学术 上海市测绘院:MAXAR 30cm HD立体影像在超大型

作者:365滚球 发布时间:2021-02-27 12:43

  近年来,随着我国经济的飞速发展,地形图测绘在工程建设中的应用范围越来越广泛、使用频率越来越高。作为工程建设的一项基础性工作,地形图测量与绘制发挥着十分重要的作用,和工程质量的高低有着最直接、最紧密的联系。随着城市精细化管理地进一步推进,更高分辨率、更快的更新频率已经成了政府及社会各部门的迫切需求。

  然而,即便是对于上海这样面积相对较小的直辖市,也不能做到所有地区都有足够及时的大尺度地形图来满足应用需求。主要原因:

  1、上海城市更新速度快。在上海,不同区域有着1:500、1:1000和1:2000的不同尺度的地形图数据,不同尺度数据的更新频率也不同。城市更新速度快,部分区域的地形图更新就会滞后。

  2、精度要求高。上海磁悬浮列车、上海中心大厦、深坑酒店等设计,都离不开测绘在背后的支撑。超大型城市对于精度的要求更是高于其他地区。

  3、作业效率与成图精度无法兼顾。传统的1:2000地形图的制图方法,人力物力耗费严重,制图效率低;近些年,基于航空、无人机倾斜摄影技术的地形图生产迅速发展起来,影像分辨率高,地物辨识清晰,但是在大范围制图时,又会带来数据量过大,数据处理慢,飞行架次多等问题,作业效率与成图精度无法兼顾。

  上海市位于我国南北海岸线′,地处长江三角洲前缘,东濒东海,南临杭州湾,西接江苏、浙江两省,北接长江入海口。全境为冲积平原,仅西南部有部分火山岩丘。海拔平均高度在4米左右,地势平坦,山脉少而低小,属亚热带湿润季风气候,为典型的海洋性气候。气候温和湿润,四季分明,日照充分,雨水充沛,无霜期长。

  本次研究以上海国际旅游度假区为试验区(图 1)。上海国际旅游度假区位于浦东新区中部的川沙新镇,规划面积约24.7平方千米,将打造集主题游乐、文化创意、商业零售、体育休闲等为主导产业的现代服务业集聚区。核心区约7平方千米,包括上海迪士尼乐园、上海迪士尼乐园酒店、购物村等。

  WorldView系列卫星是MAXAR公司的商业成像卫星系统,其光学卫星群包括在轨卫星WorldView-1、GeoEye-1、WorldView-2和WorldView-3,以及已经退役的IKNOS、QUICKBIRD和WorldView-4。其中,WorldView-2于2009年10月8日发射,是DigitalGlobe的第三颗在轨卫星,可提供分辨率为0.46米的全色影像和1.84米分辨率的八波段立体多光谱图像,也是第一个高分辨率的8波段多光谱商业卫星。卫星的重访周期为1.1天。其8个光谱波段设置如图 2所示。

  得益于MAXAR独特的HD技术,可以智能地增加像素数以提供独特的30cm像素产品。整体上可以通过减少像素化来提高图像的视觉清晰度,使影像美观精致,边缘精确,细节重现细腻。影像高度清晰,精度高,无控定位精度可达2.3m,30cm HD的立体影像数据产品可实现1:2000制图。本项目中,项目组采用的数据便是经过HD技术处理后生成的0.3m分辨率的WorldView-2 多光谱卫星影像,并带有RPB参数文档。立体像对的获取时间为2016年11月18日,即开园后5个月,数据级别为2A,影像质量良好,云量小于5%,整体反差明显。

  按照《GB/T 7931 1:500、1:1000、1:2000 地形图航空摄影测量外业规范》的要求,1:2000地形图高程注记点密度为图上每100cm2内5~20个。为此,项目组收集了试验区的多种控制资料,控制资料的来源主要包括以下三种:

  (1)上海市测绘院参与了上海国际旅游度假区建设全过程,提供控制网测量、三维平台搭建、配套设施监测、地图绘制等测绘专业服务,有着丰富的历史控制资料;

  (2)我院每年进行一次全市范围的航空摄影测量,在全市广泛分布着众多控制点和检查点,并每年对其进行更新。2020年现存控制点和检查点共计1091个,试验区范围内也有所分布;

