快鸟卫星影像在城市1：5000电子地图制作的应用

韦金丽

（广西基础地理信息中心 广西南宁 530023）

【摘　要】　高分辨率卫星快鸟（Quickbird）的发射，使卫星遥感影像在城市大比例尺地图制作方面得到越来越广泛的应用。本文结合广西重点城市1：5000电子地图制作，从快鸟数据的订购、正射校正、波段组合、融合处理、数据采集及优缺点等方面进行了探讨。
【关键词】　快鸟卫星影像 大比例尺地图 ERDAS IMAGINE 几何纠正 精度检验

　　1 前 言
　　随着社会经济的高速发展，对城市大比例尺电子地图的需求越来越大，传统的大比例尺地图制作方法，如野外量测成图、航测法等，由于成本高，生产周期长，更新周期长，不能很好的满足社会各行业的需要。
　　2001年10月18日美国数字全球（Digitalglobe）公司成功发射了商用高分辨率卫星快鸟（Quickbird），地面分辨率达0.61米，可与航片媲美，且成本低，精度高，更新周期短，使卫星遥感影像逐渐成为制作城市大比例尺地图的主角。
　　2004年开始，广西基础地理信息中心利用快鸟卫星影像制作完成了广西12重点城市1：5000电子地图，并计划在今后利用高分辨率卫星逐步对其更新。本文结合广西重点城市1：5000电子地图制作，从遥感数据的订购、正射校正、波段组合、融合处理、数据采集等方面探讨了快鸟数据的基本处理方法，对快鸟数据的优缺点进行一定的分析。
　　2 快鸟卫星影像简介
　　快鸟卫星由Ball航天技术公司（Ball Aerospace & Technologies Corp）、柯达公司和Fokker空间公司（Fokker Space）联合研制，是目前世界上空间分辨率最高的商用卫星。
　　快鸟卫星有突出的优越性：全色分辨率为61cm，多光谱分辨率为2.44m，是同类卫星Ikonos的1.63倍；多光谱有红、绿、蓝、近红外四个波段，与Ikonos相同；采用11bit/s数据格式，增加了灰度级数，减少了阴影部分信息的损失。图像幅宽16.5公里×16.5公里（272.25平方公里），编制一个城市的1：5000图，只需处理1～2景的卫星影像数据就可以了，相比几十上百幅航空影像的处理，成本及工作量大为减少。
　　3 快鸟影像的订购
　　目前，DigitalGlobe快鸟数据中国代理商有多家，北京天目创新是中国总代理，在北京、天津、上海、广东、重庆等有分销商。客户提出需求计划（AOI）给代理商，代理商优先考虑已有的存档数据满足客户需求，对没有存档数据范围安排编程采集。由于快鸟的地面接收站只有一个，因此不同的代理商拿到的数据是相同的，但定单的优先等级可能会有所不同。
　　订购数据时，用户需向数据代理商提供购买区域的经纬度坐标，不规则的采购区至少要有4个点组成，每条边大于5公里。存档数据最小订购面积为25平方公里；编程数据最小订购面积为64平方公里。
　　订购时间和用户拿到数据之间有时间差，时间长短因用户对于遥感数据的云量、入射角的要求，及天气而异。一般要求云量<20%，拍摄角度（垂向夹角）<30度。根据我们对快鸟数据的订购情况，拍摄角度大于15度时纠正精度不是很好。一个订购周期为90天，在广西，一个订购周期往往难以拿到数据，如果是加急定单，要在可能有好天气的前一个星期通知代理商，安排采集。
　　QuickBird数据有 level1B和level 2A数据，根据正射级纠正精度决定。选择level1B级数据，纠正精度最高，将小于2米，用于测绘制图，选择level1B级数据较好，但要求软件有QuickBird的Rigorous Sensor Model（严密模式）和高精度的地面控制点和高程模型。目前PCI、ERDAS IMAGINE 8.7有这种模型。
　　特别注意的是，拿到的影像有可能质量不合格，如卫星下载时丢失数据，使分辨率下降，用户要提供影像样本，争取退款等解决办法。
　　4 数据处理工作流程
　　利用快鸟卫星影像制作城市1：5000电子地图，必须作数字几何正射纠正，利用地面控制点（GCP）和高精度DEM对各种因素引起的图像几何畸变进行纠正。实质就是将中心投影的影像通过数字元纠正形成正射投影的过程，其原理是将影像化为很多微小的区域，根据有关的参数利用相应的构像方程式或按一定的数学模型用控制点解算，求得解算模型，然后利用数字元高程模型对原始非正射影像进行纠正，使其转换为正射影像。
　　4.1 基础数据准备
　　卫星影像数据：如果是几块数据，要先做图像拼接。
　　地形图数据：应先做纠正和地理配准。纠正精度达到原图比例尺的要求。建议用1：500地形图，1：1000地形图或1：2000地形图由于经过综合，会给控制点选择带来误导。
　　如果无现成的地理底图，采用差分GPS实测，一个城市选择12个控制点即可，最少不应少于9个，且尽可能均匀分布于整个制图区域，范围大的适当增加数量。控制点一般选在道路、田埂等线状地物交叉点上，或者地物的几何中心。选择影像边缘清晰， GPS量测精度高的点进行测量。另外用GPS测量6个检查点，用于检验影像纠正精度。
　　DEM数据：如果数学基础与不同，应先做地形图数据投影转换。大于1：10000数字高程模型（DEM）较好。
　　4.2 几何正射校正
　　影像纠正采用软件是功能强大的美国ERDAS公司开发的遥感图像处理系统ERDAS IMAGINE 8.5。ERDAS IMAGINE 利用原厂提供的RPC数据，配合控制点（GCPs）与高程（DEM）数据对单景基本和标准图像做正射纠正。
　　以校正好的地形图为基准，在影像图上找出和地形图上地物相匹配的明显地物作为地面控制点。在进行正射校正时，应先进行全色波段数据校正，然后以校正好的全色波段数据为基准进行多光谱数据校正。以全色波段数据为基准校正多光谱波段就比较容易校正，且能提高两者的匹配精度。地面控制点应分布均匀，影像的边缘部分布要有控制点分布，同时在不同的高程范围最好都有控制点。地面控制点的数量因地形地貌的复杂程度而定，使RMS值小于1.5。如果是GPS实测的控制点，采用键盘输入控制点的方法，先均匀分布六点，在此基础上加入一定数量的控制点，使RMS值小于1。重采样方法采用立方卷积插值法 （Cubic convolution）较好。正射纠正工作流程如下：

