘

外业调绘针对前期的 1∶5 000、1∶10 000内判测图成果进行。

(1)试验区情况

试验区内有村庄、河流、山地、机关企事业单位及住宅小区等,大部分为建成区。几条主要道路贯穿整个测区。城区部分高层建筑楼房较多,房屋密集,郊区部分以多层楼房和村落式民居为主,居民地的主要形式为集团式。测区内交通拥挤、楼房树木较多给作业带来了一定的难度。

(2)地形要素处理

①居民地

1)内业绝大多数都可以准确定位,外业一般只需要调绘相应的属性信息即可,只是在房屋的综合取舍方面,不同的作业员会有不同的结果。

2)顶部为深色的或尖顶的楼房,其边线不易判读。作业时需要尽量在现场多量取一些相关距离,以便准确的绘出楼房形状。

②道 路

1)内业只有少部分不能准确定位,主要是因为有云或雾的影响,或者存在立体效果不太好的区域,外业一般调绘道路的属性信息便可。

2)靠近高楼、树底下、路边有绿地及阴影下的线状地物不易判读,如铁丝网、栅栏、围墙、道路边线、沟渠边线等;在影像图上清绘时尽量取与其临近的明显地物距离以便绘出线状地物的准确位置。

③水 系

内业定位都比较准确,外业调绘工作与航空影像相比,几乎没有差别。

④植 被

由于试验区的 GeoEye-1卫星影像目前是全色影像,而由内业确定植被范围的时候,全色影像具有较大的局限性,因而外业调绘工作量会大一些。

⑤独立地物

1)由于卫星影像的空间分辨率相对较低,独立地物中如电线杆、微波、独立厕所、水井、水塔等,内业几乎看不清,往往无法分辨,外业工作量也有一定程度地增加。

2)相对较大的独立地物如烟筒、发射塔、高压杆等也不易判读,尤其是林地中的很难判断其准确位置,作业时需要尽量地参照其周围地物。

(3)小 结

结合外业调绘可得出：

1)由于卫星运行的轨道比较高,一般在 500～1 000 km之间,卫星影像投影差小,高层建筑物的阴影比航空影像短,遮盖也相对较少,这方面有利于外业调绘工作。

2)由于卫星影像的覆盖范围比较大,需要制作专门外业调绘片,这与航空影像的外业调绘有所不同。

3)用于调绘的全色影像图纸不够清晰,不易判断线状地物及独立地物的准确位置。

4)1∶10 000和 1∶5 000两种比例尺在外业调绘的工作上差别较小。

7.内业成图

依据相应的规范,参考外业调绘的成果,在AutoCAD环境下编辑、修改内业采集的地形图数据,并完成 1∶10 000、1∶5 000地形图的制作。

三、生产工艺流程

根据前期的试验结果,确定了基于 GeoEye-1卫星影像进行立体测图的生产工艺流程,如图 1所示。

图 1 基于 GeoEye-1卫星影像的立体测图工艺流程

与航空影像的立体测图相比,卫星影像的立体测图存在一些不同之处。

1)卫星立体像对的覆盖范围远大于航空影像的覆盖范围,在实际测图之前,需要对卫星立体像对进行分幅裁切。如果软件功能支持和配置性能较高的 PC机,也可以考虑采用不裁切而直接测图的模式。

2)由于卫星影像自身的特点,在同一个立体像对中,同一种地物在不同位置的立体效果不尽相同,例如：在有的位置电线杆的立体效果好,便于立体量测,而在有的位置电线杆的立体效果并不太理想,立体量测的时候不能判断电线杆的准确位置,这有可能是因为有的位置还存在一定的上下视差。特别是在有云或雾遮挡的区域,更不利于立体量测。

3)考虑到卫星遥感的立体像对覆盖范围比较大,数据量较大的特点,在立体测图时宜采用服务器和客户端相结合的测图模式,以提高生产效率。

某些研究表明,采用无控制的方法先内判测图后进行矢量重新定向可以实现内外业一体化的生产[7]。但最后进行矢量重新定向有一个明显的缺点,即重定向所采用的参数有限,会导致误差分布不均匀和模型间的拼接误差。本文的研究证明,在基于卫星影像进行内外业一体化测图的过程中,应该先进行严密的区域网平差,直接在目标坐标系下进行立体测图。

四、存在的问题

通过本文的试验,已初步实现了基于 GeoEye-1卫星影像的立体测图生产工艺。但要真正将其应用于实际的生产工作,仍需解决几个问题。

1)性价比,即生产成本问题。目前立体卫星影像的采购成本远高于航空摄影。

2)坐标系问题。在城市测绘生产中往往采用地方坐标系,由于参数的保密问题,目前的软件尚无法直接在地方坐标系下测图,需要对成果进行坐标系转换,既增加了工序,还可能带来误差,从而影响成图精度。

3)航天摄影测量内外业规范问题。目前尚无相关的国家规范,旧规范不适用。

4)相关软件还需进一步完善。

五、结束语

经过十几年来国内外对航天摄影测量的深入研究,其理论已趋于成熟。随着高分辨率商业卫星影像进入市场,迎来了大比例尺航天测图的新时代。本文利用某试验区的 GeoEye-1全色波段 0.5m空间分辨率的卫星影像进行区域网平差试验和地物采集试验,而外业检测点的精度统计表明利用GeoEye-1立体影像能够达到修测 1∶1 0000、1∶5 000甚至 1∶2 000地形图的精度要求,内判测图和外业调绘的成果基本可以满足地形图修测的要求。

随着卫星空间分辨率的逐步提高和相关技术的逐步成熟,利用立体卫星影像进行 1∶2 000地形图的修测甚至新测将成为可能,从而成为基础测绘生产的一种有效的补充手段。在不远的将来,卫星遥感影像测图将会得到越来越多用户的认可,高分辨率卫星遥感影像在地形图测绘中的应用也将越来也广泛,并将成为地理信息数据更新和地形图修测的重要数据源,航天摄影测量替代航空摄影测量进行城市大比例尺地形图更新是一种必然的发展趋势。

[1] 郭海涛.基于卫星遥感影像的单片测图与修测技术的研究[D].郑州：信息工程大学,2002.

[2] 李兵,朱继东,陈艳.采用 IKONOS卫星影像进行立体测图技术的应用研究[J].地理信息世界,2006,4(6)：62-66.

[3] 李德仁,张过,江万寿,等.缺少控制点的 SPOT-5 HRS影像 RPC模型区域网平差[J].武汉大学学报：信息科学版,2006,31(5)：377-381.

[4] 赵利平,刘凤德,李健,等.印度测图卫星 IRS-P5定位精度初步研究[J].遥感信息,2007(2)：28-32.

[5] 丁琼.IKONOS卫星立体像对几何模型解算及三维定位精度分析[D].成都：西南交通大学,2008.

[6] 张过,李德仁,袁修孝,等.卫星遥感影像的区域网平差成图精度 [J].测绘科学技术学报,2006,23(4)：239-241;245.

[7] 夏先丽,韩明,赵俊华,等.利用 IKONOS卫星影像进行内外业一体化测图技术的应用[J].测绘与空间地理信息,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年度国家测绘局青年学术和技术带头人科研计划资助项目(200927)

张海涛(1969—),男,陕西乾县人,教授级高级工程师,主要研究方向为城市测绘。