  (3)对于无法进行控制点外业采集的区域,或现存控制点已被损毁的区域,利用现有的航片资源进行控制点采集,或者已有地形图上的高程散点作为高程控制点。

  像控点是摄影测量控制加密和测图的基础,像控点目标选择的好坏和指示点位的准确程度,直接影响成果的精度会造成局部位置偏差大,对后续地形数据的采集误差影响很大。控制点的布设,遵循以下原则:

  (1)特征明显,交通便利,边缘定点,尤其要求线状地物的交叉点应是硬化路面、河边、堤边等的边缘交叉点。

  (3)要求点位附近地物高程变化小,不建议在楼顶、围墙、树冠、陡坎等高差变化较大的地物附近选点。

  利用WorldView-2立体影像制作1:2000地形图的总体技术路线包括影像预处理、影像正射校正、影像融合、卫星影像空三、DLG立体采集和精度检验6个步骤。整体流程如图 4所示,其中,影像正射纠正、影像融合在PCI Geomatica 2018(以下简称PCI)软件中完成,卫星影像空三在ERDAS LPS软件中完成,DLG立体采集在航天远景软件中完成,最终的精度检验在EPS2008地理信息工作站(简称EPS)中完成。

  影像预处理主要是对影像的质量进行初步检查,主要看影像上是否存在云、反光和影像缺失等问题,以及影像之间的重叠度是否满足空三要求。

  上海地区地势平坦,为平缓的冲积平原,海拔平均高度在4米左右,可以采用平均高程代替DEM对卫星影像进行区域网平差以获得正射校正影像图,随后再利用控制点数据对整景数据进行整体几何校正。

  卫星影像的区域网平差技术通过影像自身之间的约束关系补偿有理函数模型的系统误差以提高立体定位精度。通过模拟卫星飞行的姿态来还原地物的真实位置,这就是基于有理函数模型的区域网平差。区域网平差的精度直接决定了后续测绘生产产品的精度。这种做法可以保证不同景卫星的接边精度,尤其对大批量的卫星影像数据的生产有效率上的提升。

  全色影像正射纠正的基本处理步骤见图 5。首先在在PCI的OrthoEngine模块下新建工程,设置参考坐标系、输出投影、影像分辨率等信息;打开需要处理的原始全色卫星影像,在相邻的影像之间进行连接点自动提取;选择参考影像,进行控制点自动匹配;进行平差,剔除误差较大的控制点与连接点,控制点尽量在1以内。输出全色正射影像。将输出结果与参考影像套合检查。如果相差较大,需要手动刺点纠正。

  多光谱影像与全色影像的配准是以全色波段影像为基准,选取同名点对多光谱影像进行配准。同名点不少于50个,且分布均匀;配准的控制点残差在1个像素以内。配准后进行多光谱影像和全色波段影像的配准检查,两景影像之间的配准精度不大于1个像素(多光谱影像),多光谱影像配准后的影像分辨率和原始影像地面分辨率保持一致。

  将全色影像和多光谱影像进行融合,既保留了多光谱数据的光谱信息,又保留了全色数据高分辨率的特性,方便后续的处理。利用Pansharp算法处理的影像色彩保持较好,接近自然色,同时可以去除所有融合波段的差异问题,使之可以自动融合。在PCI软件中,采用Pansharp2模型进行融合,融合过程采用Modeler模块建立融合模型,设置输入输出参数,即可自动运行。

  融合后影像色彩自然,层次丰富,反差适中。影像纹理清晰,无影像发虚和重影现象,融合后能明显提高地物解译的信息量,融合后的影像见图 7(未调整波段组合)。融合后的影像格式为img格式,立体影像重叠度约为100%。

  对测区的卫星影像进行空三加密处理,利用ERDAS LPS软件进行立体像对空三平差解算,并对平差精度进行统计分析。技术路线 卫星影像空三平差技术路线

  根据卫星影像空三平差要求,需要进行野外像控点测量,包括像控点布设、点位测量、相应的点位整饰与点之记记录等。为了分析像控点布设位置和像控点数量对空三平差精度的影响,本试验每隔1~2 km布设1个像控点,共布设了43个像控点。如图 9所示,这些控制点均选在明显的地物点上,基本符合控制点均匀分布、整体控制的需求。对于点位距离相对较近的控制点后续会进行有选择性的选取,将部分留作检查点使用。

