航測(cè)成圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的比較分析.doc

測(cè)繪科學(xué)Sc ience of Su rveying and M app ingVo l133 No15Sep.第 33卷第 5期2008年 9月航測(cè)成圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的比較分析王偉娜 , 葛 瑩 , 李心玉 , 張淑輝(河海大學(xué)土木工程學(xué)院 ,南京 210098)【摘 要 】近年來 , 高分辨率衛(wèi)星影像在測(cè)繪生產(chǎn)中具有了較大的應(yīng)用潛力 , 打破了過去測(cè)圖單純依賴航測(cè)的局 面 , 并給航測(cè)成圖帶來很大的挑戰(zhàn) 。本文從航測(cè)成圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā) , 對(duì)兩者的成像原理 、立體 像對(duì)的獲取方式 、測(cè)圖原理以及實(shí)際測(cè)圖應(yīng)用等方面進(jìn)行了比較 , 說明了將兩者結(jié)合起來應(yīng)用的必要性 。【關(guān)鍵詞 】航測(cè)成圖 ; 衛(wèi)星影像 ; 測(cè)圖 ; 分辨率 ; 靈活性【中圖分類號(hào) 】 TP75【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 】A【文章編號(hào) 】1009 - 2307 ( 2008 ) 05 - 0065 - 03DO I: 1013771 / j1 issn1100922307120081051022212 衛(wèi)星影像測(cè)圖現(xiàn)狀1972年 , 美國發(fā) 射 了 世 界 上 第 一 顆 對(duì) 地 觀 測(cè) 衛(wèi) 星 L and sa t - 1, 其空間分辨率為 80m。由于地面 分辨率不高 ,所以該衛(wèi)星影像主要用于對(duì)所拍攝地物進(jìn)行分類 , 而不能 用于測(cè)制地形圖 。至 1986 年 , 法國 SPO T衛(wèi)星的成功發(fā)射為衛(wèi)星影像在測(cè)繪中的應(yīng)用帶來了重大影響 。這顆衛(wèi)星的 傳感器具有 10m 的地面分辨率 , 并能通過側(cè)視觀測(cè)在相鄰 軌道間構(gòu)成異軌立體 , 其良好的基高比使 SPO T影像適用于立體 測(cè) 圖 7 。隨 后 , 一 系 列 中 分 辨 率 遙 感 衛(wèi) 星 如 IR S、MOM S等相繼投入使用 , 這些衛(wèi)星影像主要用于繪制大 范 圍 、小比 例 尺 的 地 形 圖 , 而 仍 不 能 用 于 繪 制 大 比 例 尺( 1 10 000 , 1 2 500, 1 1 250 ) 地形圖 。 20 世紀(jì) 90 年 代末至 21世紀(jì)初 , 高分辨率遙感衛(wèi)星 IKONO S、O rbV iew - 3的出現(xiàn) , 開 創(chuàng) 了 衛(wèi) 星 影 像 測(cè) 圖 的 新 紀(jì) 元 。 IKONO S和 O rb2V iew - 3 的 影 像 空 間 分 辨 率 均 達(dá) 到 了 1m , 可 以 繪 制 1 10000的地形圖 。目前 , 分辨率高達(dá) 015m 的衛(wèi)星 W o rldV iew- 1、W o rldV iew - 2 和 O rbV iew - 5 正在研 制 中 。一 旦 這 些 衛(wèi)星投入使 用 , 它 們 將 進(jìn) 一 步 推 動(dòng) 衛(wèi) 星 影 像 測(cè) 圖 的 發(fā) 展 。隨著空間分 辨 率 的 不 斷 提 高 , 立 體 成 像 能 力 的 逐 步 增 強(qiáng) ,影像的獲取價(jià)格也將呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì) 。那時(shí) , 衛(wèi)星影 像 測(cè)圖將會(huì)得到越來越多的用戶認(rèn)可 。高分辨率衛(wèi)星影像在 地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用也越來越廣泛 , 并將成為地理信息更新和地形圖繪制的重要數(shù)據(jù)源 。3 測(cè)圖原理無論是航空影像還是衛(wèi)星影像 , 利用它們進(jìn)行立體測(cè) 圖 , 都是根據(jù)立體像對(duì)重建被攝物體的表面 , 即建立按比例 縮小的地面幾何模型 , 并通過對(duì)模型進(jìn)行量測(cè) , 繪制出符合 規(guī)定比例尺的地形圖 。雖然如此 , 但由于航空影像和衛(wèi)星影 像的幾何成像模型不同 , 導(dǎo)致了兩者測(cè)圖原理的不一致 。