高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖精度及效率研究

杜金莉 （安徽省第一測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，各省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪1:1萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新頻率越來(lái)越高，對(duì)影像數(shù)據(jù)源的時(shí)相、數(shù)據(jù)更新效率要求越來(lái)越高。目前1:1萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新常用方法，主要是采用傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量的方法（即航飛獲得立體像對(duì)，在航攝影像立體像對(duì)上采集地物地貌等要素，最終編輯成圖獲得數(shù)字線(xiàn)劃圖或基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)）。該方法是符合國(guó)家規(guī)范的作業(yè)方式。但是因?yàn)楹綔y(cè)法成圖受影像數(shù)據(jù)源的制約因素較大，航測(cè)法成圖的影像獲取需要申請(qǐng)空域，等候時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)效性不高，另外航攝受天氣、時(shí)相等因素制約，時(shí)間周期長(zhǎng)且成本較高。衛(wèi)星影像獲取不受以上因素制約，如果利用衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測(cè)圖可以解決數(shù)據(jù)源的問(wèn)題。高分七號(hào)衛(wèi)星是2019年發(fā)射成功的我國(guó)自主研發(fā)的首顆亞米級(jí)光學(xué)立體測(cè)繪衛(wèi)星，可獲取空間分辨率為0.8m的前視和后視全色影像，及空間分辨率為3.2m的多光譜影像[1]。可以用于基本比例尺地形圖的測(cè)繪、實(shí)景三維建設(shè)等國(guó)家重大項(xiàng)目生產(chǎn)[2]。高分七號(hào)衛(wèi)星每年可獲取我國(guó)陸域有效覆蓋面積300萬(wàn)km2，連片覆蓋100萬(wàn)m2[3]的影像。目前衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測(cè)圖還沒(méi)有進(jìn)入常規(guī)的基礎(chǔ)測(cè)繪更新的范疇，國(guó)家還沒(méi)有制定衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測(cè)圖相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，更新流程等都是參考航空攝影測(cè)量的[4]。衛(wèi)星影像進(jìn)行立體測(cè)圖如何布設(shè)控制點(diǎn)，精度符不符合基礎(chǔ)測(cè)繪規(guī)范要求，總體工作效率如何，是值得測(cè)繪工作者進(jìn)行試驗(yàn)和研究的事情。

2 高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖試驗(yàn)方案

本次利用衛(wèi)星影像進(jìn)行1:1萬(wàn)立體測(cè)圖試驗(yàn)，使用數(shù)據(jù)源是“高分7號(hào)”衛(wèi)星像片，分辨率0.8m，覆蓋面積約550.0km2。衛(wèi)星影像立體測(cè)圖與航攝影像立體測(cè)圖的技術(shù)路線(xiàn)基本一樣。試驗(yàn)選擇一對(duì)衛(wèi)星影像先進(jìn)行外業(yè)像片控制測(cè)量，同時(shí)測(cè)設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)用于立體測(cè)圖成果精度檢測(cè)；內(nèi)業(yè)進(jìn)行單模型的空中三角測(cè)量，后再恢復(fù)模型進(jìn)行立體測(cè)圖。

本次試驗(yàn)選用PixelGrid軟件進(jìn)行空三加密，使用JX5數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)導(dǎo)入空三成果，恢復(fù)模型，在該立體模型控制范圍內(nèi)選取一幅1:1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅圖，測(cè)區(qū)地貌為山地，等高距5.0m。按1:1萬(wàn)規(guī)范要求在衛(wèi)片立體模型上測(cè)繪一幅1:10000數(shù)字線(xiàn)劃圖。試驗(yàn)檢測(cè)不同數(shù)量控制點(diǎn)定向的空三精度，根據(jù)新測(cè)量的外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)檢驗(yàn)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖成果精度，另與已成圖比對(duì)檢查衛(wèi)星影像立體測(cè)圖成果精度，并通過(guò)實(shí)際作業(yè)統(tǒng)計(jì)比對(duì)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖和航攝影像立體測(cè)圖這兩種不同作業(yè)方式的作業(yè)效率。

3 衛(wèi)星影像立體測(cè)圖精度統(tǒng)計(jì)

檢驗(yàn)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖的精度主要涉及兩部分，即定向精度和測(cè)圖精度。

3.1 定向精度

本次試驗(yàn)像控點(diǎn)布設(shè)采用全野外布點(diǎn)法，一個(gè)單模型分別采用控制點(diǎn)5點(diǎn)定向、10點(diǎn)定向和20點(diǎn)定向進(jìn)行控制，比對(duì)不同數(shù)量控制點(diǎn)定向精度。像控點(diǎn)分布如圖1～圖3所示，單模型定向布設(shè)不同數(shù)量像控點(diǎn)的定向結(jié)果如下：

