利用WorldView-3立体影像生产1∶2000比例尺3D产品

利用WorldView-3立体影像生产1∶2000比例尺3D产品肖潇;左琛;侯庆明;李兵
【摘要】立体卫星影像在覆盖范围、重访周期、测绘产品更新速度、数据获取成本等方面较传统航空影像有着较明显的优势.WorldView-3是迄今全球空间分辨率最高的商业遥感卫星,全色波段分辨率0.31m,能获取同轨立体像对,理论上可代替传统航空影像用于大比例尺测图.本文以北京市石景山区和通州区的两个WorldView-3立体像对为数据源,确定了一整套制作1∶2000比例尺3D产品的技术流程,具体包括数字线划图(Digital Line Graphic,DLG)、数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和正射影像图(Digital Orthophoto Map,DOM),验证了3D产品的精度,成图结果符合国标精度要求,并为生产作业中控制点布设方案、密集匹配算法选取等提供了参照和解决方案.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2019(033)003
【总页数】4页(P310-313)
【关键词】立体像对;数字线划图(DLG);数字高程模型(DEM);数字正射影像图(DOM)
【作者】肖潇;左琛;侯庆明;李兵
【作者单位】北京市测绘设计研究院,北京100038;城市空间信息工程北京市重点实验室,北京100038;北京市测绘设计研究院,北京100038;城市空间信息工程北京市重点实验室,北京100038;北京市测绘设计研究院,北京100038;城市空间信息工
程北京市重点实验室,北京100038;北京市测绘设计研究院,北京100038;城市空间信息工程北京市重点实验室,北京100038
【正文语种】中文
【中图分类】P231
0 引言
目前,基于摄影测量技术制作1∶2000比例尺3D产品,包括数字线划图 (Digital Line Graphic, DLG)、数字高程模型 (Digital Elevation Model, DEM)和数字正射影像图 (Digital Orthophoto Map, DOM),多是以航空像片为原始数据,航片分辨率高,能满足大比例尺基础地理信息数据产品生产的精度要求。

但是,航空影像的拍摄受空域限制,对天气条件要求颇高,数据获取周期较长,再加上较长的测图周期,导致航测成图制成的图形缺乏一定的时效性[1]。

随着遥感技术的发展,许多高分辨率遥感卫星,如Worldview-2、SPOT-5、Geoeye-1、IKONOS-2等,都具备了立体成像能力,并逐步用于测绘生产。

与航空影像相比,卫星影像具有如下优势:(1)卫星影像的覆盖范围更大;(2)利用卫星影像测图的周期更短;(3)利用卫星影像更新基础地理信息数据产品的速度更快;(4)卫星影像测图的成本更低。

但是卫星影像最受限制的就是影像分辨率,直接影响成图比例尺的大小。

基于高分辨率立体测绘卫星进行基础地理信息数据获取已取得很多应用,但多为中小比例尺测图项目[2-4]。

WorldView-3是迄今全球最高空间分辨率商业遥感卫星,不仅具备0.31 m的空间分辨率,还具备灵活的成像机制及3 m的无控定位精度。

利用WorldView-3立体像对,理论上可以生产1∶2000比例尺DLG、DEM、DOM。

为验证其可行性与精度,本文以北京市石景山区和通州区的两个
WorldView-3立体像对为数据源,开展了1∶2000比例尺DLG、DEM、DOM产品生产研究,验证了产品精度,并得出相关结论。

1 卫星影像及研究区概况
1.1 卫星影像情况
WorldView-3卫星轨道高度617 km,全色波段0.31 m,另有8个1.24 m多光谱波段和8个3.7 m短波红外。