311 航測(cè)成圖航空影像是將航空飛機(jī)作為攝影平臺(tái) (航高一般為中 、低空 ) , 利用航攝儀 (包 括 光 學(xué) 航 攝 儀 和 數(shù) 字 航 攝 儀 ) 來 進(jìn)行拍攝的 。它屬于框幅式影像 , 且符合中心投影的幾 何特性 。此特性使得除了單張像片的地面點(diǎn) 、投影中心以 及像點(diǎn)之間滿足共線方程之外 , 立體像對(duì)與被攝地面之間也 存在一定的幾何關(guān)系 , 即立體像對(duì)上的同名像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩條核線一一對(duì)應(yīng) , 而這兩條核線在空間的交點(diǎn)就是所求的地面點(diǎn) 。這樣 , 共線方程就構(gòu)成了航測(cè)成圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) ,核線約束則成為航測(cè)成圖的重要約束條件 。通過立體像對(duì) 中兩張像片的內(nèi) 、外方位元素就可求解地面點(diǎn)的三維坐標(biāo) 。 首先 , 對(duì)單張像片進(jìn)行解析 , 即由航攝相機(jī)參數(shù)提供的 像片內(nèi)方位元素和解析得到的外方位元素 , 確定航攝物鏡與 像片間的相關(guān)位置 , 恢復(fù)攝影時(shí)的攝影光束 , 以及確定 攝1 引言近年來相繼投入使用的一系列高分辨率遙感衛(wèi)星 , 如 SPO T - 5、 IKONO S - 2、O rbV iew - 3 , 都具備了立體成像能 力 , 并逐步用于測(cè)繪生產(chǎn) 。預(yù)計(jì)不久的未來 , 隨著空間技 術(shù)的不斷進(jìn)步 , 商業(yè)上還會(huì)出現(xiàn)更高空間分辨率 、更高光 譜 、更多時(shí)相的 衛(wèi) 星 影 像 。那 么 , 在 將 來 的 測(cè) 圖 應(yīng) 用 中 , 航空影像是否能被高分辨率的衛(wèi)星影像所淘汰呢 ? 為了回 答這個(gè)問題 , 我們從航測(cè)成圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的發(fā)展現(xiàn)狀 入手 , 著重 在 測(cè) 圖 原 理 及 應(yīng) 用 利 弊 的 分 析 上 對(duì) 兩 者 進(jìn) 行 比較 。2 發(fā)展現(xiàn)狀211 航測(cè)成圖現(xiàn)狀長期以來 , 在基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域 , 航測(cè)成圖是 進(jìn)行國家基 本比例尺地圖生產(chǎn)和更新的主要手段 1 。近年來 , 隨著信息技術(shù)的發(fā)展 , 航測(cè)成圖融入了許多新的技術(shù) , 例如航空數(shù)碼相機(jī) 、機(jī)載 GPS / IN S和 L IDAR 等 , 使它有了長足的發(fā) 展 2 。這些新技 術(shù) 在 一 定 程 度 上 改 變 了 傳 統(tǒng) 的 作 業(yè) 模 式 , 提高了工作效 率 , 降 低 了 生 產(chǎn) 成 本 。主 要 表 現(xiàn) 為 : 第 一 ,借助于航空數(shù)碼相機(jī) , 測(cè)繪工作者不僅可以直接獲取數(shù)字 影像 , 而且能得到實(shí)時(shí)的影像資料 。利用它來拍攝航空影 像 , 既可以保證攝影質(zhì)量 , 還能降低生產(chǎn)成本 , 縮短成圖 周期 , 增 強(qiáng) 地 圖 的 現(xiàn) 勢(shì) 性 3 。第 二 , 在 航 測(cè) 成 圖 中 應(yīng) 用 GPS / IMU 技術(shù) , 可以極大地減少對(duì)野外實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)的需求 , 實(shí)現(xiàn)在沒有或僅有極少地面控制點(diǎn)區(qū)域的航片定向 和測(cè)圖 , 提高作業(yè)效率 , 降低測(cè)圖成本 4 。第三 , L IDAR、 GPS、慣導(dǎo)技術(shù) 、數(shù)碼 相 機(jī) 、多 光 譜 相 機(jī) 等 與 航 測(cè) 技 術(shù) 集成 , 不但可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)航測(cè)由于受地形條件的限制而無法 施測(cè)的缺陷 , 而且還能減少惡劣天氣對(duì)測(cè)圖的影響 5 。另外 , 由于激光穿透能力強(qiáng) , 獲得的地表信息比傳統(tǒng)的航測(cè) 法相對(duì)更精確 6 。例如 , 在森林覆蓋區(qū) , 機(jī)載 L IDAR 技術(shù) 可以穿透植被 , 獲取地表的高程信息 , 測(cè)量植被高度的精 度能達(dá)到 5 - 15 cm。