圖1 5個(gè)野外像控點(diǎn)定向

圖2 10個(gè)野外像控點(diǎn)定向

圖3 20個(gè)野外像控點(diǎn)定向

5點(diǎn)定向精度：

根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236-2009），1:10000比例尺地形圖空三精度，山地基本定向點(diǎn)平面位置中誤差為4.0，高程中誤差為1.5[5]，見(jiàn)表1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用5點(diǎn)定向、10點(diǎn)定向和20點(diǎn)定向精度差別不大，5點(diǎn)定向精度即可滿(mǎn)足1:1萬(wàn)規(guī)范要求，即一個(gè)衛(wèi)星影像立體像對(duì)500km2的測(cè)圖范圍只需要5個(gè)野外控制點(diǎn)即可滿(mǎn)足測(cè)圖要求。

基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差、公共點(diǎn)較差最大限值 表1

3.2 測(cè)圖精度統(tǒng)計(jì)

本次測(cè)圖精度采用兩種方式進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，一種方法為利用GPS實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)與衛(wèi)星影像立體測(cè)圖的模型同名點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)；二是在衛(wèi)片立體像對(duì)上采集的矢量與往年1:1萬(wàn)已成圖矢量成果進(jìn)行精度比對(duì)。

3.2.1 外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與衛(wèi)片立體模型同名點(diǎn)進(jìn)行精度比對(duì)

本次外業(yè)利用GPS共測(cè)設(shè)檢查點(diǎn)30個(gè)，與衛(wèi)片立體模型同名點(diǎn)進(jìn)行精度比對(duì)，用5點(diǎn)定向、10點(diǎn)定向、20點(diǎn)定向的模型分別比對(duì)了精度，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

5點(diǎn)定向模型的測(cè)圖精度：平面最大誤差為2.57m，中誤差為1.13m，精度結(jié)果見(jiàn)表2（坐標(biāo)做了脫密處理）；高程最大誤差為1.45m，中誤差為0.88m，見(jiàn)表3。

GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與衛(wèi)片立體模型同名點(diǎn)平面精度統(tǒng)計(jì)(5點(diǎn)定向模型) 表2

GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與衛(wèi)片立體模型同名點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)表(5點(diǎn)定向模型) 表3

10點(diǎn)定向模型的測(cè)圖精度：平面最大誤差為1.91m，中誤差為0.84m；高程最大誤差為0.96m，中誤差為0.49m。

20點(diǎn)定向模型的測(cè)圖精度：平面最大誤差為2.25m，中誤差為1.09m；高程最大誤差為0.79m，中誤差為0.33m。

從精度檢測(cè)的結(jié)果可以看出，3種控制點(diǎn)定向的模型精度都能滿(mǎn)足5米等高距的1:1萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新的規(guī)范要求。單模型定向5點(diǎn)、10點(diǎn)、20點(diǎn)定向平面中誤差基本無(wú)差別，20點(diǎn)定向的高程精度比5點(diǎn)定向測(cè)圖的高程精度略高，即野外控制點(diǎn)數(shù)量多能提高高程精度。

3.2.2.衛(wèi)片立體采集的矢量與往年已成圖1:1萬(wàn)矢量成果比對(duì)

本次衛(wèi)星影像立體測(cè)圖試驗(yàn)，在5點(diǎn)定向的立體模型上，共選取55個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平面精度檢測(cè)，最大誤差為4.93m，中誤差為2.45m；選取80個(gè)點(diǎn)進(jìn)行高程點(diǎn)精度檢測(cè)，最大誤差為1.61m，中誤差為0.51m。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，因第二種方法開(kāi)展的精度檢測(cè)是與上一輪1:1萬(wàn)矢量成果進(jìn)行比對(duì)，上一輪成果本身存在著測(cè)圖誤差，故精度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)兩次測(cè)圖的個(gè)別點(diǎn)平面精度最大誤差較高，跟兩次測(cè)圖的誤差積累有關(guān)，圖幅總體中誤差是滿(mǎn)足規(guī)范要求的。

試驗(yàn)結(jié)果顯示高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖精度可以滿(mǎn)足1:1萬(wàn)測(cè)圖規(guī)范要求，高分七號(hào)衛(wèi)星影像可以作為基礎(chǔ)測(cè)繪1:1萬(wàn)數(shù)據(jù)更新的影像數(shù)據(jù)源。第二種精度比對(duì)目的是在原有地形圖上進(jìn)行修測(cè)作業(yè)考量，比對(duì)結(jié)果只能作為參考。評(píng)價(jià)實(shí)際模型精度的金標(biāo)準(zhǔn)是第一種方法即立體模型點(diǎn)與外業(yè)實(shí)測(cè)同名點(diǎn)的較差。

4 工作量及經(jīng)費(fèi)統(tǒng)計(jì)