WorldView-3是摆扫式成像,成像能力方面侧摆大于20 °,星下点幅宽13.1 km,每天可成像面积6.8×105 km2,重访周期4.5 d。

传感器通过在沿轨方向上前视和后视获取同轨立体像对,立体像对的重叠度高达90%以上[5]。

1.2 研究区概况
本实验共有2个测区,一个测区位于北京市石景山区,主要地形为平原和丘陵地带,另一个测区位于北京市通州区,地形以平原为主。

两个测区大小均为100 km2左右。

2 基于WorldView-3影像的DLG、DEM、DOM制作
2.1 总体技术路线
利用WorldView-3立体影像制作DLG、DEM、DOM的总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术流程图
2.2 影像预处理
影像预处理包括影像质量检查和影像拼接等。

影像质量检查,主要是查看影像上是否存在云、云影、雪、反光、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。

影像拼接则是将同一景全色/多光谱影像拼接成一幅完整的影像。

2.3 影像融合
本实验利用基于Gram-Schmidt算法的图像融合方法[6],将0.3 m全色影像和1.2 m多光谱影像进行融合,融合后影像既具有全色影像的清晰纹理,又保持了多光谱影
像丰富的色彩信息,可用于立体测图、制作真彩色DOM。

2.4 像控点布设与联测
每个测区均匀布设了9个平高控制点,像控点选在影像清晰、明显的地物折角顶点处,选在高程变化较小的地方,不宜选择阴影、遮盖、人字脊房檐等位置。

像控点联测主要采用网络RTK技术,所有像控点均提供三维坐标。

检查点则是从已有的外业控制点库中选取了约20个均匀分布的点。

2.5 卫星影像空三
以测区为空三加密的基本单元,利用JX5数字摄影测量系统,基于有理函数模型(RPC, Rational Polynomial Coefficient) 和像方仿射变换模型进行卫星影像空三[7-8]。

基于像方的仿射变换模型共包含6个未知数,最少需要3个控制点进行参数求解,其形式如下[9]:
(1)
式(1)中,line、sample为由RPC计算得到的影像坐标;(e0、e1、e2、f0、f1、f2)为仿射变换系数;(x,y)为像方测量值。

对于控制点来说,地面坐标已知,故未知数仅仅是仿射变换系数;而对于检查点和连接点来说,则需要同时求解仿射变换系数和对应的地面点坐标[10]。

卫星影像空三主要步骤包括新建工程、匹配同名点、挑选加密点、量测控制点、RPC平差、计算仿射变换参数和生成核线影像等。

其中,同名点采用Sift算子进行匹配,并利用多项式拟合法剔除粗差[11],从而使同名点匹配精度达像素级,减少了空三所需控制点的数量。

石景山测区和通州测区的精度如表1所示,满足1∶2000地形图定向要求。

表1 石景山测区和通州测区空三精度单位:m测区控制点平面高程检查点平面高
程石景山测区0.14440.06630.32110.1908通州测区
0.26420.12460.38790.3369
2.6 立体采集DLG
在石景山和通州测区,每个测区各选择2个2000图幅大小的、有代表性(既有平原
又有山地,既有平房又有高楼)的区域,按照1∶2000地形图测绘要求,采集了房屋、
道路、电杆、陡坎等主要地形地物。

与传统航片测图相比,利用WorldView-3影像进行立体测图主要受限于影像的空间分辨率。

相较于0.2 m的航片,0.31 m的卫星影像对內判测图作业员的要求更高,
但整体上不影响地物的判读。

2.7 影像匹配DSM点云
影像匹配是通过立体像对获取DSM的关键技术,本实验采用了两种匹配算法,一种
是基于影像金字塔的最小二乘匹配,以窗口相关作为匹配测度[12];一种是半全局匹
配算法 (SGM, Semi-Global Matching),以能量函数最小进行视差计算[13]。

将两种方法进行对比,结果表明:(1)两种方法的匹配精度不相上下,得到的可靠点的高程精度相似。

(2)在匹配点的密集程度上,SGM远远大于窗口相关方法。

(3)在可靠
度上,窗口相关和SGM在遮挡区域、纹理缺乏区域都易产生误匹配,不同的是窗口
相关得出的点密度较低,没有正确的地面点来表达这些困难地区地形。

SGM方法虽然产生误匹配并会沿搜索路径累积误差[14],但同时也会匹配出正确的同名点,点密
度很高,对结果通过人工干预滤波,可以在遮挡区域、纹理缺乏等困难地区得到正确
的地面点,使DEM成果更精细。

