高分七號衛星影像在鐵路工程1∶1萬地形圖制作中的應用

翟 旭

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

引言

1∶1萬地形圖是鐵路勘察設計過程中的重要資料，在預可行性研究階段、可行性研究階段、初步設計階段，對方案比選、方案優化均起著至關重要的作用。目前，1∶1萬地形圖基礎資料的主要來源包括資料收集和航空攝影測量。其中，資料收集手續繁雜、時效性差；航空攝影測量易受到成本高、投入大、周期長等因素限制。衛星影像為鐵路工程地形圖的快速制作提供了新的平臺，很多學者也進行了相關研究。史園莉等討論了影響制圖效果的幾個關鍵因素，包括自然真彩色波段合成方式、人眼分辨率與打印分辨率(DPI)的關系、衛星影像空間分辨率與制圖比例的關系[1]；王國昌基于不同分辨率的衛星影像，開展了鐵路勘測制圖試驗，證明了衛星影像制圖的可行性[2]。目前常用的國外高分辨率商業衛星主要有WorldView、Pleiades、GeoEye等，對此，王義等使用WorldView和GeoEye衛星影像在高寒無人山區開展了地形圖制圖工作，其精度滿足鐵路勘察設計要求，但受限于國外衛星中國境內存檔數據量和成本高問題，僅能作為航攝方法的補充手段[3]；鄧繼偉采取綜合使用衛星立體像對、SRTM、谷歌注記和老舊地形圖的方法進行地形圖制作[4]；周云提出針對目前最新對地觀測技術發展態勢，鐵路勘測設計人員一方面要繼續挖掘既有對地觀測技術和資料的應用潛力，也要對數碼航空攝影、機載激光雷達、高分辨率衛星影像數據等最新的對地觀測技術和成果加大研究、應用力度[5]。隨著國產立體測繪衛星的發射，這一問題將從數據源上得到改善，資源三號是我國第一顆立體測圖衛星，在測繪地理信息行業得到廣泛應用[6]。針對鐵路勘測，代強玲等開展了資源三號衛星1∶1萬圖制作的試驗工作，認為其可以作為影像源困難地區的補充數據使用[7]。但資源三號影像分辨率僅為2.5 m，主要用于1∶5萬地形圖制作。高分七號是我國第一顆亞米級立體測圖衛星，已有學者對高分七號衛星的數據處理進行了研究工作，并提出了空三加密的優化方案[8]。但針對鐵路帶狀成圖特點，相關研究工作較少，尚無完善的技術方案。因此，有必要針對高分七號衛星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作開展研究，進一步拓展鐵路1∶1萬地形圖制作手段。

1 高分七號衛星技術特點

高分七號衛星于2019年11月3日在太原發射成功[9-10]；2020年8月20日，高分七號衛星完成在軌測試并正式投入使用[11]。高分七號衛星搭載雙線陣相機和激光測高儀，其中前視相機傾角為+26°，全色地面分辨率為0.8 m，后視相機傾角為-5°，全色地面分辨率為0.65 m，多光譜地面分辨率為2.6 m，攝影測量基高比為0.62，可以用于1∶1萬地形圖測繪[12]。高分七號衛星具有以下技術特點[13]。

(1)主被動復合的全新測繪體制

采用了國內首臺雙線陣1∶1萬立體測繪相機與國內首套全波形星載對地激光測高儀相復合的測繪體制，既發揮了雙線陣成像效率高的優勢，又可充分利用激光測距精度高的能力。

(2)內外方位元素的高精度和高穩定性

實現了單次在軌工作期間相機畸變穩定性優于0.3像素，主點穩定性優于0.3像素；采用雙頻接收機和超高姿態確定、控制技術，保證了外方位元素的高穩定性。

(3)高速率數據傳輸系統

采用X頻段自適應傳輸系統，保證了星地鏈路的可靠性，并提高了傳輸效率，最高傳輸速率可達到2.4GB/s，使衛星成像能力得到了充分發揮。

2 方案設計

利用高分七號衛星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作主要工序包括：數據預處理、外業像控點的測量、空三平差、立體采集等，工序方案流程見圖1。

