基于資源三號衛(wèi)星融合影像的地形圖修測技術(shù)

林亞斌，賈永紅，于 寧，劉亞男，白建榮

（1. 云南省航測遙感信息院，云南 昆明 650034；2.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.甘肅省地圖院 ，甘肅 蘭州 730050）

1∶5萬數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫是國家基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫核心組成部分，是應(yīng)用最廣的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫[1,2]。為保持其地圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和數(shù)據(jù)精度，我國1∶5萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新周期將縮短為1 a，每年對2012版國家1∶5 萬地形數(shù)據(jù)庫的重點(diǎn)要素進(jìn)行動態(tài)更新，其現(xiàn)勢性能夠更加全面、準(zhǔn)確地反映地表自然和人文地理要素的空間分布、特征及其相互關(guān)系，能更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對地理信息資源現(xiàn)勢性的要求[3]。2012年1月9日，我國首顆高精度民用立體測繪衛(wèi)星——資源三號衛(wèi)星在山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，它配置了三線陣全色相機(jī)和多光譜相機(jī)，3臺全色相機(jī)按照前視、正視、后視的方式形成同軌三鏡頭拍攝，可以得到地面的三維立體信息[4]。為充分發(fā)揮我國第一顆民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星影像的作用，利用該衛(wèi)星影像直接進(jìn)行地形圖修測減少工作量，降低成本，縮短成圖周期和提高地圖更新速度，設(shè)計了基于資源三號衛(wèi)星融合影像修測1∶5萬地形圖的方案，進(jìn)行了1∶5萬地形圖修測試驗(yàn)，為資源三號衛(wèi)星影像用于地圖修測提供一套切實(shí)可行的解決方案。

1 資源三號衛(wèi)星影像修測地圖技術(shù)

根據(jù)資源三號測繪衛(wèi)星影像特點(diǎn)，設(shè)計的1∶5萬、1∶2.5萬地形圖修測方案如圖1所示。在對測區(qū)資料收集、整理的基礎(chǔ)上，按圖1設(shè)計方案首先對資源三號衛(wèi)星影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正[5]；其次對資源三號全色影像和多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)、融合，獲得融合影像；然后利用修測軟件Mapstore將融合影像和矢量圖配準(zhǔn)疊加，采用人機(jī)互交的方式對變化居民地、道路、水系等要素進(jìn)行修測，最后對修測的地形圖進(jìn)行外業(yè)檢核、質(zhì)量檢查、效果評定等。

圖1 地形圖修測方案示意圖

獲取遙感正射融合影像的過程主要包括地面控制點(diǎn)（簡稱GCP）的選取、全色波段衛(wèi)星影像正射糾正、多光譜影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、影像融合、影像增強(qiáng)與調(diào)色、多景影像的鑲嵌等6個方面， 如圖2所示。其中多光譜影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是利用已經(jīng)糾正的全色影像對多光譜影像進(jìn)行幾何糾正和重采樣，這里采用基于改進(jìn)的SIFT特征匹配算法快速實(shí)現(xiàn)高精度影像配準(zhǔn)[6]。

資源三號全色影像與多光譜影像融合采用Pansharpening融合方法，它是一種基于統(tǒng)計的自動融合方法，在融合過程中考慮了傳感器成像特性，對同源影像融合效果好[7]。

圖2 正射融合影像制作的流程圖

2 地形圖修測試驗(yàn)與分析

地形圖修測試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2012-02-01獲取的覆蓋甘肅省金昌市市區(qū)的資源三號衛(wèi)星全色和多光譜影像，按照設(shè)計方案首先對影像進(jìn)行輻射、幾何處理，并進(jìn)行了配準(zhǔn)、融合。然后，采用Mapstore軟件將其與DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、套合，以融合影像為底圖，對居民地、水系、道路等要素進(jìn)行修測，最后對修測結(jié)果進(jìn)行了評價。

2.1 居民地的修測

對于居民地而言，通過修測來正確表示居民地的位置、居民地分布形式、居民地的類型以及居民地與其他要素之間的關(guān)系。在1∶5萬地形圖的表示中，居民地可分為3種形態(tài)：街區(qū)式、散列面狀式和散列點(diǎn)狀式。修測居民區(qū)時候可以刪除原有地圖的房屋暈線，讓壓蓋在居民地符號下的影像更為清楚。 然后根據(jù)影像提供的信息對原有的居民地符號進(jìn)行編輯、刪除或添加。在地形圖修測過程中對于邊界清楚的規(guī)則的街區(qū)式居民地，在影像上可以清楚地看到邊角，采用3點(diǎn)畫矩形的方法即可完成修測。影像清晰度不高時，要根據(jù)影像紋理認(rèn)真判定，以便精確地確定居民地類別和大小。如圖3所示為修測的居民地表示。

