低空遥感影像的测绘性能研究

李宇昊，刘纯良

(1.国家林业局调查规划设计院，北京 100714； 2.湖北省荆门市林业局，湖北 荆门448001)

低空遥感影像的测绘性能研究

李宇昊1，刘纯良2

(1.国家林业局调查规划设计院，北京 100714； 2.湖北省荆门市林业局，湖北 荆门448001)

低空遥感是一种新型的对地观测技术，在国土监测、城市规划、精准农业、防灾救灾、军事侦查等领域具有重要作用和广泛的应用前景。以山区、丘陵和平原三种不同地形为研究对象，分析低空影像的测绘精度和误差成因，结果表明： ①丘陵和平原平坦地形低空影像的测绘精度可满足一般测绘的要求；山区低空影像的测绘精度较低，可作为背景信息与其它测绘数据结合使用。②低空影像的测绘精度与设备性能有较大关系，其校正精度取决于内、外元素测量仪器的精度和传感器的光学性能。③随着机载惯性系统MU(Inertial Measuring Unit)和高精度定位终端的小型化和性能提高，低空遥感技术将成为中小区域精准调查的重要技术手段。

低空遥感；地形；几何校正；误差

低空遥感一般是指高度在1000m以下的航空遥感[2]。低空遥感系统包括平台系统、传感器系统以及信息处理单元等，运载工具主要为轻型飞机、飞艇、无人飞行器等小型航天器。由于受到运载能力的限制，低空遥感系统多为体积小、重量轻的简易装置，遥感波段以0.39～0.76μm区间的可见光为主。低空遥感设备的姿态、航向、曝光点定位和计时精度较低，一些低空遥感系统甚至没有POS(Position and Orientation System)和MU(Inertial Measuring Unit)惯性测量装置。由于低空遥感不受空域影响，使用灵活、成本较低，在国土监测、精准农业、军事侦查等领域已经得到了广泛应用。本文采用GPS辅助光束法区域网空中三角测量方法[3]，省去地面控制点，对低空影像进行几何校正，计算目标地物的面积和坐标；利用比差法对航测数据和实测数据进行对比分析，直观反映低空影像的测绘精度。

本文对山区、低山丘陵和平原三种地形的低空影像进行定位和测绘精度研究，分析不同地形条件下低空影像的测绘性能和误差成因，提出提高低空影像测绘性能的建议，展望低空遥感技术的应用前景。

1 研究区概况

研究区域选择西北低山丘陵的内蒙古自治区乌海市、华北山区的山西省灵石县和珠江三角洲平原的广东省佛山市顺德区三地进行试验，确保研究结果具有一定代表性。

1.1 内蒙古自治区乌海市(西北低山丘陵)

乌海市地处内蒙古西部，东邻鄂尔多斯高原，西接阿拉善草原，南连银川平原, 北近河套沃野，跨106°36′00″—107°46′14″E，39°10′00″—39°55′00″N，总面积2900km2，平均海拔1150m。地势东西两边高、中间低，中低山地和丘陵区占全市总面积的60%。本文研究的目标地物是乌海市棋盘井矿区域。

1.2 山西省灵石县(华北山区)

灵石县位于太原盆地和临汾盆地之间的隆起地带，四周群山环绕，山峦重迭，山地和丘陵面积占90%以上，距省会太原市150km，北临介休，南接霍州，全县总面积1206km2。本文研究的目标地物是灵石县城区域。

1.3 广东省佛山市顺德区(南部沿海平原)

2 研究方法

采用GPS辅助光束法区域网空中三角测量方法对低空影像进行几何校正，获得低空影像的正射影像，提取地物坐标和面积，与实地测量数据对比，分析低空影像的测绘精度。

2.1 几何校正

使用Erdas Imagine 软件的OrthoBASE模块，采用GPS辅助光束法区域网空中三角测量方法，对低空影像进行正射影像校正，获取像元坐标，具体操作流程见图1所示[4]。

图1 几何校正处理流程图

2.2 定位误差分析

2.2.1 坐标差值

坐标差值计算公式：

考虑到工程施工中预埋套筒与连接钢筋对位时可能出现偏位情况，因此针对该试验选取试件H400-16、H400-16-2和H400-16-4，研究其在偏移距离0 mm、2 mm、4 mm条件下的试件承载力。结果如图13所示。

ΔX,ΔY=X,Y-XC,YC

(1)

式中：ΔX,ΔY为坐标差值，单位为“m”；X,Y为正射投影图像的像元坐标值；XC,YC为地物实测坐标值。

2.2.2 点位误差

点位误差计算公式：

(2)

式中：RS(X,Y)为点位误差(m)；ΔX,ΔY为坐标差值。

2.2.3 像元误差

所谓像元误差，就是以传感器像元为单位表示误差距离。计算公式：

RS(pix)=RS(X,Y)/PW,R

(3)

式中：RS(pix)为像元点位误差；RS(X,Y)为点位误差(m)；PW,R为横向或纵向分辨率。

2.3 面积误差分析

2.3.1 差值

差值计算公式：

ΔS=S-SC

(4)

