高分辨率網(wǎng)絡遙感影像在工程中的應用研究

徐亮　張濱　梁宏晨

摘? ?要：隨著攝影測量與遙感技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)下載高分辨率遙感影像越來越便捷。本文介紹了應用Photoshop和Erdas Imagine軟件，充分利用互聯(lián)網(wǎng)遙感影像，獲取一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地物點高精度平面位置的方法。糾正后的影像位置精度優(yōu)于1：1000地形圖，與AutoCAD無縫結(jié)合，較線劃地圖為工程建設提供了更豐富的地理信息，并且降低了野外測圖勞動強度，提高了成圖效率。

關鍵詞：網(wǎng)絡遙感影像? Erdas Imagine? Photoshop? AutoCAD? 幾何糾正? 重采樣

中圖分類號：TP79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0017-04

隨著航天攝影和計算機技術(shù)不斷發(fā)展，普通用戶獲取高分辨率遙感影像越來越便捷，Rivermap、Bigmap、 Tiler等互聯(lián)網(wǎng)地圖下載服務商均提供免費高分辨率遙感圖像下載服務。此類下載軟件里，一般內(nèi)置了Google、高德、百度、騰訊、天地圖等高清影像。在工程建設中，充分利用經(jīng)幾何糾正的遙感影像，一來可直接獲取周邊地物視覺信息，綜合考慮施工總平面布置及施工影響;再者可獲得密林、溝渠、房屋等不易直接獲取坐標或人工測量工作量極大的碎部數(shù)據(jù)。測量人員通過航空攝影測量方法快速成圖供項目決策，可極大地節(jié)約時間及人力成本。

1? 數(shù)據(jù)來源

綜合對比各地圖服務商，Google影像更新頻率高，現(xiàn)勢性較好，并可提供19～20級地面分辨率影像下載，成像清晰度好。其影像數(shù)據(jù)源自多種商業(yè)地球觀測衛(wèi)星和航空遙感，經(jīng)影像融合，空間分辨率優(yōu)于1m，最高可滿足1：500～1：1000航空攝影測量成圖比例尺技術(shù)要求[1]。地圖下載軟件自帶圖片導出功能，可將瓦塊數(shù)據(jù)導出tif格式大圖。影像已經(jīng)過初步的幾何糾正、輻射校正、去除噪聲和濾波、數(shù)據(jù)融合等影像增強處理，投影在WGS 1984 Web Mercator 坐標系[2]。該影像數(shù)據(jù)直接用于工程建設存在以下問題：

（1）遙感影像成像過程中，由于傳感器姿態(tài)、高度等因素實時變化，影像數(shù)據(jù)的空間位置精度有差異。

（2）開放版地理信息數(shù)據(jù)的遙感影像先天位置精度不高，并且未進行投影轉(zhuǎn)換，需要糾正后進行測繪生產(chǎn)。

（3）對于多霧地區(qū)，難以獲取成像質(zhì)量較好的遙感影像。云霧覆蓋降低了影像的整體質(zhì)量，在一定程度上影響圖像的目視解讀。

2? 工程應用

某工程地處華北平原，地勢平坦，總建筑面積59153.37m2，其中，地上建筑面積49974.08m2，地下車庫建筑面積9179.29m2。正北有貨運鐵路，正南有已建及在建小區(qū)，西側(cè)有煤炭輸送廊道，東側(cè)為居民區(qū)。場內(nèi)各臨時設施的布置及對周邊設施的影響，施工前期均要綜合考慮，才最大可能不影響附近居民，保證項目順利實施?？焖?、準確的獲得項目周邊設施地理信息，對于工程建設起著至關重要的作用。

2.1 影像預處理

Photoshop為各行業(yè)通用軟件，圖像處理功能強大，該軟件在工程上的應用更易于推廣，且具有普遍意義。圖1為項目遙感影像，有薄霧覆蓋，圖像清晰度欠佳。觀察色階直方圖，影像左端黑場和右端白場大面積缺失，像素集中在中間灰場偏亮位置，圖像的細節(jié)不夠清晰，反差過低。在RGB色階直方圖上分別調(diào)整紅、綠、藍三個波段色階，拖動黑白場滑塊，增強圖像反差，使影像色彩逐漸飽滿，貼近目視效果。然后在3個波段拖動灰場滑塊，調(diào)節(jié)影像明暗，使圖像色彩更加自然（如圖2）。通過直方圖修正，使像素色階均勻分布，增大了影像反差、清晰了影像紋理，增強了影像目視效果。