作者 簡(jiǎn) 介 : 王 偉 娜 ( 1981 - ) , 女 ,河北保定人 , 現(xiàn)為河 海大學(xué)在讀碩士研究生 , 主攻專業(yè)為攝影測(cè)量與遙感 。E - m a il: wangwna_ 1981 163. com收稿日期 : 2007 - 03 - 30述 。然 而 , 對(duì) 衛(wèi) 星 影 像 來說 , 掃描行方向共線方程依 然成立 , 所以仍然可以利用 基于共線方程的傳感器模型來推 導(dǎo) 衛(wèi) 星 影 像 的 核 線 關(guān) 系 。近年來 , 學(xué) 者們提出了 幾種近似核線理論 , 包括多 項(xiàng) 式 擬 合 法 、投 影 軌 跡法 8 。其中 , 投影軌跡法將定 , 其中 , 攝影比例尺是指攝影機(jī)焦距與航高之比 。也 就是說 , 當(dāng)鏡頭分辨率一定時(shí) , 航高決定了影像分辨率的 高 低 , 航高越高則空間分辨率越低 。遙感衛(wèi)星按軌道周期 運(yùn) 行 , 其 高 度 在 幾 百 公 里 , 而 航 空 飛 機(jī) 高 度 限 于 中 、低 空(一般在幾百米到幾千米 ) 。故而航空影像分辨率高于衛(wèi)星 影像分辨率 。此外 , 衛(wèi)星軌道高度固定不變 , 使得衛(wèi)星 影 像測(cè)圖精度依賴于現(xiàn)有的高分辨率遙感衛(wèi)星的參數(shù) 。目前 , 高分辨率衛(wèi)星影像的分辨率只能達(dá)到分米級(jí) , 這在客觀上限制了衛(wèi)星影像測(cè)圖比例尺的大小 (見表 2 ) 。而且 , 衛(wèi)星 影像分辨率還受衛(wèi)星影像成像質(zhì)量的影響 。例如 , 分辨 率 的提高和成 像 景 幅 寬 度 的 減 少 , 會(huì) 加 大 側(cè) 視 角 變 化 幅 度 , 并導(dǎo)致影像變形 。另外 , 大氣層和天氣狀況等外部環(huán)境 的 影響 , 以及不同的遙感圖像處理方式也會(huì)影響衛(wèi)星影像的空間分辨率 10 。圖 1 基于投影軌跡法的核線幾何關(guān)系地面點(diǎn) (Q 點(diǎn) ) 到左像像點(diǎn) ( q點(diǎn) ) 的光線 上的所有點(diǎn)投影到右像上所形成的投影軌跡定義為該像點(diǎn) ( q點(diǎn) ) 的核線(核曲線 ) , 而該像點(diǎn)的同名點(diǎn) ( q點(diǎn) ) 則總位于這條核線上(見圖 1) 。利用基于投影軌跡法的核線關(guān)系 , 就可以使衛(wèi) 星影像測(cè)圖與航測(cè)成圖類似 , 通過若干同名點(diǎn)來求解地面 點(diǎn)坐標(biāo) 。主要過程是 : 首先根據(jù)衛(wèi)星提供的原始數(shù)據(jù)及對(duì) 應(yīng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù) 、衛(wèi)星姿態(tài)及軌道數(shù)據(jù) , 結(jié)合衛(wèi)星影像的成像模式來確定多中心投影的構(gòu)像方程 , 然后利用地面 控制點(diǎn)解出定向參數(shù) , 最后將立體像對(duì)上的同名點(diǎn)代入構(gòu)像方程 , 從而求得各像元的三維坐標(biāo) 9 。4 兩者的利弊解析由于航空影像與衛(wèi)星影像的測(cè)圖原理不同 , 故而兩者 在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了各自的優(yōu)缺性 。比如 , 衛(wèi)星影像測(cè) 圖具有覆蓋范圍廣 、測(cè)圖周期短 、更新速度快等優(yōu)點(diǎn) , 然 而測(cè)圖比例尺和靈活性卻不如航測(cè)成圖 (見表 1 ) 。表 2典型的高分辨率遙感衛(wèi)星軌道高度( km )空間分辨率 (全色 )衛(wèi)星名稱 發(fā)射日期發(fā)射國立體成像方式O rbV iew - 3 200316126IKONO S - 2 199919124Q u ickB ird - 2 2001110118SPO T - 5 20021514美國美國 美國法國470681450822同軌 、異軌立體同軌 、異軌立體 同軌 、異軌立體同軌 、異軌立體1m1m0161m215m215m IR S - P5 20051515 印度618 同軌 、異軌立體此外 , 航測(cè)成圖還具有較好的靈活性 。首先 , 可以 根據(jù)成圖比例 尺 和 測(cè) 區(qū) 地 形 , 自 由 選 擇 所 需 的 航 高 和 航 線 。只要飛行高度適當(dāng) 、攝影比例尺合理 , 所拍攝的影像就 能滿足測(cè)圖比例尺的要求 。而遙感衛(wèi)星沿軌道運(yùn)行 , 不能 隨意選擇攝影高度和航線 , 所以衛(wèi)星影像測(cè)圖仍處于比較被動(dòng)的狀態(tài) ; 其次 , 可以根據(jù)區(qū)域的天氣 、時(shí)間等情況 , 自主實(shí)施航空攝影測(cè)量 。