利用高分辨率卫片进行地形图修测

摘 要：利用高分辨率的Quick Bird卫星进行卫片的几何精纠正，以地势平坦、地物密集的辽工大校区作为试验区，采用Quick Bird全色和多光谱融合遥感影像，利用最新的1：500地形图选取地面控制点（GCP），采用多项式模型进行纠正，几何纠正后的影像平面坐标绝对误差精度均方根0.345米，将纠正后的卫片作为矢量图采集的参考，并与原有的矢量图进行比较，从单点实体精度到线实体的精度，给出定性定量的误差分析和精度报告。从以上处理过程中总结出高分辨率卫片的成图比例尺最大可以完成为1：2000的地形图更新。这项研究可以作为高分辨率卫片对城市基础地理信息数据实时更新要求的依据，具有实际生产意义。
关键词：快鸟分辨率融合几何精纠正中误差地面控制点
一、引言

(一)选题的背景、研究意义及目标

航天遥感技术在近一二十年内取得了突飞猛进的发展，在近几年内将会出现一个新的。未来的卫星遥感计划将近可能地集多种传感器、多级分辨率、多谱段和多时相于一身，将以更快的速度、更高的精度和更大的信息量为GIS提供更高空间分辨率和更高光谱分辨率的各类数据。目前，1999年9月24日发射成功的美国IKONOS卫星是世界上第一颗提供高分辨率卫星的商业卫星，卫星的分辨率达到1米。2001年10月18日发射成功的美国Quick Bird卫星的分辨率全色影像可达0.61米、多光谱

2.44米，今年年底分辨率可达27cm的IKONOS2卫星也即将升空。

(二)本文研究的意义

社会的迅速发展要求测绘部门能够快速准确的对基础地理信息数据（信息）进行更新，但传统的测绘技术方法无法满足此要求，而高分辨率遥感卫星的出现给我们提供了解决这一问题的新途径。
由于高分辨率卫星是最近几年的才发展起来的，对高分辨率卫片的在测绘方面的应用还处于探索研究之中，国家没有统一的标准，各个生产部门进行生产依据是经验，因此非常有必要研究高分辨遥感影像测图的规律，为规范的制定提供科学依据。

(三)本文研究的目标

a.高分辨率遥感影像的质量评定
高分辨率遥感影像的分辨率和精度虽然很高，但是我们得到的影像到底成像质量如何，我们该如何评定，需要有一套科学的评价方法，此项研究的目标是探索影像质量评定方法，对影像质量进行评价，指导生产。
b.高分辨率遥感影像地形修测图的精度评定
采用实际测图成果与影像测图成果进行比较和误差分析，分析误差原因，对分析结果进行总结,并提出更新地形图宜采取的技术路线。

二、研究的技术路线

本文研究技术路线为：先获取高分辨率卫片，然后对卫片进行融合处理，再对卫片几何精纠正，接下来在CAD下基于影像的矢量化，最后将矢量化好的影像与原矢量化地图进行精度比较分析。

三、实验数据处理

(一)高分辨率卫片

a.卫片基本情况
本次使用的实验数据是快鸟标准产品，单张全色卫片和多光谱卫片，卫片获取区域是辽宁省阜新市区；卫片获取时间：美国时间2003年1月7日，02时38分；地面采样分辨率0.636米，WGS-84参考椭球，横轴墨卡托投影；sunAz=159.672;sunEl=2

3.0839；satAz=100.283; satEl=76.8726。

b.参考数字地图的基本情况数据来源：阜新规划设计院数据获取时间：2002年 航飞比例尺：1：500投影方式：高斯—克吕格投影子午线：121度30分面积：1平方公里