圖1 工序方案流程

2.1 數據預處理

原始的高分七號衛星影像以16位存儲，而鐵路工程呈帶狀特點，需要的影像景數較多，從而導致數據存儲量大，并影響數據處理速度。因此，需要進行灰度拉伸和降位等預處理。預處理可以使用遙感處理軟件，也可以使用Photoshop軟件，但需要注意的是，為保證影像灰度不失真，應先進行灰度拉伸，再進行16位轉8位的降位處理。

2.2 外業像控點測量

針對高分七號衛星影像的外業像控點布設，首先需要考慮影像范圍和成圖范圍。在勘察設計前期，線路方案較多，在這種情況下，推薦整景布點的方式(見圖2)，即像控點可以控制住整景影像，按每景影像9個點，像對間重疊區域像控點共用。線路方案穩定時，可以按控制帶狀成圖范圍布點(見圖3)。按成圖范圍布點的優勢是可以減少控制點數量，提高工作效率，若方案調整，則需要補測像控點。

端橫梁錨固塊及負彎矩齒板錨固塊尺寸分別如圖 1所示。其中，端橫梁厚度為1.5 m，錨固鋼束為6束φs15.2-27、2束φs15.2-31，張拉控制力為1 302MPa，錨墊板尺寸分別為342 mm×475 mm、367 mm×465 mm；齒板錨固區錨固鋼束為2束φs15.2-19，張拉控制應力為1 302 MPa，錨墊板尺寸為287 mm×375 mm。

圖2 整景布點示意

圖3 成圖范圍布點示意

按帶狀成圖范圍布設像控點時應滿足以下原則。

(1)像控點連接成的多邊形包圍住成圖范圍。

(2)盡量布設在像對間重疊區域。

(3)每個像對內可用點不少于5個。

(4)像控點距影像邊緣大于500 m。

為保證像控點在衛星影像上清晰易辨，選取了幾種標志地物來分析其可用性，見圖4～圖6。

圖4 獨立大房屋高分七號影像

圖5 連片小房屋高分七號影像

圖6 車道線和斑馬線外圍高分七號影像

由圖4～圖6可知，大的車道線箭頭、斑馬線的外圍可以從高分七號影像上分辨出來，并且這些位置多在平坦的馬路上，高程沒有突變，是比較理想的布點位置。但是需要注意的是，應避免這些位置周圍有高樓等的遮擋，以及避免在車輛多的道路上。對于邊長大于5 m且獨立的房屋，密集連片、形狀不規則、邊長小于5 m的房屋，從圖像上可以分辨出來的，而連片的小房屋難以分辨。

高山林區地物特征較少，在這種情況下，宜選擇小路的路心交點作為像控點(見圖7)。需要注意的是，現場測量時要盡量準確找到路心交點，并保證交點周圍盡量平坦。

圖7 以路心交點為像控點

表1 點位可用性分析

2.3 空三平差

空三平差是數據處理中的重要工序，衛星影像一般以RPC模型建立地面點坐標與像點坐標的關聯關系。空三加密通過匹配影像間的連接點，構成區域網，再加以外業控制點對區域網進行約束，之后基于RPC模型對區域網進行平差得到精確的RPC參數，有

(1)

式中，Num(u，v，w)=a1+a2v+a3u+a4w+a5vu+a6vw+a7uw+a8v2+a9u2+a10w2+a11uvw+a12v3+a13vu2+a14vw2+a14v2u+a16u3+a17uw2+a18v2w+a19u2w+a20w3Denl(u，v，w)=b1+b2v+…+b19u2w+b20w3；Nums(u，v，w)=c1+c2v+…+c19u2w+c20w3；Dens(u，v，w)=d1+d2v+…+d19u2w+d20w3；ai、bi、ci、di(i=1，2，…，20)為有理多項式系數；u、v、w與x、y分別為物方和像方坐標。

可以使用Inpho軟件或Photomatrix軟件導入影像和初始RPC參數并建立工程，基于影像匹配算法軟件進行連接點的自動匹配，再對連接點進行檢查并剔除錯誤連接點，通過對像控點的人工量測并平差解算，得到精確的RPC參數，其中Inpho可以進行像控點的立體量測，photomatrix在單片上進行像控點的量測。平差后像點坐標單位權中誤差應小于0.5像素，精度滿足要求后，再導出成果RPC參數。