例如 , 山區(qū)流域水分比較充足 , 夏天溫度高水蒸氣多 , 冬天水蒸氣凝結(jié)易起霧 , 使得這兩 個(gè)季節(jié)能見度都不好 , 故可以選擇能見度較好的 5 - 6 月或 8- 10月進(jìn)行航空攝影 。而遙感衛(wèi)星運(yùn)行軌道固定 , 就避免表 1航片測(cè)圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的優(yōu)缺性航片測(cè)圖衛(wèi)星影像測(cè)圖覆蓋范圍測(cè)圖周期 更新速度 測(cè)圖成本 分辨率相對(duì)較小較長 較慢 較高 厘米級(jí)相對(duì)較大較短 較快 較低 分米級(jí)72測(cè)繪科學(xué)第 33卷C re ssie N A C1 Statistic s fo r Sp a tia l D a ta M 1 N ew Yo rk: JohnW iley and Son s, Inc1, 1991: 9001楊元喜 , 劉念 1 重 力異常 的一 種逼 近 方 法 J 1 測(cè) 繪 學(xué) 報(bào) ,2001 , 30 ( 3 ) : 192 - 1961程紅杰 , 胡祥云 , 田米瑪 1地震數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法研究 J 1工 程地球物理學(xué)報(bào) , 2006 , 3 ( 1 ) : 28 - 301申文斌 , 等 , 正常重 力 場(chǎng) 的 確 定 以 及 相 關(guān) 的 一 個(gè) 理 論 問 題 J 1測(cè)繪科學(xué) , 2007 , 32 ( 2 ) 1G M N ie lson1 Scatte red da ta mode ling C / / IEEE: Comp u te rGrap h ic s and its App lica tion s, 1993: 60 - 701R enka R J1 M u ltiva riate In terpo la tion of L a rge Se ts of Sca ttered D a2ta J 1 ACM Tran sac tion on M a them atica l Softwa re, 1988 , 14 ( 2 ) : 139 - 1481Ca rlson R E, Fo ley, et a l1 R ad ia l B a sis In te rpo la tion M e thod s onTrack D a ta J 1 L aw rence L ive rmo re N a tiona l L abo ra to ry, 1991, UCRL - JC - 10742381F ranke R1 Sca tte red D ata In te rpo la tion: Te st of Som e M e thod s J 1 M a them atic s of Comp u tation s, 1982 , 33: 181 - 2001Ca rlson R E Fo ley, et a l1 The Pa ram e te r R2 in M u ltiquad ric In te r2po la tion J 1 Comp u te rs M a th1 App lic, 1991 , 21: 29 - 421Kriging方法在插值精度和速度上相對(duì)來講 , 要稍遜色一點(diǎn) ,對(duì)于這種重力異常規(guī)則格網(wǎng)的插值效果一般 。因此 , 如果基于計(jì)算速度和插值精度上的考慮 , 海洋重力異常格網(wǎng)的插值在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇 MQ S方法 。2) 為了 達(dá) 到 更 高 的 插 值 精 度 , 可 以 采 取 兩 點(diǎn) 改 進(jìn) 措施 。其一 , 通過先對(duì)格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣延拓 , 再利用 RB F方法進(jìn)行網(wǎng)格化 , 從而消除邊緣區(qū)域出現(xiàn)異常誤差的現(xiàn)象 ,提高整體精度 。其二 , 通過在 MQ S方法中引入光滑因子 ,調(diào)節(jié)加權(quán)插值算法中的權(quán)重比例 , 減弱插值區(qū)域與自身重力異常的相關(guān)性 , 以損失待插值點(diǎn)在已知樣本點(diǎn)處的精度來獲得整體插值精度的改善 。