圖3 居民地修測圖

對被云霧遮擋的建筑物，無法直接判讀建筑物的邊界，則需要實(shí)地采集建筑物的邊界線數(shù)據(jù)，然后完成修測。

2.2 道路的修測

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，道路建設(shè)發(fā)展迅猛。保持道路信息現(xiàn)勢性，首先要有新的道路信息。新的道路信息包括新增加道路的相關(guān)信息、道路的等級變更及路段的改變或廢棄等。清晰的影像是進(jìn)行正確判讀的必要條件，圖4中對于新增的道路信息，在數(shù)字影像上對其進(jìn)行提取后導(dǎo)入數(shù)字地圖中即可完成更新。對于居民地內(nèi)部的道路，對影像上其邊界線的判讀比較困難時，需進(jìn)行外業(yè)實(shí)地調(diào)繪、實(shí)測來更新。道路等級提高時，僅需修改其屬性及拓?fù)潢P(guān)系，這與增加信息時使用的方法類似。

圖4 邊界線清楚的道路及其修測圖

2.3 水體的修測

水體包括自然水體和人工水體。前者如河流、湖泊等；后者有池塘、人工湖等。在一般情況下，水體的水涯線在進(jìn)行修測時，對比相關(guān)水位資料，若水位變化不大，則直接按照遙感影像上的水位測定，如圖5。若水位與常水位相差較大（如枯水期、豐水期等就會有較大的變化），則要根據(jù)歷年的資料，結(jié)合實(shí)際情況以常水位作為水體的水涯線。

完成地形圖要素修測后，必須進(jìn)行精度檢查，以便分析其質(zhì)量是否達(dá)到相應(yīng)的精度要求。這里對地形圖修測結(jié)果的質(zhì)量檢查主要包括幾何精度（位置精度）和屬性2個方面。

為了科學(xué)評定修測精度，在試驗(yàn)區(qū)1∶5萬修測圖上選取了分布均勻的30個檢查點(diǎn)用于精度評定，通過比較修測圖上檢查點(diǎn)的坐標(biāo)和DLG圖上同名點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)統(tǒng)計分析得到：

從平面幾何精度上來看，修測成果已經(jīng)達(dá)到了1∶5萬地形圖精度要求，資源三號衛(wèi)星影像可以用于1∶5萬地形圖修測。

圖5 水涯線清楚的水體示意圖

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于資源三號衛(wèi)星融合影像1∶5萬地形圖修測試驗(yàn)方案是合理的，采用Mapstore軟件修測1∶5萬地形圖幾何精度滿足要求，資源三號衛(wèi)星融合影像對各種地理要素解譯性好，表明資源三號衛(wèi)星融合影像能用于1∶5萬比例尺地形圖修測，并提供了一套1∶5萬比例尺地形圖修測途徑。

[1]隋玉川，師飛.淺談遙感影像在地形圖修測方面的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息. 2010，33(1)：14-16

[2]劉云峰.利用遙感影像更新1∶5萬核心矢量地形數(shù)據(jù)技術(shù)方案及問題探討[J].測繪通報，2003，32(11)：26-28

[3]簡燦，阮紅利. 利用高分辨率的遙感衛(wèi)星影像更新1∶1萬比例尺數(shù)字地形圖的研究[J]. 福建師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，23(3)：10-13

[4]劉永波,張振洲,黃會永. Google Earth在地形圖修測中的應(yīng)用[J].地球，2013 (2):121-123

[5]孫承志，唐新民. 我國第一顆民用立體測繪衛(wèi)星——資源三號及其應(yīng)用[J].中國航天,2009，23(9):3-5

[6]張謙, 賈永紅, 胡忠文. 多源遙感影像配準(zhǔn)中的SIFT特征匹配改進(jìn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2013,38(4):455-459

[7]賈永紅，祝夢花，刁永洲，等. 資源三號衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)的核線影像生成[J]. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報，2013，32(1):10-15