2.4 立體采集

基于航天遠景MapMatrix或JX5攝影測量工作站，導入前后視高分七號衛星影像和平差后的RPC參數，建立工程并恢復立體。需要注意的是，立體視覺來源于左右視差，而衛星影像為前后視影像構成立體像對，故應在立體采集軟件中設置影像旋轉90°。1∶1萬地形圖按照規范要求進行采集，并編輯成圖[14-15]。

3 應用分析

渝萬高鐵自重慶東站引出，沿長江向東至萬州，線路長252 km，設計速度350 km/h。測區全部為山區，高差超過900 m，以下利用前述技術方案進行鐵路工程1∶1萬圖制作應用分析。

3.1 方案實施

本項目共使用9個高分七號立體像對(見圖8)，影像小部分區域存在云遮擋，但成圖范圍基本不受影響。

圖8 高分七號全色影像及像控點布設

項目中外業像控點采用整景布設方式，并盡量布設在像對間重疊區域；外業基于“CORS+RTK”方式進行像控點測量，并拍攝近、遠景照片，制作點之記(見圖9)，提交成果坐標系統為CGCS2000-108(85高程)。

圖9 像控點點之記

空三加密使用Photomatrix軟件，立體采集使用了MapMatrix Grid2.0和JX5，采編生產1∶1萬地形圖，見圖10。

圖10 高分七號衛星影像制作1∶1萬地形圖

3.2 精度檢查

精度檢查采用外業實測點與立體采集點對比的方式進行，共統計了68個高程檢查點，37個平面檢查點，計算高程中誤差為1.27 m，平面點位中誤差為1.53 m。

為進一步驗證不同地形下的精度情況，對兩段線路進行了統計分析。Ⅰ段所處地形為Ⅱ級地形，共使用12個高分七號立體像對，完成1∶1萬地形圖882 km2，統計了33個高程檢查點，42個平面檢查點，計算高程中誤差為0.81 m，平面點位中誤差為1.05 m。Ⅱ段所處地形為I級地形，共使用5個高分七號立體像對，完成1∶1萬地形圖296 km2，統計了27個高程檢查點，22個平面檢查點，計算高程中誤差為0.48 m，平面點位中誤差為1.32 m。

中誤差統計情況和規范要求見表2。

表2 中誤差統計情況和規范要求 m

由表2可知，不同級別地形下平面檢查點的平面點位中誤差均小于規范要求限值，高程檢查點的高程中誤差均小于規范要求限值，精度滿足規范要求。

3.3 優勢分析

該項目共完成1∶1萬地形圖535 km2，數據查詢、申請高分專線推送時間為4 d，期間同步開展外業像控點測量，3 d完成53個像控點測量工作，拿到數據和像控點后，2 d時間內完成高分七號衛星的數據處理，即6 d的時間可具備地形圖采編條件。

若采用常規航空攝影測量，需要空域申請、設備進場、航飛作業，期間還受到天氣、飛行計劃的影響，加上數據處理的時間，一般要30 d以上才具備地形圖采編條件。國外商業衛星一般在國內存檔數據有限，需要編程拍攝，時間周期也在30 d左右。

對比國外商業衛星價格，以WorldView為例，高分七號數據成本約為其1/20；相較于航空攝影，大幅減少了成本投入，具有較好的經濟性。

通過以上分析，基于高分七號衛星影像的鐵路工程1∶1萬地形圖制作節省了成本、提高了制圖效率。

4 結論

以高分七號衛星影像進行鐵路工程1∶1萬地形圖制作為目標，提出了數據預處理、外業像控點測量、空三加密、立體采集工序的技術方案，以典型項目為例，對平面點位中誤差和高程中誤差進行了統計，其中Ⅳ級地形平面點位中誤差和高程中誤差最大，分別為1.53 m和1.27 m，精度滿足規范要求，方案有效拓展了鐵路工程1∶1萬地形圖制作的技術手段，提高了鐵路工程1∶1萬地形圖制作效率，具有較強的工程適用性。