參考文獻(xiàn) 1 袁書明 , 孫楓 , 劉光軍 , 等 1 重力圖形匹配技術(shù)在水下導(dǎo)航 中的應(yīng)用 J 1中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào) , 2004 , 12 ( 2 ) : 13 - 171 2 張宗洵 , 武鳳德 1 無源重力導(dǎo)航在 SSBN 中的重要性 J 1 艦船導(dǎo)航 , 2004 , ( 2 ) : 36 - 401 3 朱會(huì)義 , 劉述林 , 賈紹鳳 1 自然地理要素空間插值的幾個(gè)問題 J 1地理研究 , 2004 , 23 ( 4 ) : 425 - 4311 4 5 6 7 8 9 10 11 12 The study of h igh prec is ion in terpo la t ion techn o logy in m a r in e gra v ity an om a lyA b stra c t: Th ree u sua l in te rpo la tion m e thod s such a s Kriging, mod ified quad ra tic shep a rd (MQ S) and rad ia l ba sis func tion ( RB F) a re comp a red and ana lyzed in m a rine gravity anom a ly1 It show s tha t the MQ S m e thod is the fa ste st and mo st accu ra te, and the RB F m e thod is a lso good in p rec ision excep t som e abno rm ity on the edge a rea, bu t the ca lcu la tion sp eed is the slowe st1 The Kriging m e thod is no t so good in p rec ision a s the o the r two, bu t fa ste r than the RB F1 In add ition, two mod ified idea s to the MQ S and RB F a re b rough t ou t ba sed on the cha rac te ristic tha t the in te rpo la tion e rro r ha s la rge p e rtinency w ith the gravity anom a ly and RB F e rro rs ju st ap 2 p ea r in the edge a rea1 Te st re su lt show s tha t the mod ified m e thod s a re effec tive1Key word s: m a rine gravity; grid; in te rpo la tion; MQ S; RB FW U Ta i - qi , HUAN G M o - tao , OU YAN G Yong - zhong , LU X iu - ping ( E lec trica l Enginee ring and Info rm a tionEnginee ring Co llege, N ava l U n ive rsity of Enginee ring, W uhan 430033, Ch ina; N ava l In stitu te of H yd rograp h ic and Cha rting, Tian2jin 300061 , Ch ina)(上接第 66頁 )傳統(tǒng)的航片更直觀 , 細(xì)節(jié)信息更豐富 。5 結(jié)束語通過對(duì)航測(cè)成圖與衛(wèi)星影像測(cè)圖的比較得知 , 在目前 的應(yīng)用階段 , 高分辨率衛(wèi)星影像可以替代航空影像來完成 中 、小比例尺地形圖的生產(chǎn) , 但大比例尺地形測(cè)圖仍將主 要依靠航測(cè)手段實(shí)現(xiàn) 。再者 , 由于衛(wèi)星影像立體測(cè)圖的許 多理論和技術(shù)還不太成熟 , 對(duì)傳感器成像模型 、衛(wèi)星系統(tǒng) 以及衛(wèi)星影像處理方面還有待進(jìn)行深入的研究 。加之航測(cè) 自身的優(yōu)勢(shì) , 使 得 航 測(cè) 成 圖 技 術(shù) 仍 具 有 一 定 的 應(yīng) 用 價(jià) 值 。 鑒于兩者各自的優(yōu)勢(shì)和局限 , 在實(shí)際測(cè)圖應(yīng)用中可以將兩 者結(jié)合起 來 使 用 , 從 而 彌 補(bǔ) 彼 此 的 不 足 , 節(jié) 約 作 業(yè) 成 本 , 提高工作效率 。參考文獻(xiàn) 1 陳海鵬 , 董明. 高分辨率遙感影像在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力 研究 J . 測(cè)繪通報(bào) , 2005 , ( 3 ) : 11 - 16. 2 萬幼川 , 劉 良 明 , 張 永 軍. 我 國 攝 影 測(cè) 量 與 遙 感 發(fā) 展 探 討 J . 測(cè)繪通報(bào) , 2007 , ( 1 ) : 1 - 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