(二)卫片的分辨率融合

分辨率融合（Resolution Merge）是对不同空间分辨率遥感图像的融合处理，使处理后的遥感图像既具有较好的空间分辨率，又具有多光谱性，从而达到图像增强的目的。图像分辨率融合的关键是融合前两幅图像的配准以及处理过程中融合方法的选择，只有将不同空间分辨率的图像精确地进行配准，才能得到满意的融合效果；而对于融合方法的选择，则取决于被融图像的特征以及融合的目的，同时，需要对融合方法的原理有正确的认识。
本次实验用到的全色和多光谱卫片是快鸟卫星同时成像具有相同的坐标关系和时间关系所以不需要配准，实验选用的融合方法是主成份变换法（PCA,Principal Component Analysis）。主成分变换融合是建立在图像统计特征基础上的多维线性变换，具有方差信息浓缩、数据量压缩的作用，可以更准确的揭示多波段数据结构内部的遥感信息，常常是以高分辨率数据代替多波段数据变换以后的第一主成分来达到融合的目的。具体过程是：首先对输入的多波段遥感数据进行主成分变换，然后以高空间分辨率遥感上数据代替变换以后的第一主成分，最后再进行主成分逆变换，生成具有高空间分辨率的多波段融合图像。
融合可以利用ERDAS遥感软件，具体的步骤见下：
图1：Resolution Merge对话框

(三)卫片的几何精纠正

几何粗校正是针对引起几何畸变的原因而进行的校正。例如：纠正陆地卫星MSS图像由于扫描同时受到地球自转影响而产生的偏斜。以及由于显著的地形起伏造成的随地而异的几何偏差；而利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正，也成为图像坐标转换或称空间变换。在快鸟卫片的元数据里提供的RPC文件为用户提供了用于粗校正的各种参数，主要是用于校正内、外方位元素，运用图像处理软件就可以消除。几何粗校正可在一定程度上校正各种因素引起的畸变，但仍然存在有较大数量级的误差，这使它仅能适应定性分析工作。定量分析是人们更感兴趣的，地理制图、土地利用调查、森林资源清查、海岸带测量等需要更为准确的卫星影像，这就必须进行几何精校正。几何精校正综合了所有因素（而不是逐一考虑的）造成的几何畸变，可获得高精度的可提供定量分析用的数字图像。
几何精纠正是利用地面控制点进行的，它通过地理控制点数据对原始卫星图像的几何畸变过程进行数学模拟，建立原始的畸变图像空间与地理制图用的标准空间（亦即校正空间）之间的某种对应关系，然后利用这种对应关系把畸变图像空间中的全部元素变换到校正图像空间中去，从而实现几何精校正。几何纠正的过程也可以在ERDAS软件中去实现，在这里就不做重点介绍，重点讲的是几何纠正完的卫片的几何精度。
图2：采集完的控制点坐标表

(四)校正的精度检验

为了检验几何纠正后的卫片的几何精度究竟怎样，在纠正后的影像上均匀选取6个检查点
图3：采集完的检查点坐标表
我们用单个检查点的中误差公式计算出总的中误差
，由于检查点和控制点均来自1：500数字地形图，因此
从检查点的精度看已达到1：2000地形图测图的精度，说明纠正后的影像具有良好的内部几何精度。但这只是从理论上的验证，下面从实际生产过程中来检验理论的可行性。

(五)CAD下基于影像的矢量化

（1）公寓区的楼房，由于公寓区的楼房多是高度在6层以上的，房屋的结构和纹理多是水泥材料，而且经过粉刷，所以成像效果很好，但也因为高度的原因导致了有较大的倾斜角，此种成像特点的结果是房顶的边界线清晰可见，房高造成一侧可见房屋的角点，在此处我们选择房顶的边界线来矢量化。
（2）家属区的楼房

摘自：硕士论文开题报告www.udooo.com

，家属区的楼房建造的年限较早，建筑的结构、材料和纹理也是以砖房居多，年头较久，色调灰暗，而且楼高也不是太高，这种房屋成像后只能看清房顶的边界线而看不清房屋角点，这样的时候我们只能选择房顶边界线来矢量化，不过由于房高不算太高，倾角也不算太高，也可以认为于实地位置相差不多。
（3）食堂区，这个地方多是一，二层的矮房屋，倾斜的影响不大，但地物较繁杂，而且面积较小，所以不宜看清，轮廓也就难判断。尽量选择看清轮廓的地物进行矢量化。
（4）煤厂附近的家属楼，因为空气的浑浊，所以影响了成像质量，虽然也是6层以上的楼，但房顶的边界线没有公寓区清晰。我们依然选择房顶边界线矢量化。
（5）东西走向的八一路，这条路可分为两部分来看，首先是北边的路基线基本可以看清，基本的意思是说由于树木的遮挡不能确定路基线的位置，但根据八一路与人民大街的交汇出可以看清路基线，便能够确定八一路的路基线；南边的路基线因为有楼房的遮挡，有阴影的存在，所以不好分辨。用与北边同样的方法找到人民大街与八一路的交汇，在根据南边路基线周围的影像象素特征也可以判断出来。
（6）公寓区的路边线，也是被公寓楼挡住的一面看不到，煤厂附近的路边线也看不清。
其他地物像井，路灯，花坛，独立树，烟囱等均看不清，所以不进行数字化。
图4：基于影像矢量化完的图

