奚 歌，郭建春，吳正鵬，謝津平

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134)

隨著衛(wèi)星傳感器技術(shù)以及星座軌道技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率也越來(lái)越高，例如WorldView- 3的空間分辨率達(dá)到0.31m，這使得高分辨衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在水利工程項(xiàng)目大比例尺地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用成為可能。按照水利工程測(cè)量規(guī)范要求，一般水利工程項(xiàng)目在可研設(shè)計(jì)階段壩址區(qū)及其上下游附近要求1∶1000～1∶2000地形圖，引調(diào)水工程輸水線路初設(shè)階段、料場(chǎng)、棄渣場(chǎng)要求1∶2000地形圖。通常情況下，采用航空攝影測(cè)量輔助機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，生產(chǎn)1∶2000地形圖。航空攝影的方式受天氣和空域的影響較大，采集數(shù)據(jù)的周期變長(zhǎng)，成本升高，最關(guān)鍵的問題在于難以滿足工期要求。衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以調(diào)取部分存檔數(shù)據(jù)或者編程數(shù)據(jù)，來(lái)解決數(shù)據(jù)獲取困難的問題，尤其對(duì)于偏遠(yuǎn)人跡罕至地區(qū)、國(guó)外項(xiàng)目、空域協(xié)調(diào)困難的項(xiàng)目，衛(wèi)星立體影像都得到了成功的應(yīng)用。

在利用衛(wèi)星立體像對(duì)生產(chǎn)大比例尺地形圖的技術(shù)可行性方面，國(guó)內(nèi)有很多技術(shù)學(xué)者都進(jìn)行了嘗試和分析。葉江[1]開展了高原山區(qū)WorldView- 2和GeoEye- 1立體像對(duì)定位精度的研究，分析不同數(shù)量的控制點(diǎn)布設(shè)對(duì)定位精度的影響；宋楊[2]、孫暢[3]開展了立體衛(wèi)星像對(duì)在1∶5000及1∶10000地形圖生產(chǎn)的應(yīng)用研究；王玉訓(xùn)[4]、王洪艷[5]、許康[6]等又進(jìn)一步通過方案研究和實(shí)驗(yàn)分析，推導(dǎo)出高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)1∶2000地形圖的可行性。2020年8月我國(guó)首顆亞米級(jí)高分七號(hào)立體衛(wèi)星也圓滿完成在軌測(cè)試，順利投入使用。隨著我國(guó)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星以及國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星星座的持續(xù)發(fā)射，衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源會(huì)越來(lái)越豐富，時(shí)間和空間分辨率不斷提高，在大比例尺地形圖測(cè)圖、數(shù)字孿生流域及工程[7]、河湖監(jiān)管[8]、流域土地利用變化分析[9]等方面的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。本文僅對(duì)WorldView- 3衛(wèi)星立體像對(duì)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用做初步嘗試。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)介紹

此次實(shí)驗(yàn)選取西藏某水利工程項(xiàng)目，地形類別為山區(qū)，測(cè)區(qū)地物較少，存在部分散落居民地，大部分為草地與灌木，測(cè)區(qū)面積為40.2km2。該水利工程項(xiàng)目壩址位于某河上游的“V”型河谷內(nèi)，正常蓄水位為4195m，死水位為4162m。南部地區(qū)屬拉薩河支流某流域，平均海拔3860m，地勢(shì)起伏較大，項(xiàng)目區(qū)最高處海拔約5070m，最低處海拔約3820m。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 衛(wèi)星立體像對(duì)數(shù)據(jù)情況

實(shí)驗(yàn)前期收集選取了四景WorldView- 3影像組成2個(gè)立體像對(duì)，立體像對(duì)獲取日期分別為2017年11月19日(入射角分別為25.0°、-26.4°)，2018年10月11日(入射角分別為18.3°、-13.7°)。影像數(shù)據(jù)包括：全色衛(wèi)星影像，地面分辨率0.31m；多光譜影像，地面分辨率1.24m。影像整體色調(diào)均勻、紋理清晰、反差適中、層次豐富，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)無(wú)云雪覆蓋。

2.2 像控點(diǎn)采集

像控點(diǎn)測(cè)量精度按照1∶2000地形圖成圖要求執(zhí)行，像控點(diǎn)類型統(tǒng)一為平高控制點(diǎn)；像控點(diǎn)選擇在影像和野外現(xiàn)場(chǎng)均能清晰判讀的位置，如道路路口、房屋角點(diǎn)、其他獨(dú)立地物等；影像刺點(diǎn)在野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，刺點(diǎn)精度控制在0.5個(gè)像素之內(nèi)。用于評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度的檢查點(diǎn)，采用與像控點(diǎn)同樣的技術(shù)要求施測(cè)，即保證其為同精度觀測(cè)數(shù)據(jù)；受實(shí)地條件限制，將檢查點(diǎn)的類型規(guī)定為平高檢查點(diǎn)和高程檢查點(diǎn)2類。

