城市国土空间监测数字正射影像生产技术研究与探索

郑伟安 孟大鹏 王秀元

1.山东省国土测绘院 山东 济南 250013

2.山东省第一地质矿产勘查院 山东 济南 250013

3.山东省地质科学研究院 山东 济南 250013

1 引言

为全面掌握自然资源和人文地理要素的类型、面积、范围、分布和变化情况，支撑国土空间规划编制和监督，城市体检评估和用途管制等国土空间治理工作[1]，2022年自然资源部启动了城市国土空间监测工作，要求以2021年度国土变更调查成果为底图，以收集到的专题资料为指引，使用最新、最优遥感影像，利用多种技术手段，结合实地调查方式，确定国土空间监测对象的位置、范围和属性。根据技术方案要求，监测采用现势性为2022年的优于1米分辨率的数字正射影像，类型包括卫星影像、航空影像等。由各作业单位根据实际情况，综合分析影像分辨率、时相等因素，选取效果最佳，更加适合城市地理空间监测的数字正射影像作为2022年城市国土空间监测的影像成果数据源，按相关技术要求生产完成后，形成符合监测要求的正射影像（DOM）成果。

2 监测数字正射影像生产

2.1 技术指标及要求

根据国家技术方案要求，影像成果可按整景、1:10000标准分幅和县域三种方式中的一种方式提交，根据往年经验结合现有数据情况及方便 生产原则，本年度数字正射影像成果按1:10000DOM标准分幅成果提交，提交内容由数字正射影像文件、记录影像地理坐标信息的影像信息文件、记录影像投影信息的投影信息文件、元数据文件及金字塔数据五部分组成[2]，以标准分幅为单元进行组织、存储、汇交。影像成果平面坐标采用2000国家大地坐标系（CGCS2000），高斯-克吕格投影，3°分带。影像投影信息文件和元数据均为XML格式，按图幅为单元制作。

2.2 总体技术路线

以2022年省级基础测绘0.2m分辨率1:2000 比例尺DOM、0.5m分辨率1:10000 比例尺DOM数据为数据源，经过影像分幅裁切、镶嵌接边、接边影像分幅等工序完成符合技术要求的1:10000比例尺标准分幅数字正射影像制作。技术流程图见图1。

图1 DOM生产流程图

2.2.1 资料收集与分析

根据山东省影像数据源情况，已经处理完成了现势性为2022年4-6月份的6.4万km21:2000标准分幅0.2m分辨率航空数字正射影像和9.4万km21:10000标准分幅0.5m分辨率卫星数字正射影像，该成果已通过验收，符合精度要求，可作为数据源直接使用。收集完成后根据分别按38、39、40、41四个分带号进行整理存放。为确保原始数据存储安全和数据读取效率，一般选取一块8T硬盘作为该项目的专用盘进行操作。数据按分带号整理后，需使用1:2000DOM成果结合表对照全省1:10000正射影像结合表进行分析，对于相邻分带处存在1:10000DOM图幅不满幅的情况，需将另一相邻分带1:2000DOM成果在ARCGIS软件进行坐标换带后，放入相应的分带号文件夹内，以备后续裁切工作使用。相邻分带间影像接边也可在分幅裁切后，使用PHOTOSHOP软件手动进行接边处理。

2.2.2 影像分幅裁切

数字正射影像的裁切是城市国土空间监测数字正射影像制作的关键一步。影像按GB/T13989规定的图幅内图廓线最小外接距形向四边扩展图上10mm[3]，即实地100m的距形进行裁切。为制作完成全省1:10000DOM图廓，基于C#语言专门开发了相关工具，基于图幅标准内图廓线自动生产正射影像图廓。图幅标准内图廓根据经纬度由软件自动生成，制作正射影像图廓前，需将不同分带的内图廓根据带号进行重投影，投影生成平面坐标系。然后由程序逐图幅读取内图廓四角坐标，然后取X、Y的极大或极小值后，除以影像分辨率后取整，再乘以分辨率，作为正射影像起始和终止坐标，最终生成符合规范要求的正射影像图廓。由于正射影像图廓坐标与影像分辨率相关，因此不同分辨率正射影像的标准图廓坐标值不同，当影像分辨率不同时，正射影像的标准图廓不是通用的，需要根据分辨率重新生成。