2.2 像控設置及測量

本工程應用單張影像進行攝影測量，通過全野外布點獲取像控點平面位置，不需再進行內(nèi)業(yè)加密，可直接進行影像糾正。由于遙感影像為中心投影，光束通過攝影機的鏡頭中心投影成像，建筑物的頂端相對于底端發(fā)生位移，產(chǎn)生投影差。投影差計算公式如下[3]：

式中，r為像片上地物頂點到像主點距離，h為地物相對攝影基準面高差，m為攝影比例尺分母，f為攝影機主距。由公式可知，在攝影機參數(shù)的選擇不受控條件下，盡量選用貼近地表且高差較小的像控點，可最大限度削弱投影差的影響。該項目交通便捷，有路網(wǎng)覆蓋，對照遙感圖像，像控點優(yōu)選道路路面交通標志端點和角點，如導向箭頭、停止線拐點、斑馬線角點等。GPS RTK技術(shù)測量效率高、定位精度好，工作時不需要控制點間相互通視，不累積誤差，點位測量使用GPS進行。利用施工控制網(wǎng)，測設像控點25個，其中15個用于地面控制，10個用于檢查。

2.3 影像糾正

影像可通過共線方程、多項式模型和有理函數(shù)模型糾正。高分辨率遙感影像使用線陣傳感器，線陣方向與傳感器運動方向垂直，每列線陣均有獨立的攝影中心，通過拼接獲得連續(xù)無縫的圖像。像點在t時刻的構(gòu)像方程如下[5]：

由式（2）可知，構(gòu)像各參數(shù)隨時間的變化而變化。共線方程雖算法嚴密，但受傳感器航高、航速、姿態(tài)影響，航天線陣影像外方位元素變化規(guī)律僅能近似表達，并且需要數(shù)字地面模型，該糾正法對比另外兩種影像糾正法沒有優(yōu)勢。另外，網(wǎng)絡地圖服務商提供的遙感影像為融合影像，傳感器軌道參數(shù)、有理多項式系數(shù)（RPC）不統(tǒng)一且不易獲取，因此采用反解多項式算法進行影像幾何糾正[6]。多項式糾正公式如下[3]：

式中，x、y為像平面點位坐標，X、Y為地面控制點（GCP）。像點與地面點連接，可解算多項式的系數(shù)。由公式（3）可知，1階多項式可糾正平移、旋轉(zhuǎn)、仿射等變形;2階多項式在1階基礎上，糾正俯仰航偏、投影畸變等二次非線性變形;3階多項式在2階基礎上改正更高次非線性變形。多項式的階數(shù)選用取決于影像的變形，但極復雜影像的變形并不一定可用多項式進行描述[5]，同時選用高階多項式對地面控制點數(shù)量要求更高，計算更復雜，一般取n≤3。該方法不考慮影像空間成像的幾何過程，適用于地勢平擔地區(qū)。多項式所須最少控制點個數(shù)同多項式的階數(shù)正相關，按下式計算：

式中，n為多項式階數(shù)?？刂泣c個數(shù)應有多余觀測，利用最小二乘原理求得多項式系數(shù)的最優(yōu)解，降低因控制點選取不準確產(chǎn)生的誤差。像控點精度通過均方根（RMS）參數(shù)衡量，即像控點的輸入點位與地面坐標反算點位的距離較差。計算公式如下：

式中，xp、yp為控制點像平面坐標，x、y為同一地面點反算至影像的圖像坐標。對高分辨率遙感影像，RMS小于1時，像控點精度優(yōu)于1像素，糾正效果較好。剔除最高RMS誤差點，用剩余像控點再次計算RMS，可得到更為接近影像變形的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

