鄧 鑫 ，黃彥鋒，劉 穎，龐 潔

(1.云南省測(cè)繪產(chǎn)品檢測(cè)站，云南 昆明 650034；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.云南省地礦測(cè)繪院有限公司，云南 昆明 650218)

0 引言

20世紀(jì)60年代以來(lái)遙感技術(shù)快速發(fā)展，遙感影像的應(yīng)用日趨成熟，遙感正射影像已被廣泛應(yīng)用于國(guó)土調(diào)查、生態(tài)監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃等諸多行業(yè)。遙感正射影像通常在各類大型建設(shè)項(xiàng)目、科研項(xiàng)目中用作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用，其地位十分重要。遙感正射影像的質(zhì)量將直接影響項(xiàng)目建設(shè)的效果。CH/T 1027—2012《數(shù)字正射影像圖質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的遙感正射影像的質(zhì)量元素有空間參考系、位置精度、邏輯一致性、時(shí)間精度、影像質(zhì)量、表征質(zhì)量、附件質(zhì)量[1]7項(xiàng)，其中，影像質(zhì)量元素包括色彩特征、色彩模式、影像噪音、信息丟失4項(xiàng)質(zhì)量子元素。

近些年來(lái)，隨著遙感影像生產(chǎn)處理的手段日趨成熟精準(zhǔn)，位置精度、色彩特征、影像噪音對(duì)遙感影像質(zhì)量的影響越來(lái)越小。而因四季變化和地形帶來(lái)的云、雪、陰影等遮擋依舊無(wú)法使用人工手段徹底消除，且其導(dǎo)致的信息丟失面積較大，特別是陰影面積較大、顏色較深時(shí)，會(huì)使影像上的土地類型、建筑物邊界、道路走向等重要信息無(wú)法識(shí)別，造成遙感影像可用性降低。

如今我國(guó)正轉(zhuǎn)型為高質(zhì)量的發(fā)展模式，遙感影像的獲取手段比以前更豐富，影像分辨率更高，但若沒(méi)有控制好遙感影像的獲取條件，只是增加了遙感影像的數(shù)量，沒(méi)有提升質(zhì)量，就談不上高質(zhì)量的發(fā)展。因此，選擇適當(dāng)?shù)呐臄z條件，控制影陰面積，才能更好地提升遙感正射影像質(zhì)量，提高使用效率，做到低耗能、高產(chǎn)出。

太陽(yáng)高度角是影響地物、山體、植被、構(gòu)建筑物陰影面積大小的直接原因，即衛(wèi)星影像拍攝時(shí)間決定了陰影面積的大小。為此，本文以云南省山地、高山地地形景洪市局部地區(qū)和蘭坪縣局部地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，分析影像成像年積日與陰影面積的關(guān)系，為遙感影像的獲取和正射影像的生產(chǎn)提供參考。

1 山體陰影形成的理論依據(jù)

1)北半球上半年太陽(yáng)直射點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

冬至日(12月22日前后)太陽(yáng)直射點(diǎn)位于南回歸線，春分(3月21日前后)太陽(yáng)直射點(diǎn)位于赤道，夏至日(6月22日前后)太陽(yáng)直射點(diǎn)位于北回歸線，上半年太陽(yáng)直射點(diǎn)呈逐漸北移的規(guī)律。

2)太陽(yáng)高度角與陰影長(zhǎng)度關(guān)系

如圖1所示，夏至、春分、冬至的太陽(yáng)直射角θ1>θ2>θ3，對(duì)同一山體陰影形成的不同陰影長(zhǎng)度比較為：線段AB

圖1 北半球太陽(yáng)高度角與陰影長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between solar altitude angle and shadow length

3)太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角

太陽(yáng)高度角是指對(duì)地球上的某個(gè)地點(diǎn)太陽(yáng)光入射方向和地平面的夾角。太陽(yáng)方位角是太陽(yáng)在方位上的角度，它通常被定義為從北方沿著地平線順時(shí)針量度的角。太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式如下：

θ=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(1)

(2)

式中：θ為太陽(yáng)高度角；β為太陽(yáng)方位角；φ為地理緯度；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角。