四、实验数据分析

我们在影像图上选取了500*500大小的区域，对照原矢量图选了114个点，并对应的在原矢量图的同名相点也取了这114个点。下面就看一下这114组点位的精度比较表（只取之中一部分）
图5：点位精度比较表
#84是引起我们注意的几个大误差点之一，它位于煤厂东侧的留学生楼，因为楼房的年头较久，纹理与地面近似、空气浑浊影响了点

源于：查抄袭率毕业论文理工www.udooo.com

位的选取，造成了较大的误差，由于它的成因我们可以把它作为粗差去掉而不影响精度的评定。类似这样的点还有两个，都去掉，最后参加精度评定的点是111个。
图6：大误差点位显示
这些电的精度出来后可能与设想的高分辨率卫片成图的精度相差很远，但不要忘记在选取点位时，只有#85，#86是在地面上的点，而其他109点都是取自于有高度的楼房上，而不是取自楼角点，所以要进行高程改正。
以上两幅表是进行高程纠正前后的精度比较，可以明显的看出进行过高程纠正的精度大大的提高了，完全可以满足1：2000修测图的要求。
由以上的考虑中得到一个新的结论那就是对于比较高的地物，或地型起伏较大的地区如果没有DEM的纠正，则应该考虑卫星高度角和方位角的因素。它们与改正点之间的关系是：
θ为卫星高度角α为卫星水平角h为楼房高度
图7：线精度比较表

五、主要结论及建议

1）点和线的精度报告说明了影像图基本达到了1：2000的精度标准，但需要注意的几点是在点位的选取上是个经验和锻炼的事，因为选取的点有没有代表性，点位本身的中误差如何，都是需要考虑进去的问题；2）对高分辨率卫片，以多项式方法进行的几何精纠正，是可行的，比较高精度的，本次几何精纠正后得到的卫片检查点总RMS误差为0.420米，运用公式得到的实际中误差为0.345米；
3）作为更新数据源的Quick Bird卫星影像，其质量的好坏直接影响更新地物的精度。一定要选择清晰度较好的卫星影像，除线状地物要比较清晰外，还要能辨别居民地，水域等面状地物的轮廓；
4）由于Quick Bird卫星影像的分辨率较高，考虑到调绘工作量及成图精度，利用它进行大比例尺地形图更新的时候只宜选取核心要素进行更新，如居民地，水系，道路，境界等；5）更新宜采取以下路线：内业先利用Quick Bird全色与多光谱影像进行融合纠正，制作1：2000卫星影像图，外业利用卫星影像图和原矢量图进行调绘，内业根据调绘成果进行矢量采集和数据编辑，最后印刷出图；
6）矢量化的时候尽可能地选取离地面低一点的点，因为我们只是对影像进行了几何纠正，这对地形起伏大的地区是不行的，必须要加上DEM对地区进行地形校正才能达到所预想的精度，本次实验取的是地形起伏不大，比较平坦的地区，所以姑且可以把几何纠正后的卫片看成正射影像，但在实际的精度比较上看，楼高还是影响了精度。可以运用公式
消除楼房因为高度而引起的倾角误差。
最后利用高分辨率卫片进行大比例尺的地形图的修测还处于一个起步，一个探索阶段，虽然这次实验说明了基本上可以满足1：2000的地形图修测的应用，但也只是局限于地势平坦地区，对于地形起伏较大的地区的应用还没有一套系统的研究方案，这就需要我们对这一领域继续持观望态度！
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冯纪武、潘菊婷主编《遥感制图》，测绘出版社，1991年
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（作者单位：胜利油田信科海洋勘察测绘有限公司）