在遙感影像上拾取地面控制點像平面坐標，錄入地面坐標，建立影像連接，3次多項式幾何糾正要求控制點的最少個數(shù)為10個。一般取15個點，可得較穩(wěn)定的糾正模型，編號GCP#1～GCP#15，像控點的點位分布見圖3。Erdas Imagine通過圖像左上角（Upper Left x，Upper Left y）和右下角（Lower Right x，Lower Right y）坐標定位影像。完成10個像控點的影像連接后，在連接第11個點時，RMS Error欄將顯示每個影像連接點的誤差。15個像控點與影像連接，即可解得多項式系數(shù)，控制點誤差如圖4所示，RMS遠小于1像素。

將控制點切換為檢查，按照像控點與影像連接的方式設置檢查點，一般更改顏色用以與像控點區(qū)分（如圖3）。通過像控點解算多項式系數(shù)后，可查看多項式系數(shù)，如圖5所示。

2.4 影像重采樣

遙感影像經(jīng)幾何糾正后，可對地面點坐標逐一規(guī)則表達。目前常用的重采樣算法有最近鄰法（Nearest Neighbor）、雙線性插值法（Bilinear Interpolation）、三次卷積插值法（Cubic Convolution）。其中，三次卷積插值算法重采樣后圖像細節(jié)表現(xiàn)更好[7]，成圖質(zhì)量更高，三次樣條函數(shù)如下[5]：

在重采樣對話框，軟件標定了輸出圖像UL（左上）和LR（右下）角點坐標和像元尺寸，選擇三次卷積插值算法，可將糾正后的影像輸出至指定文件夾，如圖6所示。

2.5 影像糾正后與CAD的融合

把糾正后的遙感影像以光柵形式插入CAD，利用已糾正的影像左上和右下角點坐標（如圖6），對圖像縮放、旋轉(zhuǎn)、平移，可將影像與施工坐標嚴密套合，則糾正后的影像每個像元均可在CAD里捕捉到地面坐標。輸入“DRAWORDER”命令，可將影像作為底圖顯示（如圖7）。在CAD里，高分辨率遙感圖像上道路、房屋、管線、河流、植被等地理要素均清晰可變，可便捷獲取地物點形狀、位置、距離等信息，且地理信息的表達比線劃地圖更為全面。

3? 精度評定

將糾正的影像插入AutoCAD并套合后，利用CAD捕捉、查詢功能，可獲取像控點地面和影像坐標。分別統(tǒng)計控制點和檢查點誤差，繪制散點圖，如圖8所示。參與糾正的像控點最大偏差0.229m，檢查點最大偏差0.433m。

不參與影像糾正的地面點檢測中誤差/m：

符合《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）以及《工程攝影測量規(guī)范》（GB50167-2014）對1：1000比例尺地形圖（影像）精度的規(guī)定，圖上一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地物點的點位中誤差不超過0.6mm（實地0.6m）。滿足一般工程用圖要求。

4? 結(jié)語

（1）高分辨率遙感影像獲取渠道越來越多，影像分辨率越來越高，成像質(zhì)量越來越好，獲取越來越便捷。通過Photoshop對影像預處理，增強圖像反差，削弱薄云、薄霧對影像的影響，使圖像紋理清晰，更有利于目視解譯。

（2）優(yōu)化像控點點位設置，可大幅消弱投影差影響。利用Erdas Image多項式模型對線中心投影影像幾何糾正，進行三次卷積重采樣，生成的影像圖地物點的平面點位中誤差優(yōu)于1：1000比例尺地形圖精度。

（3）經(jīng)幾何糾正的遙感影像提供更豐富的地理信息，將糾正后的高分辨率遙感圖像載入AutoCAD，與施工圖結(jié)合，可便捷獲取周邊工程相關地物的位置信息，并顯著減少外業(yè)測圖勞動，縮短測圖、繪圖、交圖時間，提高成圖效率。應用于工程建設規(guī)劃、決策、實施等階段，具有更重要的實際意義。

參考文獻

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[7] 張周威，余濤，孟慶巖，等.空間重采樣方法對遙感影像信息影響研究[J].華中師范大學學報：自然科學版，2013，47（3）：426-430.