城市國土空間監測數字正射影像生產技術研究與探索

鄭偉安 孟大鵬 王秀元

1.山東省國土測繪院 山東 濟南 250013

2.山東省第一地質礦產勘查院 山東 濟南 250013

3.山東省地質科學研究院 山東 濟南 250013

1 引言

為全面掌握自然資源和人文地理要素的類型、面積、范圍、分布和變化情況，支撐國土空間規劃編制和監督，城市體檢評估和用途管制等國土空間治理工作[1]，2022年自然資源部啟動了城市國土空間監測工作，要求以2021年度國土變更調查成果為底圖，以收集到的專題資料為指引，使用最新、最優遙感影像，利用多種技術手段，結合實地調查方式，確定國土空間監測對象的位置、范圍和屬性。根據技術方案要求，監測采用現勢性為2022年的優于1米分辨率的數字正射影像，類型包括衛星影像、航空影像等。由各作業單位根據實際情況，綜合分析影像分辨率、時相等因素，選取效果最佳，更加適合城市地理空間監測的數字正射影像作為2022年城市國土空間監測的影像成果數據源，按相關技術要求生產完成后，形成符合監測要求的正射影像（DOM）成果。

2 監測數字正射影像生產

2.1 技術指標及要求

根據國家技術方案要求，影像成果可按整景、1:10000標準分幅和縣域三種方式中的一種方式提交，根據往年經驗結合現有數據情況及方便 生產原則，本年度數字正射影像成果按1:10000DOM標準分幅成果提交，提交內容由數字正射影像文件、記錄影像地理坐標信息的影像信息文件、記錄影像投影信息的投影信息文件、元數據文件及金字塔數據五部分組成[2]，以標準分幅為單元進行組織、存儲、匯交。影像成果平面坐標采用2000國家大地坐標系（CGCS2000），高斯-克呂格投影，3°分帶。影像投影信息文件和元數據均為XML格式，按圖幅為單元制作。

2.2 總體技術路線

以2022年省級基礎測繪0.2m分辨率1:2000 比例尺DOM、0.5m分辨率1:10000 比例尺DOM數據為數據源，經過影像分幅裁切、鑲嵌接邊、接邊影像分幅等工序完成符合技術要求的1:10000比例尺標準分幅數字正射影像制作。技術流程圖見圖1。

圖1 DOM生產流程圖

2.2.1 資料收集與分析

根據山東省影像數據源情況，已經處理完成了現勢性為2022年4-6月份的6.4萬km21:2000標準分幅0.2m分辨率航空數字正射影像和9.4萬km21:10000標準分幅0.5m分辨率衛星數字正射影像，該成果已通過驗收，符合精度要求，可作為數據源直接使用。收集完成后根據分別按38、39、40、41四個分帶號進行整理存放。為確保原始數據存儲安全和數據讀取效率，一般選取一塊8T硬盤作為該項目的專用盤進行操作。數據按分帶號整理后，需使用1:2000DOM成果結合表對照全省1:10000正射影像結合表進行分析，對于相鄰分帶處存在1:10000DOM圖幅不滿幅的情況，需將另一相鄰分帶1:2000DOM成果在ARCGIS軟件進行坐標換帶后，放入相應的分帶號文件夾內，以備后續裁切工作使用。相鄰分帶間影像接邊也可在分幅裁切后，使用PHOTOSHOP軟件手動進行接邊處理。

2.2.2 影像分幅裁切

數字正射影像的裁切是城市國土空間監測數字正射影像制作的關鍵一步。影像按GB/T13989規定的圖幅內圖廓線最小外接距形向四邊擴展圖上10mm[3]，即實地100m的距形進行裁切。為制作完成全省1:10000DOM圖廓，基于C#語言專門開發了相關工具，基于圖幅標準內圖廓線自動生產正射影像圖廓。圖幅標準內圖廓根據經緯度由軟件自動生成，制作正射影像圖廓前，需將不同分帶的內圖廓根據帶號進行重投影，投影生成平面坐標系。然后由程序逐圖幅讀取內圖廓四角坐標，然后取X、Y的極大或極小值后，除以影像分辨率后取整，再乘以分辨率，作為正射影像起始和終止坐標，最終生成符合規范要求的正射影像圖廓。由于正射影像圖廓坐標與影像分辨率相關，因此不同分辨率正射影像的標準圖廓坐標值不同，當影像分辨率不同時，正射影像的標準圖廓不是通用的，需要根據分辨率重新生成。

