低空遙感影像的測繪性能研究

李宇昊，劉純良

(1.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714； 2.湖北省荊門市林業(yè)局，湖北 荊門448001)

低空遙感影像的測繪性能研究

李宇昊1，劉純良2

(1.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714； 2.湖北省荊門市林業(yè)局，湖北 荊門448001)

低空遙感是一種新型的對地觀測技術(shù)，在國土監(jiān)測、城市規(guī)劃、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、防災(zāi)救災(zāi)、軍事偵查等領(lǐng)域具有重要作用和廣泛的應(yīng)用前景。以山區(qū)、丘陵和平原三種不同地形為研究對象，分析低空影像的測繪精度和誤差成因，結(jié)果表明： ①丘陵和平原平坦地形低空影像的測繪精度可滿足一般測繪的要求；山區(qū)低空影像的測繪精度較低，可作為背景信息與其它測繪數(shù)據(jù)結(jié)合使用。②低空影像的測繪精度與設(shè)備性能有較大關(guān)系，其校正精度取決于內(nèi)、外元素測量儀器的精度和傳感器的光學(xué)性能。③隨著機(jī)載慣性系統(tǒng)MU(Inertial Measuring Unit)和高精度定位終端的小型化和性能提高，低空遙感技術(shù)將成為中小區(qū)域精準(zhǔn)調(diào)查的重要技術(shù)手段。

低空遙感；地形；幾何校正；誤差

低空遙感一般是指高度在1000m以下的航空遙感[2]。低空遙感系統(tǒng)包括平臺系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及信息處理單元等，運(yùn)載工具主要為輕型飛機(jī)、飛艇、無人飛行器等小型航天器。由于受到運(yùn)載能力的限制，低空遙感系統(tǒng)多為體積小、重量輕的簡易裝置，遙感波段以0.39～0.76μm區(qū)間的可見光為主。低空遙感設(shè)備的姿態(tài)、航向、曝光點(diǎn)定位和計時精度較低，一些低空遙感系統(tǒng)甚至沒有POS(Position and Orientation System)和MU(Inertial Measuring Unit)慣性測量裝置。由于低空遙感不受空域影響，使用靈活、成本較低，在國土監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、軍事偵查等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。本文采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量方法[3]，省去地面控制點(diǎn)，對低空影像進(jìn)行幾何校正，計算目標(biāo)地物的面積和坐標(biāo)；利用比差法對航測數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，直觀反映低空影像的測繪精度。

本文對山區(qū)、低山丘陵和平原三種地形的低空影像進(jìn)行定位和測繪精度研究，分析不同地形條件下低空影像的測繪性能和誤差成因，提出提高低空影像測繪性能的建議，展望低空遙感技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇西北低山丘陵的內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市、華北山區(qū)的山西省靈石縣和珠江三角洲平原的廣東省佛山市順德區(qū)三地進(jìn)行試驗，確保研究結(jié)果具有一定代表性。

1.1 內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市(西北低山丘陵)

烏海市地處內(nèi)蒙古西部，東鄰鄂爾多斯高原，西接阿拉善草原，南連銀川平原, 北近河套沃野，跨106°36′00″—107°46′14″E，39°10′00″—39°55′00″N，總面積2900km2，平均海拔1150m。地勢東西兩邊高、中間低，中低山地和丘陵區(qū)占全市總面積的60%。本文研究的目標(biāo)地物是烏海市棋盤井礦區(qū)域。

1.2 山西省靈石縣(華北山區(qū))

靈石縣位于太原盆地和臨汾盆地之間的隆起地帶，四周群山環(huán)繞，山巒重迭，山地和丘陵面積占90%以上，距省會太原市150km，北臨介休，南接霍州，全縣總面積1206km2。本文研究的目標(biāo)地物是靈石縣城區(qū)域。

1.3 廣東省佛山市順德區(qū)(南部沿海平原)

2 研究方法

采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量方法對低空影像進(jìn)行幾何校正，獲得低空影像的正射影像，提取地物坐標(biāo)和面積，與實(shí)地測量數(shù)據(jù)對比，分析低空影像的測繪精度。

2.1 幾何校正

使用Erdas Imagine 軟件的OrthoBASE模塊，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量方法，對低空影像進(jìn)行正射影像校正，獲取像元坐標(biāo)，具體操作流程見圖1所示[4]。

圖1 幾何校正處理流程圖

2.2 定位誤差分析

2.2.1 坐標(biāo)差值

坐標(biāo)差值計算公式：

考慮到工程施工中預(yù)埋套筒與連接鋼筋對位時可能出現(xiàn)偏位情況，因此針對該試驗選取試件H400-16、H400-16-2和H400-16-4，研究其在偏移距離0 mm、2 mm、4 mm條件下的試件承載力。結(jié)果如圖13所示。