由于現(xiàn)場(chǎng)交通條件限制，剔除某些無(wú)法正確轉(zhuǎn)刺的像控點(diǎn)后，本次實(shí)驗(yàn)共獲取能夠在影像上清晰判讀的像控點(diǎn)14個(gè)。像控點(diǎn)均采用省級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站進(jìn)行GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量。數(shù)據(jù)經(jīng)平差處理后，像控點(diǎn)平面及高程精度均優(yōu)于5cm，像控點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片及刺點(diǎn)示例如圖1所示。

圖1 像控點(diǎn)位置及實(shí)地照片示意圖

區(qū)域網(wǎng)中像控點(diǎn)(白色高亮三角)、公共點(diǎn)(紅圈高亮三角)、平高檢查點(diǎn)(藍(lán)色三角)及高程檢查點(diǎn)(藍(lán)色圓圈)具體分布情況如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

一般來(lái)說，采用衛(wèi)星立體像對(duì)數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖(DLG)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)等成果所涉及的主要技術(shù)環(huán)節(jié)包括：區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量(外參數(shù)解算)、匹配數(shù)字表面模型(DSM)、DEM濾波及編輯、全色波段影像正射糾正、多光譜影像與全色影像配準(zhǔn)糾正、影像融合處理、圖像增強(qiáng)處理、影像鑲嵌與裁切、立體測(cè)圖及編輯、數(shù)據(jù)接邊處理及元數(shù)據(jù)填寫等。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。實(shí)際操作過程中，空中三角測(cè)量軟件采用INPHO攝影測(cè)量系統(tǒng)衛(wèi)星模塊，主要數(shù)據(jù)處理流程包括：航天/航空遙感數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量、DTM地形自動(dòng)提取與建模、正射影像糾正拼接勻色處理等。數(shù)據(jù)采集軟件采用易繪eFeature軟件，直接調(diào)用INPHO軟件的衛(wèi)星影像空中三角測(cè)量成果進(jìn)行立體測(cè)圖，完成衛(wèi)星立體影像的地形圖測(cè)圖工作。

圖3 數(shù)據(jù)處理基本流程圖

本文重點(diǎn)關(guān)注立體衛(wèi)星遙感影像空中三角測(cè)量、數(shù)據(jù)采編和影像數(shù)據(jù)預(yù)處理3個(gè)方面的內(nèi)容。其中：

(1)立體衛(wèi)星遙感影像空中三角測(cè)量：根據(jù)衛(wèi)星遙感影像提供的RPC參數(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)的像控點(diǎn)，采用區(qū)域網(wǎng)平差的方法解算準(zhǔn)確的外方位參數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)采編：利用空中三角測(cè)量成果與衛(wèi)星遙感影像構(gòu)建立體像對(duì)，進(jìn)行DEM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

(3)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理：為提高影像判讀及立體采集精度，采用勻光勻色軟件，在立體測(cè)圖前期對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行影像融合(配準(zhǔn)糾正的控制點(diǎn)殘差中誤差原則上不超過1個(gè)像素)、像素位降位、勻光勻色處理，保證立體采集所用影像色調(diào)均勻、紋理清晰、層次豐富。

3 精度分析

3.1 區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)

利用高分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)進(jìn)行地面目標(biāo)量測(cè)所能達(dá)到的精度是立體衛(wèi)星實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，直接影響到衛(wèi)星立體像對(duì)的應(yīng)用推廣。此次采用外業(yè)測(cè)量的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)(與像控點(diǎn)同精度測(cè)量)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

按照GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》和SL 197—2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)?shù)匦晤悇e為山地時(shí)，基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)(多余控制點(diǎn))平面位置限差分別為0.4、0.7m，高程限差分別為0.6、1.0m。從表1區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，該實(shí)驗(yàn)中，基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)(多余控制點(diǎn))的平面位置和高程精度均滿足規(guī)范要求。

3.2 位置精度分析

在區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，進(jìn)一步測(cè)試1∶2000地形圖成圖過程中立體采集的精度情況。實(shí)驗(yàn)前期，采用省級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站進(jìn)行GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，獲取地形圖成圖檢查點(diǎn)位置信息，共測(cè)量57個(gè)平面檢查點(diǎn)、91個(gè)高程檢查點(diǎn)，其中平面檢查點(diǎn)主要位于橋頭、道路交叉口、水泥角、斑馬線等位置；因壩址區(qū)區(qū)域?qū)Φ匦螆D高程精度要求較高，故額外采集了部分高程檢查點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，立體采集位置精度統(tǒng)計(jì)分析全部使用外業(yè)實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)與內(nèi)業(yè)采集結(jié)果進(jìn)行較差，平面位置和高程精度情況統(tǒng)計(jì)見表2—3：

表2 精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表3 平面及高程誤差分布情況統(tǒng)計(jì)表