2.8 DEM编辑
对影像匹配提取的离散点云进行自动滤波和人工滤波,滤除植被、建筑物、电力线、移动地物等非地面点,保留地面点,形成最终的DEM数据。

2.9 正射纠正得DOM
正射纠正是在单景卫星影像上布设数量足够、均匀分布、有代表性的控制点,结合
已生产的DEM数据和该景影像的RPC参数,通过正射纠正得到测区的DOM[15]。

3 精度统计分析
3.1 DLG精度检测
为检测1∶2000地形图的精度,通过外业方式获取了地形图特征点的坐标,进行精度验证,结果如表2所示。

由表2可以看出,DLG的高程精度很高。

3.2 DEM精度检测
对DEM高程精度进行检测使用的参考数据是测区1∶2000地形图中高程点数据,
均为外业量测数据,在4幅2000图中共提取709个高程点。

表2 DLG精度单位:m图幅号平面精度相对精度高程精度石景山-
10.7050.5150.167石景山-20.4320.4870.168通州-10.5970.4990.200通州-20.6430.4780.143
对WorldView-3匹配制作的DEM进行双线性插值,得到高程点处的高程,与
1∶2000地形图中的高程值进行对比,通过高程值差值统计DEM成果精度。

最终计算DEM差值中误差为0.46 m,满足1∶2000 DEM成果精度要求。

3.3 DOM精度检测
利用往年分辨率为0.02 m的航片DOM、1∶2000地形图、外业检查点,在DOM 影像范围内选择均匀分布的、数量足够的检查点检测精度。

其中石景山测区由于参考数据有限,只检测了一幅1∶2000地形图大小的DOM精度。

计算得到DOM成果的平面位置中误差见表3。

表3 DOM成果中误差测区DOM面积/km2检查点个数平面位置中误差/m通州10980.78石景山3.2210.88
4 结束语
WorldView-3卫星影像在影像覆盖面积、重访周期、测绘产品更新速度、数据获
取成本等方面较传统航飞数据有着较明显的优势。

本文在北京市石景山区和通州区分别选取两个测区,利用获取的WorldView-3立体影像,确定了一整套制作
1∶2000比例尺3D产品的技术流程,验证了3D产品的精度,成图结果符合国标精
度要求,得出结论如下:
(1)基于有理函数模型和像方仿射变换模型进行卫星影像空三,100 m2测区大小布
设9个控制点,可满足1∶2000比例尺测图精度要求。

(2)与利用航片进行立体采集的传统方式相比,利用WorldView-3影像进行立体测
图主要受限于0.31 m的空间分辨率,但整体上不影响地物的判读。

(3)利用WorldView-3立体像对生产的1∶2000地形图,可达到较高的高程精度。

根据实验结果统计,高程精度可达2/3个像素。

(4)WorldView-3卫星影像具备较高的空间分辨率及较高的定位精度,结合影像金
字塔的最小二乘匹配、密集匹配这些可以达到子像素精度的匹配算法,通过WorldView-3立体像对可以制作满足1∶2000精度要求的DEM成果。

(5)相较于最小二乘匹配法,利用SGM匹配算法可以在遮挡区域、纹理缺乏等困难
地区得到正确的地面点,使DEM成果更精细。

(6)利用WorldView-3影像和已有的控制资料进行单片正射纠正,选取均匀分布的、数量足够的、特征明显的控制点,结合高精度的DEM数据,可制作满足1∶2000比例尺精度的DOM。

由于获取的WorldView-3影像数据有限,本实验虽有两个测区,但都是基于单个立
体像对进行3D产品生产,未涉及到空三的区域网平差以及测绘产品接边精度问题,
后续将进一步深入研究。

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