國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者提出了多種太陽(yáng)赤緯角的近似算法，這些算法均是基于年積日數(shù)為變量進(jìn)行的計(jì)算[4]：如Cooper提出的太陽(yáng)赤緯角近似算法[5]：

(3)

式中：m為所求日期在一年中的年積日數(shù)。

由上面各式聯(lián)立可知，影響太陽(yáng)位置的太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角主要由以下因子決定：地理緯度φ、太陽(yáng)時(shí)角ω、年積日m。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇

云南省88.64%的土地面積為山地[3]，山體陰影是影像信息丟失最多的地方，為保證研究結(jié)果能為實(shí)際應(yīng)用提供參考，本文選擇山體陰影作為研究對(duì)象。山體陰影面積往往較大，人工勾繪不良區(qū)域的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)結(jié)果影響較小。相對(duì)而言大部分構(gòu)建筑物、植被等陰影面積比較小，相同技術(shù)條件下，統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)研究結(jié)果影響較大，且存在較多不穩(wěn)定因素。因此，本文實(shí)驗(yàn)使用人工勾繪山體陰影的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 統(tǒng)計(jì)及評(píng)分

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為消除多變量影響，本文實(shí)驗(yàn)均選擇正午時(shí)刻所拍攝的影像，即太陽(yáng)時(shí)角ω為0，根據(jù)式(2)，ω=0 則sin0°=0，太陽(yáng)方位角β=0。在選在實(shí)驗(yàn)區(qū)時(shí)，固定同一山體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，則地理緯度φ為固定值。因此在本實(shí)驗(yàn)中山體陰影的面積只受年積日數(shù)m的影響。

為盡量減少因正射糾正造成的面積統(tǒng)計(jì)誤差，本文實(shí)驗(yàn)中所用的全部遙感正射影像均基于同一數(shù)字高程模型制作。

3.2 質(zhì)量評(píng)分依據(jù)

為定量分析山體陰影量對(duì)影像質(zhì)量造成的影響，以1∶5 000圖幅面積為影像有效面積，影像不良區(qū)域面積僅僅統(tǒng)計(jì)山體陰影面積(既只定量分析山體陰影導(dǎo)致的影像評(píng)分差異)，為排除軟件自動(dòng)解譯、不同作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)等影響導(dǎo)致的誤差，所有實(shí)驗(yàn)區(qū)均由一名技術(shù)員進(jìn)行人工勾繪山體陰影不良區(qū)域面積。影像質(zhì)量評(píng)分執(zhí)行GB/T 18316—2008《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》[6]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分公式如下：

s=60+40/r0×(r0-r)

(4)

(5)

式中：s為評(píng)分分?jǐn)?shù)；n為不良區(qū)域的面積；N為影像有效面積。本實(shí)驗(yàn)中r0取值1%，當(dāng)r≤r0時(shí)影像合格。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)系是以2000國(guó)家大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的3度分帶高斯-克呂格投影坐標(biāo)系。

3.3 景洪市局部地區(qū)影像陰影評(píng)分實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取云南省南部的景洪市局部區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)。景洪市位于赤道與北回歸線之間，靠近北回歸線。實(shí)驗(yàn)區(qū)近似經(jīng)緯度為101°2′、21°49′N，實(shí)驗(yàn)山體海拔約1 470 m，從山底至山頂高差為約200 m。根據(jù)GDPJ 08—2013《多尺度數(shù)字高程模型生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》由數(shù)字高程模型計(jì)算并進(jìn)行坡度分析，實(shí)驗(yàn)區(qū)屬山地類型。實(shí)驗(yàn)選取的影像具體情況如表1所示。

表1 景洪市實(shí)驗(yàn)區(qū)1月至4月影像信息表Tab.1 Image information of Jinghong test area from January to April

景洪市實(shí)驗(yàn)地區(qū)1月至4月影像圖見圖2。

圖2 景洪市實(shí)驗(yàn)區(qū)1至4月影像圖Fig.2 Images of JingHong test area from January to April

勾繪并統(tǒng)計(jì)各月份山體陰影面積，按式(4)和式(5)，計(jì)算各月份影像得分，計(jì)算結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果表明，年積日越靠近夏至日，山體陰影造成的不良面積越小，影像評(píng)分越高。

