P5卫星影像立体测图的试验和分析

范 兰，赵 巍，陈 杰，王海燕

(国家测绘地理信息局第一航测遥感院，陕西西安710054)

一、引 言

测绘工作中越来越多地采用卫星影像测制大中比例尺地图和提取地面数字高程模型等。卫星遥感的立体像对与航空影像的立体像对一样，也能够进行不同比例尺地形图的测绘［1］。空间分辨率达到米级/亚米级的立体遥感图像，已有能力替代传统用于1∶50 000和1∶10000比例尺地形图测绘或地理信息更新的航空影像［2］。高空间分辨率(1～3 m)卫星遥感图像以其高时间分辨率和直接为数字影像的特点，无疑将成为重要的数据源。数字摄影测量技术则是快速生产和更新数字空间数据的必要手段［3］。

P5作为高分辨率遥感制图卫星，具有测制大中比例尺地图的潜力。它可提供用于较大比例尺地形图制图、高程建模等的立体像对数据，其优势主要体现在立体观测方式、较高的地面分辨率、良好的基高比及理想的高程精度。在立体观测模式下，由于两个相机获取同名地物影像的时间间隔只有52 s，使得两幅影像的辐射效应基本一致，有利于立体观察和影像匹配［4］。

已有专家利用北京地区的立体像对数据进行了有关试验研究，结果表明，在良好的地面控制点的支持下，平面和高程精度均可达到5 m，满足国家1∶50 000基本比例尺地形图测图规范要求［4］。但是在1∶10 000测图生产中能否发挥潜力，尚需进行试验和分析。陕西测绘地理信息局利用某地区的P5立体影像，采用全数字摄影测量系统测制1∶10 000数字线划图(DLG)，进行了相关试验［5］。

二、试验研究内容和测图精度要求

1.试验内容

1)多中心投影卫星影像数据在国产全数字摄影测量系统中建立立体模型。

2)从P5卫星立体影像中提取地物矢量信息和线划图测绘的技术及工艺。

3)测图精度分析评价。

2.测图精度要求

根据我国测绘行业标准《基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000 生产技术规程》第 1 部分：数字线划图(DLG)(CH/T 1015.1—2007)的要求，DLG 数据精度［6］见表1。

表1 1∶10 000 DLG数据精度要求

三、原始数据资料情况

1)立体卫星影像数据。根据文献［5］，P5轨道高度为618 km，相机焦距为1945 mm，可形成同轨立体像对，像对的有效幅宽为26 km，基线高度比为0.62。本次试验所用影像分辨率为2.5 m。

2)尽管卫星遥感影像的区域网平差精度已经达到较高的要求，能够获得满足1∶10 000的成图精度要求的加密点［6］，但为了保险起见，本次试验仍采用已有的1∶10 000空三加密成果数据。

3)覆盖区域已有的1∶10 000基础测绘调绘成果。

4)覆盖区域已有的1∶10 000矢量数据(用于平面检测)。

5)覆盖区域已有的1∶10 000DEM数据及检测点(用于高程检测)。

试验区含3幅图，均为自由分幅，每幅图约等于1∶10 000分幅，分幅和编号按照国家标准规定设置［7］。试验区属黄土高原沟壑地带，地貌以黄土塬、梁、峁、沟壑为主，地形类别大多为山地。

上述各种已有资料，其空间位置都定位于《国家大地测量基本技术规定》(GB 22021—2008)规定的大地测量空间定位基准框架［8］中。

四、试验研究过程

试验研究过程主要包括选择数据测图系统、影像预处理和参数设定、影像定向建模、测图数据采集、试验结果检测和分析等，其中最重要的是数字测图过程。数字测图是利用数字测图系统，在软件支持下，采用脱机绘图的方式测绘地形［9］。要素采集按照《基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000生产技术规程第1部分：数字线划图(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)规定的要素内容进行［6］。采集的要素分类和编码按照《基础地理信息要素分类与代码》(GB/T 13923—2006)执行［10］。

1.测图系统选择

国产的主流全数字摄影测量系统都支持对P5立体影像数据的处理，本次试验选取 JX4C DPS系统。

2.影像数据预处理和参数设定

涉及的处理包括数据格式转换、影像灰度调整、分辨率参数设置、影像参数修改等［1］。

3.定向建模

建模包括相对定向、创建核线影像、绝对定向，采用15个点进行定向。定向误差要求见表2。

表2 定向误差要求［6］

4.立体测图

定向建模完成之后，即可进入矢量测图。测图方法按照《基础地理信息数字产品 1∶10 000、1∶50 000生产技术规程第 1部分：数字线划图(DLG)》(CH/T 1015.1—2007)规定的方法进行［6］。采集地物和地貌时以现有的外业调绘成果作为判读依据。

五、试验结果分析

1.测图采集过程中对要素的判读分析

受卫星影像分辨率仍不够高的影响，在立体影像上能直接准确判读的地形地物要素不多，地物位置精度也不高。无调绘分类判读分析的情况见表3。所以，准确判读必须借助于外业调绘成果。