  根据测区的实际地面情况,选择有代表性的区域,按照1:2000地形图测绘要求,采集建筑、道路、电杆等主要地形地物。利用WorldView-2影像进行立体测图,0.3m的分辨率对作业员要求相对较高。图 10为试验区1:2000地形图的部分区域展示,分别代表了综合地物、房屋建筑、绿化和水域的地形图表示。

  为检测1:2000地形图的精度,通过外业方式获取地形图特征点的坐标进行精度验证。

  地理精度检查主要采取外业巡视的方法对图面地理要素的正确性及数据完整性、各要素、注记和符号的正确性、地理要素的协调性、综合取舍的合理性、接边质量等进行检查。在具体的检查中,重点要检查房屋建筑材料、楼房层数,通讯线,电力线走向,河流、渠道流向,公路的等级及编号,管道输送物质类别,植被、土质,用途、性质等方面的说明注记,各种地理名称等标注是否正确。

  数学精度检查主要包含以下几个方面:(1)测量仪器:数学精度检查采用不低于相应测量精度要求的GPS-RTK接收机、全站仪、水准仪、钢尺(或玻璃纤维尺)等测量仪器;(2)检查内容:成果一般以平面绝对位置中误差、间距中误差和高程中误差(高程注记点或等高线插求点)为主进行采集;(3)分布要求:平面和高程检测点以及间距检查边采集分布应尽量均匀;(4)数量要求:每幅1:2000图平面检测点、高程检测点一般不少于30个;地物间距检测有效边数一般不少于30条。当检测点(边)数量少于20时,采用误差绝对值的算术平均值代替中误差;(5)检查点选取:平面一般情况应主要采集明显地物点、独立地物等要素;高程检测点尽量选择明显能准确判读的位置,避免选在高程急剧变化处。

  (1)在立体像对中选择检查点。检查点须选在影像清晰的明显地物点、接近正交的线状地物交点、地物拐角点或固定的点状地物上;

  测区内共选择264个检查点,保证每个图框内有30个以上的检查点,地物单一区域除外。检查点具体分布如图11所示。

  以43个地面控制点平面位置和高程信息为基础,进行精度统计,结果如表 1所示。

  由于控制点数量有限,不能达到检查点的个数要求,因此,我们以已有地形数据的图根点的点平面位置和高程信息为基础,进行精度统计,结果如表2所示。

  依据《DG/TJ08-86-2010 1:500、1:1000、1:2000数字地形测量规范》,1:2000地形图需完整表达地面大于20cm以上的地物。本实验采用的分辨率为0.3m的卫星影像,基本地物表达清晰,能够表达地面建筑,道路及其大型附属设施、桥梁、河流、行道树、农田等基本地物,通过立体相对,可以表达其地面起伏变化,绘制相应的等高线。通过卫星影像绘制的地形图能够满足大部分地物地理要素的正确性及数据完整性、各要素、注记和符号的正确性、地理要素的协调性、综合取舍的合理性。

  本实验区域地形为平地,依据《GB/T 7930—2008 1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量内业规范》,1:2000地形图等高距为1.0米,地物点平面中误差为0.6mm(换算为实际距离为1.2m),高程中误差为0.4m。

  43个平面点对应的点位中误差计算结果为0.94m,按平地规定的图上 0.6 mm 换算为实际距离为1.2m,说明该精度符合GB/T7930—2008测图规范。严格按照两倍中误差统计,43个点中,有1个点的平面精度小于两倍中误差2.4m,有1个点(精度表标红处)为粗差,粗差率为2.32%。

  264个平面点对应的点位中误差计算结果为0.99m,按平地规定的图上 0.6 mm 换算为实际距离为1.2m,说明该精度符合GB/T7930—2008测图规范。严格按照两倍中误差统计,264个点中,有261个点的平面精度小于两倍中误差2.4m,有3个点(精度表标红处)为粗差,粗差率为1.1%。