ΔX,ΔY=X,Y-XC,YC

(1)

式中：ΔX,ΔY為坐標(biāo)差值，單位為“m”；X,Y為正射投影圖像的像元坐標(biāo)值；XC,YC為地物實(shí)測坐標(biāo)值。

2.2.2 點(diǎn)位誤差

點(diǎn)位誤差計算公式：

(2)

式中：RS(X,Y)為點(diǎn)位誤差(m)；ΔX,ΔY為坐標(biāo)差值。

2.2.3 像元誤差

所謂像元誤差，就是以傳感器像元為單位表示誤差距離。計算公式：

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

(3)

式中：RS(pix)為像元點(diǎn)位誤差；RS(X,Y)為點(diǎn)位誤差(m)；PW,R為橫向或縱向分辨率。

2.3 面積誤差分析

2.3.1 差值

差值計算公式：

ΔS=S-SC

(4)

式中：ΔS為差值；S為小班校正面積；SC為小班實(shí)測面積。

2.3.2 相對誤差

相對誤差計算公式：

SR=ΔS×100/SC

(5)

式中：SR為相對誤差；ΔS為面積差值；SC為小班實(shí)測面積。

3 影像數(shù)據(jù)

3.1 聯(lián)測影像

在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市棋盤井礦區(qū)、山西省靈石縣縣城、廣東省佛山市順德區(qū)德順廣場航拍低空影像225張、145張、150張，見圖2所示。

圖2 研究區(qū)低空影像

3.2 小班影像

選擇山西靈石縣38號航片、烏海市棋盤井礦區(qū)178號航片和廣東省佛山市順德區(qū)15與128號影像進(jìn)行研究，計算和采集三地35個地物點(diǎn)和9個小班的航測數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)，見圖3所示。

圖3 研究區(qū)的航片、地物點(diǎn)和小班

續(xù)圖3 研究區(qū)的航片、地物點(diǎn)和小班

4 結(jié)果分析

4.1 定位誤差

4.1.1 內(nèi)蒙古烏海數(shù)據(jù)分析

經(jīng)計算，地物點(diǎn)航測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)平均點(diǎn)位誤差為9.34m；平均像元誤差為63pix；X，Y方向誤差平均值分別是6.81 m和5.84m。校正后低空影像的測繪精度基本與手持GPS定位儀相同。結(jié)果見表1。

表1 內(nèi)蒙古烏海棋盤井礦區(qū)低空影像定位誤差分析地物點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)航測坐標(biāo)ΔXΔY點(diǎn)位誤差/m像元誤差/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 山西省靈石縣數(shù)據(jù)分析

經(jīng)計算，地物點(diǎn)航測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)平均點(diǎn)位誤差為54.52m；平均像元誤差為331pix；X，Y方向誤差平均值分別是50.82m和-17.18m。航測精度較低，無法滿足一般測繪和定位的精度要求。結(jié)果見表2。

4.1.3 廣東省佛山市順德區(qū)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)計算，低空影像平均點(diǎn)位誤差為17.02m；X方向平均誤差為-11.20m，Y方向平均誤差10.60m，最大差值36.71m，最小差值5.00m；平均像元誤差103pix。影像之間的誤差波動較大，影像質(zhì)量不穩(wěn)定，像元誤差整體偏大。結(jié)果見表3。

4.2 面積誤差

4.2.1 內(nèi)蒙古烏海市小班面積精度

經(jīng)計算，3個小班的面積相對誤差平均值為7.22%，產(chǎn)生誤差的原因是由于勾繪實(shí)測和航測小班邊界線不一致造成的，其中1小班航測面積小于實(shí)測面積，2和3小班航測面積大于實(shí)測面積，且面積相對誤差變化無明顯規(guī)律。結(jié)果見表4。

表2 山西省靈石縣低空影像定位誤差分析地物點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)航測坐標(biāo)ΔXΔY點(diǎn)位誤差/m像元誤差/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 廣東省佛山市順德區(qū)低空影像定位誤差分析小班號地物點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)航測坐標(biāo)差值/m點(diǎn)位誤差/m像元誤差/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 內(nèi)蒙古烏海市棋盤井低空影像面積誤差分析小班號實(shí)測面積/m2航測面積/m2差值/m2相對誤差/%相對誤差平均值/%13192.03055.0-137.004.2921967.02134.0167.008.497.2232130.02319.0189.008.87