2.测图数据精度检测和分析

(1)定向精度的检测

定向精度采取多点检测方法。检测从一到多个控制点定向，一方面考察误差情况，另一方面分析控制点的数量及分布对精度的影响。试验区为山地，定向限差不得大于表2中山地误差的规定。

1)定向精度检测。检测及分析结果见表4。从表4中可以看出，相对定向和绝对定向误差分别达到了要求。

2)控制点数量对定向精度的影响。利用轨道参数和稀疏控制点做绝对定向，从一到多个控制点进行定向，检测结果见表5。

表3 测图采集中地形地物要素分类判读分析

表4 定向精度检测及分析结果

表5 不同控制点数量的定向结果

从表5中可以看出，1个或2个点定向的误差较大，超过限差要求;3个及更多点定向时平面和高程误差都在限差以内，但是精度提高的趋势不大，所以用3个点进行定向就可以满足山地的精度要求。

(2)控制点分布对精度的影响

本试验区内控制点点位的分布不是很均匀，这是由于在选择控制点时，主要考虑了控制点的点位精度和点位是否容易判定。在这种情况下，3点定向就可以满足1∶10 000线划图山地的精度要求。在困难地区条件下，控制点的点位可以不是很均匀，但一定要能容易判定。

(3)控制点数量不同对点位精度的影响

在同一景影像中，分别用1～15个控制点做控制，选取6个地物点和注记点检测点位误差，点位误差统计见表6。

表6 控制点数量不同时的点位误差 m

由表6可见，在控制点数量不同的情况下，不是控制点越多，同一点位的精度就越高。实际中，从保证成图精度和减少外业工作量来看，采用4个控制点定向完全可以保证点位精度。

(4)立体测图数据(DLG)的检测

检测时采用将测图数据中的实测点作为检测点与已有的同名地物点、注记点进行比对测量平面、高程较差的方法。分别利用加密成果中的外业控制点、加密点及保密点和外业实测点进行检测［11-13］。

检测时的精度指标为明显地物点对附近野外控制点的平面位置中误差和高程注记点、等高线对附近野外控制点的高程中误差不得大于表1的规定。

试验区内的3幅图的检测结果见表7，从检测结果可以看出各点误差都在范围之内。

表7 试验图幅检测结果m

六、结 论

本次试验研究对基于P5卫星影像的1∶10 000基础测绘立体测图的过程有了整体了解，对今后卫星影像用于规模化生产具有很强的指导意义。通过对试验成果的检测和分析，可以得出以下结论：

1)试验分析结果表明，在正确选择全数字摄影测量系统的前提下，推扫式2.5 m分辨率卫星立体影像，可以用于测制1∶10 000数字线划图。

2)通过对1∶10 000 DLG成果数据的检测分析，平面精度、高程精度可以达到规范中规定的山地地形类别中误差要求。尽管如此，但是误差已经接近极限。所以P5卫星立体影像1∶10 000测图最好还是用于正常航测不易到达的困难区域。

3)P5卫星影像立体测图时，受影像分辨率的影响，要把地物标记在准确的位置很难完全保证。因此，必须借助外业调绘成果来完成从影像上判绘的工作。

4)与正常航测方法相比较，虽然一景卫星影像可以包含更大的范围，减少了定向、接边等工作，但是描绘、地物判读等仍耗费大量时间，成图的效率提高不多。

［1］张海涛，贾光军，虞欣.基于GeoEye-1卫星影像的立体测图技术研究［J］.测绘通报，2010(12)：43-46.

［2］张力，张继贤，陈向阳，等.基于有理多项式模型RFM的稀少控制SPOT-5卫星影像区域网平差［J］.测绘学报，2009，38(4)：302-303.

［3］李德仁，王树根，周月琴.摄影测量与遥感概论［M］.2版.北京：测绘出版社，2008：255-256.

［4］赵利平，刘凤德，李健，等.印度测图卫星IRS-P5定位精度初步研究［J］.遥感信息，2007(2)：28-32.

［5］赵巍，杨静，王海燕，等.基于IRS-P5卫星立体影像的地形图测绘试验［J］.测绘标准化，2008，24(2)：34-38.

［6］国家测绘局.CH/T 1015.1—2007基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000生产技术规程 第1部分：数字线划图(DLG)［S］.北京：测绘出版社，2007.

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T13989—2012国家基本比例尺地形图分幅和编号［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 22021—2008国家大地测量基本技术规定［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［9］耿则勋，张保明，范大昭.数字摄影测量学［M］.北京：测绘出版社，2010：224-225.

［10］张过，李德仁，袁修孝，等.卫星遥感影像的区域网平差成图精度［J］.测绘科学技术学报，2006，23(4)：239-241.

［11］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 13923-2006基础地理信息要素分类与代码［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［12］国家技术监督局.GB/T 13990—1992 1∶5000、1∶10 000地形图航空摄影测量内业规范［S］.北京：中国标准出版社，1993.

［13］国家技术监督局.GB/T 13977—1992 1∶5000、1∶10 000地形图航空摄影测量外业规范［S］.北京：中国标准出版社，1993.

［14］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 18316-2008数字测绘成果质量检查与验收［S］.北京：中国标准出版社，2008.