  43个高程注记点的高程中误差计算结果为0.39m,试验区地形为平地,0.39 m 的高程中误差计算结果小于GB/T7930—2008规定的平地高程注记点的中误差( 0.4 m) 。严格按照 0.8 m 的两倍中误差来统计,43个高程注记点均满足精度要求。

  264个高程注记点的高程中误差计算结果为0.39m,试验区地形为平地,0.39 m 的高程中误差计算结果小于GB/T7930—2008规定的平地高程注记点的中误差( 0.4 m) 。严格按照 0.8 m 的两倍中误差来统计,264个高程注记点中有 1个(精度表标红处)粗差,粗差率为0.38% 。

  依据平面和高程精度分析结果来看,利用WorldView-230cm HD卫星影像进行1:2000地形图测制的技术路线是可行的,成图结果符合国家标准的精度要求。

  地物边线如路边线、河流边线等易受沿线两侧植被投影的影响,不能准确表达地物实际边线。下图以水域边界为例:

  (2)地物属性信息模糊①建筑物:建筑层数、材料不清晰;②通讯线,电力线走向不明确;③土地使用类型不明确。

  (3)较小地物无法确认受分辨率影响,一些较小地物,如窨井盖、栅栏等细节地物无法准确表达。

  高分辨率遥感卫星的轨道高度通常在几百千米,卫星遥感影像受大气和地形的影响较小,影像条带的宽度通常在几十千米,覆盖的范围也较大,因而非常适合于边境、无人区和禁飞区等地的测图。此外,遥感卫星按轨道做周期运动,可以在较短时间内对同一地区进行多次重复观测,数据的现势性强,能加快地形图的更新速度,因而航天摄影测量成图将逐步成为航空摄影测量成图方法的一种有益和必要的补充。

  MAXAR卫星群包括WorldView-1、GeoEye-1、WorldView-2和WorldView-3等多颗在轨卫星,具有高分辨率、无控定位精度高、可立体成图等优点,并且在影像覆盖面积、重访周期、测绘产品更新速度等方面都具有明显优势。利用WorldView-2 30cm HD立体影像测绘1:2000地形图,从数据融合、几何校正到影像矢量化,使用少量控制点进行稀少控制,进一步提高卫星影像定位精度,最终得到的结果精度可靠,满足国家标准中测图对成图的要求,证明采用的技术路线可行。

  在国民经济建设和发展中,大比例尺地形图占有相当重要的地位,由于城市建设的快速发展,大比例尺地形图的更新难以满足城市建设与规划等各方面的需求。国内对利用航天遥感影像进行测图和更新地形图的理论和方法研究一直没停止过,但是基本上都是针对中小比例尺地形图的更新而言的,利用高分辨率遥感影像更新大比例尺地形图的研究较少。此次利用MAXAR 30cm HD立体影像测绘1:2000地形图,精度满足需要,意味着利用高分辨率遥感影像更新大比例尺地形图方法可行,对于利用高分辨率遥感影像更新大比例尺地形图具有一定的参考价值。

  随着测绘生产的发展,利用高分辨率卫星立体影像进行内外业一体化测图成为趋势,该方法不仅可提高地形图更新的效率、降低地形图更新的成本,而且可以缩短地形图更新的周期等,是大比例尺地形图的更新的质的飞跃,对于推动行业发展有着重要作用。

  本次试验是利用高分辨率遥感影像进行测绘大比例尺地形图的试验,试验结果表明最终得到的结果精度可靠,满足国家标准中测图对成图的要求,证明采用的技术路线可行。此次测图范围较小,对于测绘较大地区的应用,还需要继续研究总结经验。

  同时也需注意到利用卫星影像进行大比例尺制图的不足之处,实际操作中发现仅凭影像图的目视解译判读地物并不能完全判读所有地物,需要结合其他资料才能确定地物类型与其属性,所以地形图更新测绘中需要结合实地踏勘、航空、无人机倾斜摄影等资料的补充。

  原标题:《学术 上海市测绘院:MAXAR 30cm HD立体影像在超大型城市1:2000地形图测绘中的应用——以上海国际旅游度假区为例》


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