　　4.3 图像增强
　　如果影像存在薄雾，应进一步进行图像增强处理。从ERDAS IMAGINE中输出带坐标信息（tfw文件）的tif图像，在PHOTOSHOP中进行处理，输出时最好不要选择标准拉伸（Standard Deviations 2.0），会丢失快鸟影像具有的丰富的细节。
　　4.4 影像融合
　　对于购买有高空间分辨率全色波段数据的用户，进行数据融合是必不可少的。融合后的数据既具有全色波段的高空间分辨率又拥有多光谱数据的光谱分辨率。为了提高融合效果，合并红、绿、蓝和红外波段，生成2.4m分辨率的彩色影像，这样组合后的多光谱影像比只合并红、绿、蓝波段更接近天然色。
　　ERDAS IMAGINE 分辨率融合提供了三种融合方法：Principal Component，Multiplicative，Brovey Transform。选用主成分变换（Principal Component）方法融合，能尽可能多的保持多光谱影像的拟天然色特性。
　　融合后去掉红外波段只保留红、绿、蓝波段。选择合适的波段顺序，生成0.61m分辨率的天然色彩色影像。
　　下图为经过纠正和图像增强的北海快鸟卫星影像

　　4.5 矢量数据采集
　　将经过纠正和融合后的影像作为底图，采用GIS软件进行地形核心要素采集。采集要注意消除投影差，先采集房顶的形状，再将采集的多边形移至房脚。
　　5 几何精度
　　我们对北海、玉林市成果进行了几何精度检查，结果如下：
　　5.1 北海市
　　北海市地势平坦，采用差分GPS实测控制点、1：10000比例尺的DEM数据进行正射纠正。
　　（1）控制点精度报告
　　从ERDAS IMAGINE软件几何纠正模块的控制点精度报告中，可以看出，13个控制点中误差RMS为1.25个像素（全色），最大为1.76个像素，最小为0.51个像素。6个检查点的误差在1.5个像素以内。由于每个像素大小为0.7米，所以控制点RMS为0.88米，纠正后的影像明显地物的误差在2米以下。
　　（2）实地检测
　　利用南方静态9200型GPS野外联测的方法，对在影像上采集的北海市电子地图进行精度检验，包括实地位置精度检测和边长形变丈量。实地位置精度检测点共14点，横跨整个市区。边长形变仗量7处。比较方法是：直接在所选点位上设站测量，在Geoway上打开1：5000遥感线划图，读取外业实测对应点的坐标并列表进行比较。检测结果表明：
　　a）抽检点的点位中误差为1.152米，用快鸟遥感影像制作的北海市电子地图精度还是比较高的。所采集的明显地物，点位绝对精度达到1：2000制图要求。
　　b）抽检边的中误差为1.242米。这个误差与地物边缘判断准确与否有关，随着采集经验的积累，误差会逐渐减少。
　　5.2 玉林市
　　玉林市地势较为平坦，边缘有起伏较小的山坡，采用1：500和1：1000地形图为控制点数据源和1：1万DEM进行正射纠正。
　　精度检测方法：采用外业GPS实测的GCP数据与纠正后的影像进行精度检测。检测点分布图如下：

　　精度检测结果如下：

　　6 结论
　　1）利用ERDAS IMAGINE软件，采用高精度的GPS控制点、RPB文件和1：5万DEM建立纠正模型，对城市等地形起伏不大的地区的快鸟影像进行几何纠正，明显地物的平面位置精度高于2个像素（1.4米）。
　　2）在经过纠正后北海市快鸟影像上采集的明显地物矢量数据（DLG），位置精度中误差为1.152米。根据GB7930-87《1：500，1：1000，1：2000地形图航空摄影测量内业规范》，1：2000比例尺平原地区地形图，应满足平面中误差≤1.2米，高程误差≤0.5米的精度要求，因此，在经过正射纠正后快鸟影像上采集的明显地物矢量数据达到1：2000地形图的平面精度要求。
　　3）玉林市快鸟影像几何纠正，影像明显地物平面位置误差为：平地：1.5米以下，丘陵：2.5米以下。根据GB/T 13990-92《1：5000，1：1万地形图航空摄影测量外业规范》，1：5000比例尺平原地区地形图，应满足平面中误差≤2.5米、高程误差≤0.5米的精度要求，明显地物的平面位置精度达到1：5000比例尺地形图要求。
　　由此可知，使用快鸟卫星影像进行正射影像制作，在各种地形均能够达到相当高的精度。

作者简介：韦金丽（1967-），女，主要从事GIS和遥感应用研究，高级工程师。