式中：ΔS为差值；S为小班校正面积；SC为小班实测面积。

2.3.2 相对误差

相对误差计算公式：

SR=ΔS×100/SC

(5)

式中：SR为相对误差；ΔS为面积差值；SC为小班实测面积。

3 影像数据

3.1 联测影像

在内蒙古自治区乌海市棋盘井矿区、山西省灵石县县城、广东省佛山市顺德区德顺广场航拍低空影像225张、145张、150张，见图2所示。

图2 研究区低空影像

3.2 小班影像

选择山西灵石县38号航片、乌海市棋盘井矿区178号航片和广东省佛山市顺德区15与128号影像进行研究，计算和采集三地35个地物点和9个小班的航测数据和实测数据，见图3所示。

图3 研究区的航片、地物点和小班

续图3 研究区的航片、地物点和小班

4 结果分析

4.1 定位误差

4.1.1 内蒙古乌海数据分析

经计算，地物点航测数据与实测数据平均点位误差为9.34m；平均像元误差为63pix；X，Y方向误差平均值分别是6.81 m和5.84m。校正后低空影像的测绘精度基本与手持GPS定位仪相同。结果见表1。

表1 内蒙古乌海棋盘井矿区低空影像定位误差分析地物点实测坐标航测坐标ΔXΔY点位误差/m像元误差/pixXYXY16789734362534678961436252312.0011.0016.281092678947436230367894243622985.004.306.59443678797436241067879443624062.304.004.6131467881743622556788264362249-9.505.3010.88735678832436215467882843621573.70-3.405.02346678671436231267866343623048.007.2010.767276787274362343678714436234712.30-4.1012.97868678686436255767868443625641.70-7.407.5951平均值6.815.849.3463

4.1.2 山西省灵石县数据分析

经计算，地物点航测数据与实测数据平均点位误差为54.52m；平均像元误差为331pix；X，Y方向误差平均值分别是50.82m和-17.18m。航测精度较低，无法满足一般测绘和定位的精度要求。结果见表2。

4.1.3 广东省佛山市顺德区数据分析

经计算，低空影像平均点位误差为17.02m；X方向平均误差为-11.20m，Y方向平均误差10.60m，最大差值36.71m，最小差值5.00m；平均像元误差103pix。影像之间的误差波动较大，影像质量不稳定，像元误差整体偏大。结果见表3。

4.2 面积误差

4.2.1 内蒙古乌海市小班面积精度

经计算，3个小班的面积相对误差平均值为7.22%，产生误差的原因是由于勾绘实测和航测小班边界线不一致造成的，其中1小班航测面积小于实测面积，2和3小班航测面积大于实测面积，且面积相对误差变化无明显规律。结果见表4。

表2 山西省灵石县低空影像定位误差分析地物点实测坐标航测坐标ΔXΔY点位误差/m像元误差/pixXYXY15675984078519567665407848867.00-31.00 73.8244925675224078808567574407879752.00-11.0053.1532335677854079005567831407898046.00-25.0052.3531845678124078758567831407875119.00-7.0020.2512355679384078513567986407850648.00-7.0048.5129565681964078962568288407893392.00-29.0096.4658675682904078492568380407844390.00-49.00102.4762385677404078683567761407867821.00-5.0021.5913195678334078613567843407860210.00-11.0014.8790105679054078968567955407895350.00-15.0052.20317115680124078528568076407852964.001.0064.01389平均值50.82-17.1854.52331

表3 广东省佛山市顺德区低空影像定位误差分析小班号地物点实测坐标航测坐标差值/m点位误差/m像元误差/pixXYXYΔXΔY1173510325235307350972523541-6.0011.0012.5376273510725235177351052523527-2.0010.0010.2062373502225234887350142523476-8.00-12.0014.4288473501725235027350072523489-10.00-13.0016.401002173537125232107353572523208-14.00-2.0014.1486273525325233257352372523322-16.00-3.0016.2899373529825233517352872523352-11.001.0011.0567473532525232207353042523222-21.002.0021.101283173430625251287342982525117-8.00-11.0013.6083273431925251107343072525099-12.00-11.0016.2898373427325250787342642525078-9.000.009.0055473426025250957342552525095-5.000.005.00304173443825253517344292525321-9.00-30.0031.32190273445825253227344402525290-18.00-32.0036.72223373441425252927343942525275-20.00-17.0026.25159473439425253217343842525306-10.00-15.0018.03110平均值-11.2010.6017.02103

表4 内蒙古乌海市棋盘井低空影像面积误差分析小班号实测面积/m2航测面积/m2差值/m2相对误差/%相对误差平均值/%13192.03055.0-137.004.2921967.02134.0167.008.497.2232130.02319.0189.008.87

4.2.2 山西省灵石县小班面积精度

经计算，2个小班面积相对误差平均值为15.08%，其中1小班面积相对误差为23.10%，2小班面积相对误差为7.00%，可见山区地形的面积相对误差远大于平原地区的。结果见表5。