表2 景洪市實(shí)驗(yàn)區(qū)影像得分Tab.2 Image quality scores of Jinghong test area

3.4 蘭坪縣局部地區(qū)影像陰影評(píng)分實(shí)驗(yàn)

使用以上相同的實(shí)驗(yàn)方法，選取緯度更高的蘭坪縣局部區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。蘭坪縣地處云南西北部，由于經(jīng)濟(jì)、自然和交通等因素的制約，開展外業(yè)實(shí)地調(diào)繪難度較大，因此選用高質(zhì)量的、信息丟失少的遙感影像，更能對(duì)實(shí)際項(xiàng)目有較大幫助，具有更大的意義。

蘭坪縣整體范圍在北回歸線以北，實(shí)驗(yàn)區(qū)近似經(jīng)緯度為99°9′E、26°19′N。山體海拔約2 190 m，從山底至山頂最大高差為約450 m。由數(shù)字高程模型計(jì)算并進(jìn)行坡度分析，實(shí)驗(yàn)區(qū)屬高山地類型。實(shí)驗(yàn)選取的影像具體情況如表3表示。

表3 蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)1月至5月影像信息表Tab.3 Image information of Lanping test area from January to May

蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)1月至5月山體陰影變化見圖3。勾繪并統(tǒng)計(jì)各月份山體陰影面積，發(fā)現(xiàn)隨著年積日的增加，太陽(yáng)直射點(diǎn)逐漸北移，山體陰影面積也逐漸變小。此外，對(duì)比山體陰影遮擋區(qū)域，發(fā)現(xiàn)1月至3月間道路、河渠、耕地、房屋等重要地物被陰影遮擋后難以辨別，可用信息減少，給影像判讀和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。

圖3 蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)1至5月影像圖Fig.3 Images of Lanping test area from January to May

按式(4)、式 (5)計(jì)算各月份影像得分如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，年積日越靠近夏至日，山體陰影量所造成的不良面積越小，影像評(píng)分越高。

表4 蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)影像質(zhì)量得分Tab.4 Image quality scores of Lanping test area

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)不良面積的統(tǒng)計(jì)和評(píng)分，經(jīng)分析可得：

1)在北回歸線以北的地區(qū)，景洪市實(shí)驗(yàn)區(qū)及蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)在逐漸接近夏至日時(shí)，影像的山體陰影面積減少，影像信息丟失減少，對(duì)質(zhì)量的影響降低，從而使影像的可用性提高；

2)以蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)為代表的高山地地貌，由于山體高差較大，山體陰影面積更大，陰影顏色更深，造成信息丟失的情況更多，地物更難以辨別，實(shí)際使用中更需要注重山體陰影帶來(lái)的影響；

3)以景洪市實(shí)驗(yàn)區(qū)為代表的低緯度地區(qū)在4月份即可達(dá)到陰影面積對(duì)質(zhì)量影響最小的程度(評(píng)分為90分以上)。而在達(dá)到以相同評(píng)分為目標(biāo)時(shí)，以蘭坪縣實(shí)驗(yàn)區(qū)為代表的高緯度地區(qū)，要在5月份才能達(dá)到該質(zhì)量水平。因此，高緯度地區(qū)更需要注意選用接近夏至日所拍攝的影像。

4 結(jié)論

通過(guò)前文分析，筆者得出如下結(jié)論：

1)本文收集了同一地區(qū)、不同月份、幾乎同一時(shí)刻的影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)定量分析，排除了大部分可能引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的影響因素，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2)使用本文研究方法，可研究每年下半年太陽(yáng)直射點(diǎn)逐漸南移過(guò)程中山體陰影的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析緯度與山體陰影的相關(guān)關(guān)系，找出最佳拍攝月份的區(qū)間，為遙感影像的獲取和正射影像的生產(chǎn)提供更全的參考。

3)遙感正射影像質(zhì)量是否達(dá)到國(guó)家有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還要結(jié)合影像的有效面積和其他質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，影像質(zhì)量的總體得分不能單純由拍攝月份決定。