高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖的效率如何，主要從工作量、經(jīng)費(fèi)情況等幾個(gè)、作業(yè)便利度等方面去考量。

4.1 高分七號(hào)衛(wèi)星影像立測(cè)與航測(cè)法測(cè)圖工作量比較

本次試驗(yàn)對(duì)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖和航測(cè)法立體測(cè)圖的工作量進(jìn)行了比對(duì)，以一對(duì)衛(wèi)星影像立體像對(duì)可測(cè)圖范圍550km2面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用地面分辨率為0.8米的高分七衛(wèi)星影像與0.5米地面分辨率UCXP WA航攝影像進(jìn)行作業(yè)比較了工作量。如表4所示，利用高分七衛(wèi)星影像外業(yè)像片控制測(cè)量工作可節(jié)省68.75%，內(nèi)業(yè)空三加密工作量可節(jié)省53.33%，內(nèi)業(yè)DLG采集工作量基本相同，DOM制作可節(jié)省66.67%工作量。

高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖工作量對(duì)比 表4

4.2 經(jīng)費(fèi)情況及比對(duì)

衛(wèi)星影像立體測(cè)圖經(jīng)費(fèi)涉及數(shù)據(jù)源購(gòu)置經(jīng)費(fèi)、軟件購(gòu)置經(jīng)費(fèi)、內(nèi)外業(yè)測(cè)圖經(jīng)費(fèi)等，具體經(jīng)費(fèi)及比對(duì)情況如下。

4.2.1 影像經(jīng)費(fèi)

目前試驗(yàn)用的高分七號(hào)衛(wèi)星影像立體像對(duì)，為通過(guò)省級(jí)衛(wèi)星中心申請(qǐng)免費(fèi)使用，還沒(méi)有衛(wèi)片像對(duì)的價(jià)格，根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的衛(wèi)星影像采購(gòu)價(jià)格和航攝價(jià)格分析，國(guó)產(chǎn)的衛(wèi)星影像購(gòu)買(mǎi)的費(fèi)用比航測(cè)法測(cè)圖的航攝費(fèi)用略低。

4.2.2 軟件經(jīng)費(fèi)

通過(guò)測(cè)繪同行單位調(diào)研，很多單位原有的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)無(wú)衛(wèi)星影像立體測(cè)圖功能，需要新購(gòu)置(或在原有軟件上升級(jí))專(zhuān)用軟件，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常用的軟件有JX5立體測(cè)圖軟件和MapMatrix Grid（試用版）數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)等，可用于衛(wèi)星影像立體測(cè)圖，衛(wèi)星影像加密軟件有PixelGrid測(cè)量系統(tǒng)等，軟件一次購(gòu)置可以多年使用。

4.2.3 內(nèi)外業(yè)經(jīng)費(fèi)

本次試驗(yàn)外業(yè)測(cè)量進(jìn)行了控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)測(cè)設(shè)，內(nèi)業(yè)分別進(jìn)行空三加密、內(nèi)業(yè)測(cè)圖、精度比對(duì)等試驗(yàn)。涉及經(jīng)費(fèi)有勞務(wù)費(fèi)、差旅費(fèi)、車(chē)輛使用費(fèi)等。

像控點(diǎn)測(cè)量經(jīng)過(guò)精度比對(duì)，5點(diǎn)法已能滿(mǎn)足精度要求，按5點(diǎn)定向法工作量來(lái)測(cè)算經(jīng)費(fèi)，如表4所示，高分七號(hào)衛(wèi)星影像外業(yè)控制測(cè)量所需控制點(diǎn)數(shù)量少，比相同面積的航攝影像控制測(cè)量和空三加密節(jié)省約50%以上的經(jīng)費(fèi)；DOM制作方面因同樣面積衛(wèi)片所涉像對(duì)少，節(jié)省了DOM像對(duì)拼接及處理拼縫的時(shí)間，約可節(jié)省60%的影像制作經(jīng)費(fèi)，衛(wèi)星影像內(nèi)業(yè)立體數(shù)據(jù)采集與編輯建庫(kù)與航測(cè)法測(cè)圖工作量相當(dāng)，故經(jīng)費(fèi)相當(dāng)。

5 結(jié)語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，高分七號(hào)作為我國(guó)首顆立體測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星影像立體測(cè)圖精度高，完全滿(mǎn)足基礎(chǔ)測(cè)繪1:1萬(wàn)規(guī)范要求；同時(shí)衛(wèi)片立體測(cè)圖具有影像獲取方便、外業(yè)控制工作量少、空三加密快、單景影像覆蓋范圍大、立體測(cè)圖所用像對(duì)少、無(wú)需頻繁切換像對(duì)等優(yōu)點(diǎn)。為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速更新提供了新的選擇方案。