整體看來(lái)，檢查點(diǎn)的平面位置中誤差和高程中誤差均滿足GB/T 7930—2008和SL 197—2013所規(guī)定的成圖精度要求。從平面及高程誤差分布統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，平面及高程誤差均呈現(xiàn)正態(tài)分布狀態(tài)，不存在粗差點(diǎn)，其中小于2倍中誤差的平面檢查點(diǎn)占比高達(dá)96.5%、高程檢查點(diǎn)占比約91%。即便是大于2倍中誤差的檢查點(diǎn)(平面位置最大較差0.539m，高程最大較差0.860m)的精度也是遠(yuǎn)低于GB/T 7930—2008中“1∶2000地形圖上地物點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)大于1.6m，高程注記點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于1.2m”(地形類別為山地)的要求。

3.3 測(cè)圖精度影響因素分析

影響攝影測(cè)量與遙感成圖精度的因素有很多，如：原始影像的地面分辨率、基高比及影像質(zhì)量，像控點(diǎn)測(cè)量精度、布設(shè)方式及刺點(diǎn)片的可靠性，區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度(RPC參數(shù)的精度，連接點(diǎn)分布合理性、可靠性，區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)刺點(diǎn)準(zhǔn)確度)等。一般來(lái)說，攝影測(cè)量與遙感立體采集的成圖精度為原始影像地面分辨率的2～3倍，這是業(yè)界技術(shù)人員通用的經(jīng)驗(yàn)值；還有一個(gè)普遍的認(rèn)識(shí)和結(jié)論，即相對(duì)于高程精度，平面精度則更容易控制并達(dá)標(biāo)。因此，這里重點(diǎn)分析高程采集精度的影響因素。從內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集的角度講，人為判讀的準(zhǔn)確性是影響攝影測(cè)量與遙感成圖高程精度的主要因素，結(jié)合以下2個(gè)主要方面進(jìn)行分析并歸納總結(jié)，提出合理建議。

(1)由于衛(wèi)星影像的傳感器距離地面較遠(yuǎn)，造成攝影基線B與相對(duì)航高H的比值(基高比)較小，會(huì)影響測(cè)圖的高程精度。同時(shí)此次使用的衛(wèi)星立體像對(duì)前視、后視影像間側(cè)視角差值分別為51.4測(cè)和32.0測(cè)，側(cè)視角差值較大，立體測(cè)圖時(shí)會(huì)存在高差明顯夸大現(xiàn)象，測(cè)圖時(shí)要注意設(shè)置好調(diào)整高程的步距。

(2)由于WorldView- 3衛(wèi)星影像分辨率為0.31m，與1∶2000比例尺成圖要求的航攝影像地面分辨率(一般情況下，要求航攝影像的地面分辨率優(yōu)于0.2m)相比較低，將影響數(shù)據(jù)采集精度。在前述位置精度分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究衛(wèi)星影像地面分辨率對(duì)高程采集精度的影響，驗(yàn)證WorldView- 3立體衛(wèi)星影像采集精度。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)了部分較為明顯的房屋與圍墻角點(diǎn)，并測(cè)量了21處房屋與圍墻的比高，與WorldView- 3立體像對(duì)作業(yè)員從模型上量測(cè)的比高相比較，得出針對(duì)WorldView- 3衛(wèi)星立體影像作業(yè)員成圖時(shí)的采集精度誤差，經(jīng)統(tǒng)計(jì)采集的高程誤差約0.2～0.3m，后期測(cè)圖時(shí)要注意測(cè)標(biāo)要嚴(yán)格切準(zhǔn)待測(cè)地物表面，需要選擇有經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)員進(jìn)行測(cè)圖。

4 結(jié)論

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，西藏某水利工程高原山區(qū)地物點(diǎn)對(duì)野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)平面位置中誤差為±0.270m，小于GB/T 7930—2008和SL 197—2013中1∶2000比例尺實(shí)地±1.60m的平面位置精度要求；高程注記點(diǎn)高程與野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)高程相比較，高程中誤差為±0.120m，小于GB/T 7930—2008和SL 197—2013中1∶2000比例尺山地±1.2m的高程精度要求。

綜上所述，WorldView- 3衛(wèi)星立體影像數(shù)據(jù)可用于制作1∶2000比例尺地形圖，其精度能夠滿足國(guó)標(biāo)及水利行業(yè)規(guī)范要求。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于衛(wèi)星影像的幅寬大，所需要的控制點(diǎn)少，可進(jìn)一步減少高原外業(yè)布控的時(shí)間和難度；難點(diǎn)在于衛(wèi)星立體像對(duì)的基高比小，空間分辨率低，地物判讀相對(duì)困難，對(duì)作業(yè)員的數(shù)據(jù)采集影響較大。本文實(shí)驗(yàn)區(qū)覆蓋范圍較小、地勢(shì)變化較大但地物類型相對(duì)簡(jiǎn)單，采用0.31m空間分辨率衛(wèi)星立體像對(duì)進(jìn)行1∶2000地形圖的生產(chǎn)是可行的，但由于分辨率限制，影像上仍有一些地物無(wú)法清晰判讀，需要外業(yè)實(shí)地補(bǔ)測(cè)。隨著我國(guó)衛(wèi)星遙感影像的空間分辨率的不斷提高，在大比例尺地形圖生產(chǎn)方面的應(yīng)用，仍有待進(jìn)一步的研究。