基于高分辨率卫星影像测制高寒无人山区铁路地形图技术研究

2016-12-30卢建康

铁道勘察 2016年6期

关键词：高分辨率控制点高程

王义卢建康梅熙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610083)

基于高分辨率卫星影像测制高寒无人山区铁路地形图技术研究

王义卢建康梅熙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610083)

收集GeoEye、Worldview卫星影像立体像对进行制图研究，分析其技术特点及对高寒无人区铁路制图的适应性，选择有代表性的地段开展理论和实验研究。通过精度统计分析得出：基于GeoEye、Worldview卫星影像立体像对，在无像控条件下，满足1∶10 000制图精度，少量控制点满足1∶2 000制图精度。

GeoEye Worldview 区域网平差

川藏铁路横跨西藏和四川两省区，所经区域大部分都是高山地区，自然环境恶劣，气象和交通条件较差，森林覆盖率较大，地形地貌极其复杂，部分地段靠近国境或实际控制线。考虑选线的需求，需要摄影的范围很大，常规摄影测量很难满足要求。

使用高分辨率卫星立体影像测绘地形图具有明显的技术优势，如影像获取不受国境线及地面条件等因素的制约，高分辨率卫星影像几何分辨率较高。为此，本项目结合川藏铁路勘测设计，开展“基于高分辨率卫星影像测制高寒无人山区铁路地形图技术研究”。

1 无控自由网平差方法研究

1.1 卫星影像预处理

购买的WorldView、GeoEye卫星影像为16 bit，数据量较大，影像公司往往将1景影像裁剪为多块，但对应的卫星影像RPC参数只有1个，为方便后续定向处理，必须将影像进行合并。合并方法较多，本项目采用Erdas输入影像模块将影像合并，通过该方法合并的影像无错缝，接边处影像色调一致，从而保证了后续定向精度的可靠性。图1为Erdas输入WorldView影像进行合并的过程。GeoEye卫星影像合并方法与WorldView一致。

图1 分块影像合并

合并后的影像仍为16 bit，JX4和MapMatrix等测图工作站无法识别16 bit的影像，必须对影像作降位处理。可以直接利用Erdas的Rescale模块或者Photoshop将影像降为8 bit。降位后影像几何精度不变，但数据量减少一半，方便测图工作站快速打开影像，实施漫游测图。

对降位后的影像作灰度拉伸，将地形及地物要素显示出来，对粗调的灰度曲线作精细人工调整，以保证立体像对的两幅影像在反差上尽量一致，通过提高亮度和对比度，增强人眼辨识度。

1.2 创建工程及像点自动匹配

RPC参数文件中详细说明了影像中心点地理坐标，分别为经纬度及大地高，影像的行列号以像素为单位，物方与像方坐标转换过程有80个有理函数系数，10个为正则化参数。通过定向或者空三加密，可以求出任意像点坐标的大地坐标。

利用ERDAS的IMAGINE Photogrammetry软件分别对WorldView、GeoEye卫星影像作空三处理，新建工程。卫星模型分别选择WorldView、GeoEye，设置测图坐标系中央子午线及投影方式(如图2)。

图2 WorldView卫星模型选择

加载卫星影像，选择与影像匹配的RPC地理定位数据，通过Compute Pyramids and Statistics模块批量建立金字塔影像，并设置匹配策略，匹配点的个数设置为整幅影像点的1/10，立体像对自动匹配连接点。匹配完成后，剔除大于1个像素的粗差点，缺点处适当补充人工点，调整上下视差，使其符合限差要求。图3为WorldView卫星影像自动匹配后立体像对连接点示意。

图3 WorldView自动匹配连接点示意

1.3 像点残差统计

WorldView卫星影像自动匹配，剔除粗差后像点的精度报告如表1。

表1 WorldView像点残差报告

从表1可见，在全自动匹配情况下，无人工干预，连接点分布均匀，匹配较好，无上下视差，证明前后视角影像姿态都较稳定，可以用于后续测图工作。GeoEye卫星影像立体像对匹配结果与WorldView匹配结果类似。

1.4 无像控条件下模型绝对坐标统计

在无控制点条件下，完成了自由网平差、定向建模，将外业控制点及航片测制的1∶2 000地形图导入矢量测图窗口，映射至立体模型，进行精度统计及评定。表2中WorldView-1简称wv1，GeoEye简称GEy。无控自由网情况下必须作高程异常改正，本测区为林芝地区，覆盖范围较小，高程异常取平均值-31 m。

不量测像控下WorldView、GeoEye卫星影像立体模型与航片测制1∶2 000图地物平面比较如表2。

WorldView、GeoEye卫星影像立体模型与外业控制点高程值比较如表3。

从表2、表3统计的精度可见，在无像控条件下，WorldView立体模型点与1∶2 000图控制点比较平面中误差为1 m，高程中误差为4.4 m，GeoEye立体模型点平面中误差为2.8 m，高程中误差为2.5 m。

2 少量控制条件下区域网空三加密研究

2.1 控制点分布情况

在前期自由网完成后，量测外业像控点，1个WorldView-1、GeoEye-1立体像对分别量测了6个控制点，设置平差权重，剔除像点粗差，完成区域网平差，

表2 WorldView、GeoEye立体模型点与1∶2 000图平面精度比较

表3 WorldView、GeoEye立体模型点与控制点高程比较 m

图4 WorldView-1立体

解算所有连接点的大地坐标，输出纠正后的RPC参数。图4为 WorldView-1立体像对控制点分布。图5为GeoEye-1立体像对控制点分布。

图5 GeoEye-1立体

2.2 少量像控条件下卫星影像成图精度统计

在JX4测图工作站恢复立体模型，并完成精度统计。6个控制点下，1个WorldView-1、2个GeoEye-1像对与航片测制1∶2 000图地物平面比较如表4。

量测6个控制点条件下，1个WorldView-1、2个GeoEye-1像对立体模型与航片测制1∶2 000图高程点精度比较如表5。

从表4、表5可见，在量测6个控制点的前提下，WorldView-1立体模型与1∶2 000图比较平面中误差为1.2 m，高程中误差为0.8 m。GeoEye-1立体模型与1∶2 000图比较平面中误差为1.1 m，高程中误差为0.9 m。

表4 WorldView、GeoEye立体模型与1∶2 000图地物平面比较

表5 WorldView、GeoEye立体模型与1∶2 000图地物高程比较 m

3 结论

本项目研究无像控条件下，分别对GeoEye及WorldView立体像对作自动匹配、自由网平差解算以及高程作异常改正，建立模型，统计成果精度，平面、高程中误差优于5 m，满足规范1∶10 000制图精度要求。并深入研究基于多个立体像对空三加密方法，通过增加旁向连接点，并采用区域网平差的方法，利用6个外业像控点完成了2个GeoEye-1立体像对、1个WorldView立体像对空三加密工作并统计成果精度，平面中误差优于1.2 m，高程中误差优于0.9 m，基本满足规范1∶2 000制图精度要求。

川藏铁路由于其地势复杂，环境、气候条件恶劣，航空摄影、外业像片控制测量及后续的制图等工作非常困难，通过该项目研究，利用高分辨率卫星影像WorldView-1、GeoEye-1测制高寒无人区大比例尺地形图成为可能，值得推广应用。

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