影像分幅裁切使用航天远景软件公司的DEMX软件进行，该软件支持一次性处理海量影像的自动化裁切任务，中间不需人工干预。首先在DEMX软件下按分带导入1:2000分幅数字正射影像，然后导入1:10000DOM标准图廓，根据导入影像范围选择后DOM标准图廓并设置好裁切参数后，根据DOM图廓和图廓内图号自动化进行影像裁切，生成的影像名称和图号一致，格式为GeoTiff+TFW。DEMX软件可识别的1:10000DOM标准图廓格式为DXF格式，需在Arcgis软件下新建一个*.mdb格式文件，将DOM图廓（shp格式）导入mdb文件，将图号进行标注，将标注转换为注记后，使用要素转CAD命令将图廓和注记导出dxf数据，这时dxf数据仍不能导入DEMX软件，需要使用GlobleMapper软件将dxf数据另存为dxf格式后，才能导入DEMX软件。

DEMX软件裁切的正射影像格式为GeoTiff格式，需使用PHOTOSHOP软件的另存功能转成TIF格式。部分省界外及海域影像存在不满幅情况，这些图幅的无数据区域，DEMX分幅裁切后为白色，按照技术要求，需在PHOTOSHOP软件中，使用魔棒工具进行选择并填充为黑色（RGB值为：0，0，0）。

2.2.3 影像接边

1:10000比例尺数字正射影像标准分幅裁切完成后，对航空数字正射影像和卫星数字正射影像进行接边处理。不同分辨率、不同数据源数字正射影像的接边工作量大，工作复杂。通过成果结合表对0.2m航空和0.5m航天数字正射影像重叠区域进行分析，根据重叠区域选取接边图幅进行接边。重叠区域满幅的0.2m航天数字正射影像应直接使用，不需作接边处理。

根据项目要求，接边时，需要将接边图幅的0.2m分辨率影像重采样成0.5m分辨率数字正射影像，由于0.5m分辨率正射影像和0.2m分辨率正射影像的图廓坐标不一致，因此不能将裁切后0.2m分辨率的接边图幅直接重采样后进行接边，而是在进行影像裁切之前就要确定0.2m分辨率1:10000分幅航空数字正射影像和需要重采样成0.5m分辨率1:10000分幅航空数字正射影像的具体图幅，并使用标准DOM图廓后分别进行裁切。由于DEMX软件导入数据需要时间较长，同一分带影像数据导入后，裁切生成0.2m分辨率1:10000分幅正射影像后，再导入0.5m分辨率1:10000DOM分幅图廓进行分幅裁切，生成0.5m分辨率1:10000分幅正射影像，可节约大量影像数据导入时间。

影像接边时，如涉及接边数据量过大，可分多个区域进行镶嵌接边处理。接边时，如果涉及数据量较大一般采用Orthovista软件建立接边工程，通过软件的镶嵌线自动计算功能生成镶嵌线后，再通过对镶嵌线的人工编辑进行镶嵌接边，使用Orthovista软件接边时，需要确保两侧接边图幅范围不能完全一致，否则软件无法准确计算镶嵌线。数据量较小则可使用PHOTOSHOP软件直接进行接边。接边完成后，使用DEMX软件对影像重新进行分幅裁切，制作生成1:10000标准图幅DOM成果。

2.2.4 元数据制作及数据组织

元数据是对数据成果的描述性数据，包括数据名称，坐标系统、数据范围、数据源情况、数据精度、现势性、生产时间等。影像元数据属性项高达98项且每年都会根据实际需求变更，人工填写制作耗时耗力且容易出现填写错误，为此专门基于C#语言开发了城市国土空间监测影像元数据生产程序，该程序科学高效，具备可定制性，能够快速准确的完成元数据制作任务，较人工制作元数据，可节约工作量100多人天。