4.2.3 广东省佛山市顺德区小班面积精度

经计算，小班面积相对误差为±3.39%,最大误差为5.24%，最小误差为-1.34%。地势平坦地区的低空影像的面积测量精度小于±5% 。结果见表5。

表5 山西省灵石县、广东省佛山市顺德区低空影像面积误差分析区域小班号实测面积/m2航测面积/m2差值/m2差值平均值/m2相对误差/%相对误差平均值/%山西省灵石县113006.516008.03001.5023.1015.082127063.5136068.09004.507.0011642.01728.086.005.24广东省佛山市顺德区26193.06110.0-83.00±71.63-1.34±3.3931237.01263.026.002.1041883.01791.5-91.50-4.86

5 结论

1) 平原和低山丘陵低空影像的平均点位误差分别为17.02m和9.34m，可以满足城市规划、国土资源调查的测量和制图要求。山区低空影像的平均点位误差为54.52m，最大误差达到102.47m，最小误差为14.87m，影像组间误差波动较大，无法准确定位，需参照地形图和其它测绘数据进行定位。

2) 内蒙古棋盘井(低山丘陵)面积相对误差平均值为7.22%、山西省灵石县(山区)面积相对误差平均值为15.08%、广东省佛山市顺德区(平原)面积相对误差平均值为3.39%。平原区面积测量相对误差较小，最小值为-1.34%，山区面积相对误差较大，最大值为23.10%。在目前设备条件下，低空影像还无法满足一般测绘要求，但是能够满足平原和低山丘陵地区测绘调查工作的需要。

3) 产生误差的主要原因， 一是外方位元素精度只有0.1°,而几何校正需要的MU控制精度一般为0.01°，应采用更精密的设备，提高外方位元素精度，减小几何校正误差； 二是研究使用的GPS定位精度仅为5m，造成曝光点定位误差，应使用动态差分GPS，将定位精度提高到厘米级； 三是传感器光学镜头畸变，降低了影像质量，加上无镜头畸变校正数据，造成几何校正不准确。采用专业航空量测摄影机，可以规范影像数据。

4) 尽管目前低空影像受到硬件设备性能的限制，测绘性能有待提高，但是，随着数字航空摄影设备的不断小型化和高精度动态定位终端的应用，低空遥感技术将不断完善，尤其是利用GPS获取摄站三维坐标，实现辅助空中三角测量，可大量减少航测外业作业甚至完全免去地面控制点[5]，MU/GPS辅助航测技术，可节约大量像控点测量时间[6]，极大地提高低空遥感的实际应用价值。此外，低空影像分辨率可到厘米级，易于判读，是开展中小区域精准调查的有效技术手段。

[1] 李英成,赵继成,丁晓波.超轻型飞机低空数码遥感系统用于土地资源信息获取[J].应用技术，2005,(4):51.

[2] 周应群,陈士林,赵润怀,等.低空遥感技术在中药资源可持续利用中的应用讨论[J].中国中医药杂志，2008,33(8):977-979.

[3] 王佩军,徐亚明,等.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005:94.

[4] 党安荣,王晓栋,陈晓峰,等.ERDAS IMAGINE遥感图像处理方法[M].北京:清华大学出版社,2003:136.

[5] 王佩军,徐亚明,等.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005:144.

[6] 胡震天,黄炳强,王文瑞.基于IMU/DGPS辅助航测技术的大比例尺地形图测绘的应用研究[J].城市勘测，2009，(2):103-105.

ResearchonMappingandForestryInvestigationPerformingofLowAltitudeRemoteSensingImages

LI Yuhao1, LIU Chunliang2

(1.Academy of Forest Inventory and Planning, SFA ,Beijing 100714，China； 2.Forestry Bureau of Jingmen in Hubei Province， Jingmen 448001, Hubei ,China)

low altitude remote sensing；topographic；geometry correction；inaccuracy

2012-03-20

2012-04-10

李宇昊(1969-)，男，硕士研究生，工程师，从事森林资源调查和林业遥感。

TP79

A

1003-6075(2012)02-0018-06

Abstyact： Low altitude remote sensing, as a new observation technique of landscape with significant prospect and application potentials, can be implemented in national geographic survey, urban planning, precision agriculture, natural disaster prevention and rescue, military detection and etc. This thesis focused on the analysis of the mapping precision and the formation of biases through the study of mountainous regions, hills and plains. The result indicated that ①the mapping precision of the images generated at low altitude of hills and plains can meet the requirements of survey; while the mountainous regions produced low precision rate images, which can be merged with other survey data as back ground information.②The mapping precision of low altitude image relied significantly on the performance of equipment. The accuracy in calibration depends on the precision of internal and external surveying equipment and the optical performance of sensors.③With the installation of MU(Inertial Measuring Unit)and miniaturization and performance enhancement of high precision Terminal Position Location System, low altitude surveying will become an important technique in precision survey.