4.2.2 山西省靈石縣小班面積精度

經(jīng)計算，2個小班面積相對誤差平均值為15.08%，其中1小班面積相對誤差為23.10%，2小班面積相對誤差為7.00%，可見山區(qū)地形的面積相對誤差遠(yuǎn)大于平原地區(qū)的。結(jié)果見表5。

4.2.3 廣東省佛山市順德區(qū)小班面積精度

經(jīng)計算，小班面積相對誤差為±3.39%,最大誤差為5.24%，最小誤差為-1.34%。地勢平坦地區(qū)的低空影像的面積測量精度小于±5% 。結(jié)果見表5。

表5 山西省靈石縣、廣東省佛山市順德區(qū)低空影像面積誤差分析區(qū)域小班號實(shí)測面積/m2航測面積/m2差值/m2差值平均值/m2相對誤差/%相對誤差平均值/%山西省靈石縣113006.516008.03001.5023.1015.082127063.5136068.09004.507.0011642.01728.086.005.24廣東省佛山市順德區(qū)26193.06110.0-83.00±71.63-1.34±3.3931237.01263.026.002.1041883.01791.5-91.50-4.86

5 結(jié)論

1) 平原和低山丘陵低空影像的平均點(diǎn)位誤差分別為17.02m和9.34m，可以滿足城市規(guī)劃、國土資源調(diào)查的測量和制圖要求。山區(qū)低空影像的平均點(diǎn)位誤差為54.52m，最大誤差達(dá)到102.47m，最小誤差為14.87m，影像組間誤差波動較大，無法準(zhǔn)確定位，需參照地形圖和其它測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。

2) 內(nèi)蒙古棋盤井(低山丘陵)面積相對誤差平均值為7.22%、山西省靈石縣(山區(qū))面積相對誤差平均值為15.08%、廣東省佛山市順德區(qū)(平原)面積相對誤差平均值為3.39%。平原區(qū)面積測量相對誤差較小，最小值為-1.34%，山區(qū)面積相對誤差較大，最大值為23.10%。在目前設(shè)備條件下，低空影像還無法滿足一般測繪要求，但是能夠滿足平原和低山丘陵地區(qū)測繪調(diào)查工作的需要。

3) 產(chǎn)生誤差的主要原因， 一是外方位元素精度只有0.1°,而幾何校正需要的MU控制精度一般為0.01°，應(yīng)采用更精密的設(shè)備，提高外方位元素精度，減小幾何校正誤差； 二是研究使用的GPS定位精度僅為5m，造成曝光點(diǎn)定位誤差，應(yīng)使用動態(tài)差分GPS，將定位精度提高到厘米級； 三是傳感器光學(xué)鏡頭畸變，降低了影像質(zhì)量，加上無鏡頭畸變校正數(shù)據(jù)，造成幾何校正不準(zhǔn)確。采用專業(yè)航空量測攝影機(jī)，可以規(guī)范影像數(shù)據(jù)。

4) 盡管目前低空影像受到硬件設(shè)備性能的限制，測繪性能有待提高，但是，隨著數(shù)字航空攝影設(shè)備的不斷小型化和高精度動態(tài)定位終端的應(yīng)用，低空遙感技術(shù)將不斷完善，尤其是利用GPS獲取攝站三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)輔助空中三角測量，可大量減少航測外業(yè)作業(yè)甚至完全免去地面控制點(diǎn)[5]，MU/GPS輔助航測技術(shù)，可節(jié)約大量像控點(diǎn)測量時間[6]，極大地提高低空遙感的實(shí)際應(yīng)用價值。此外，低空影像分辨率可到厘米級，易于判讀，是開展中小區(qū)域精準(zhǔn)調(diào)查的有效技術(shù)手段。

[1] 李英成,趙繼成,丁曉波.超輕型飛機(jī)低空數(shù)碼遙感系統(tǒng)用于土地資源信息獲取[J].應(yīng)用技術(shù)，2005,(4):51.

[2] 周應(yīng)群,陳士林,趙潤懷,等.低空遙感技術(shù)在中藥資源可持續(xù)利用中的應(yīng)用討論[J].中國中醫(yī)藥雜志，2008,33(8):977-979.

[3] 王佩軍,徐亞明,等.攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005:94.

[4] 黨安榮,王曉棟,陳曉峰,等.ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:136.

[5] 王佩軍,徐亞明,等.攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005:144.

[6] 胡震天,黃炳強(qiáng),王文瑞.基于IMU/DGPS輔助航測技術(shù)的大比例尺地形圖測繪的應(yīng)用研究[J].城市勘測，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，碩士研究生，工程師，從事森林資源調(diào)查和林業(yè)遙感。

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.