制作正射影像元数据需要收集数据生产中的相关数据，主要为各作业区的数据源情况。因此，在数据源影像生产工序，就必须提前谋划，要求各作业单位按照监测影像生产的技术要求，制作数字正射影像空三加密结图表，填写航摄仪、航摄时间、摄区代号、焦距、空三报告精度等相关信息。卫星影像生产时，保留好镶嵌线及相关内部属性，作为后期城市国土空间监测影像成果元数据和生产元数据填写的主要资料。

正射影像接边完成后，需将空三加密结图表根据接边后影像进行编辑，并同卫星影像镶嵌线进行了擦除、合并、编辑等处理后形成了完整无缝的全省数字正射影像镶嵌线成果。然后采用Arcgis软件的空间连接功能使用影像镶嵌线成果对全省1:10000监测DOM结合表进行空间属性挂接，将镶嵌线属性挂接到以图幅为单位的DOM结合表中，最终整理成元数据生产需要的字段和属性。元数据制作程序通过读写DOM结合表中的字段属性信息实现元数据生产的自动化，部分固定属性值可在程序中进行设定。

影像生产部门需要向下一工序提供影像数据，同时也需提交以标准分幅的影像镶嵌线成果，作为监测成果生产元数据的数据源。监测成果的生产元数据中对于影像的描述信息主要包括影像的标识符、现势性和数据源类型等，本项目的影像标识符同影像裁切方式相关，和影像的图号一致。生产元数据是无缝非重叠的，需要使用处理后的镶嵌线成果对涉及到的1:10000标准内图廓进行分割、合并、属性挂接等处理后，形成的最终成果提供给生产作业单位用于生产元数据制作使用，该项工作提高了生产作业单位的生产效率和生产元数据填写的准确性。

在数据的组织方面，成果是以标准分幅为单元进行组织、存储、汇交。成果除数据本身外，还包括元数据、影像投影信息文件和金字塔数据。

我们根据影像成果标准分幅结合表提供的图号信息，建立*.bat文件，实现文件夹的自动建立，投影信息的自动制作和数据的组织。具体步骤为建立一个txt文件，在其文档内编写批处理命令后，将其扩展名改为bat，双击即可执行相关操作。

例如，根据图号建立文件夹，可使用下列命令：

MD E:DOMJ50G096087

MD E:DOMJ50G096088

……

相同分带投影信息文件是相同的，可根据图幅所在分带，使用COPY命令制作分幅影像的投影信息文件，如：

COPY 源路径39.XML 目标路径J50G096087P.XML

其中39.XML为带号39的投影信息文件，J50G096087P.XML为图号J50G096087的影像投影信息文件，P代表投影。

影像成果的数据整理，需要使用MOVE命令，将制作好的影像、坐标文件、元数据、投影信息文件和金字塔数据放入到以图号为组织单元的文件夹内，如MOVE 源路径J50G096087P.XML 目标路径 J50G096087上面命令是将J50G096087的投影信息文件移动到目标路径下的J50G096087文件夹内。

3 经验与建议

城市国土空间监测数字正射影像生产时间紧、任务重、要求高。必须在项目数据采集任务开始前完成全部影像数据的生产工作，以便一次性提供给作业单位。为确保各项工作科学有序开展，一是要提前谋划，提前收集好需要的数据资料，并根据数据量大小，安排好专门的存储设备，为确保生产效率，一些比如影像分幅裁切等自动化程度高、耗时较多的工序尽可能利用好下班后、周末等时间上软件自动完成，上班时间主要用来处理影像接边、元数据制作等需人工干预的工序。二是项目开展前要考虑到前后工序的衔接，需要上工序提供的数据，如卫星影像镶嵌线和空三结合表等要提前制定好模板，要求作业单位按统一格式提交，否则如果没有保留相关数据，会给影像生产造成很大被动，向下工序提交成果时，除应提交的影像成果外，也要提交经过处理后的镶嵌线成果，方便下工序生产作业。