影像分幅裁切使用航天遠景軟件公司的DEMX軟件進行，該軟件支持一次性處理海量影像的自動化裁切任務，中間不需人工干預。首先在DEMX軟件下按分帶導入1:2000分幅數字正射影像，然后導入1:10000DOM標準圖廓，根據導入影像范圍選擇后DOM標準圖廓并設置好裁切參數后，根據DOM圖廓和圖廓內圖號自動化進行影像裁切，生成的影像名稱和圖號一致，格式為GeoTiff+TFW。DEMX軟件可識別的1:10000DOM標準圖廓格式為DXF格式，需在Arcgis軟件下新建一個*.mdb格式文件，將DOM圖廓（shp格式）導入mdb文件，將圖號進行標注，將標注轉換為注記后，使用要素轉CAD命令將圖廓和注記導出dxf數據，這時dxf數據仍不能導入DEMX軟件，需要使用GlobleMapper軟件將dxf數據另存為dxf格式后，才能導入DEMX軟件。

DEMX軟件裁切的正射影像格式為GeoTiff格式，需使用PHOTOSHOP軟件的另存功能轉成TIF格式。部分省界外及海域影像存在不滿幅情況，這些圖幅的無數據區域，DEMX分幅裁切后為白色，按照技術要求，需在PHOTOSHOP軟件中，使用魔棒工具進行選擇并填充為黑色（RGB值為：0，0，0）。

2.2.3 影像接邊

1:10000比例尺數字正射影像標準分幅裁切完成后，對航空數字正射影像和衛星數字正射影像進行接邊處理。不同分辨率、不同數據源數字正射影像的接邊工作量大，工作復雜。通過成果結合表對0.2m航空和0.5m航天數字正射影像重疊區域進行分析，根據重疊區域選取接邊圖幅進行接邊。重疊區域滿幅的0.2m航天數字正射影像應直接使用，不需作接邊處理。

根據項目要求，接邊時，需要將接邊圖幅的0.2m分辨率影像重采樣成0.5m分辨率數字正射影像，由于0.5m分辨率正射影像和0.2m分辨率正射影像的圖廓坐標不一致，因此不能將裁切后0.2m分辨率的接邊圖幅直接重采樣后進行接邊，而是在進行影像裁切之前就要確定0.2m分辨率1:10000分幅航空數字正射影像和需要重采樣成0.5m分辨率1:10000分幅航空數字正射影像的具體圖幅，并使用標準DOM圖廓后分別進行裁切。由于DEMX軟件導入數據需要時間較長，同一分帶影像數據導入后，裁切生成0.2m分辨率1:10000分幅正射影像后，再導入0.5m分辨率1:10000DOM分幅圖廓進行分幅裁切，生成0.5m分辨率1:10000分幅正射影像，可節約大量影像數據導入時間。

影像接邊時，如涉及接邊數據量過大，可分多個區域進行鑲嵌接邊處理。接邊時，如果涉及數據量較大一般采用Orthovista軟件建立接邊工程，通過軟件的鑲嵌線自動計算功能生成鑲嵌線后，再通過對鑲嵌線的人工編輯進行鑲嵌接邊，使用Orthovista軟件接邊時，需要確保兩側接邊圖幅范圍不能完全一致，否則軟件無法準確計算鑲嵌線。數據量較小則可使用PHOTOSHOP軟件直接進行接邊。接邊完成后，使用DEMX軟件對影像重新進行分幅裁切，制作生成1:10000標準圖幅DOM成果。

2.2.4 元數據制作及數據組織

元數據是對數據成果的描述性數據，包括數據名稱，坐標系統、數據范圍、數據源情況、數據精度、現勢性、生產時間等。影像元數據屬性項高達98項且每年都會根據實際需求變更，人工填寫制作耗時耗力且容易出現填寫錯誤，為此專門基于C#語言開發了城市國土空間監測影像元數據生產程序，該程序科學高效，具備可定制性，能夠快速準確的完成元數據制作任務，較人工制作元數據，可節約工作量100多人天。

制作正射影像元數據需要收集數據生產中的相關數據，主要為各作業區的數據源情況。因此，在數據源影像生產工序，就必須提前謀劃，要求各作業單位按照監測影像生產的技術要求，制作數字正射影像空三加密結圖表，填寫航攝儀、航攝時間、攝區代號、焦距、空三報告精度等相關信息。衛星影像生產時，保留好鑲嵌線及相關內部屬性，作為后期城市國土空間監測影像成果元數據和生產元數據填寫的主要資料。

正射影像接邊完成后，需將空三加密結圖表根據接邊后影像進行編輯，并同衛星影像鑲嵌線進行了擦除、合并、編輯等處理后形成了完整無縫的全省數字正射影像鑲嵌線成果。然后采用Arcgis軟件的空間連接功能使用影像鑲嵌線成果對全省1:10000監測DOM結合表進行空間屬性掛接，將鑲嵌線屬性掛接到以圖幅為單位的DOM結合表中，最終整理成元數據生產需要的字段和屬性。元數據制作程序通過讀寫DOM結合表中的字段屬性信息實現元數據生產的自動化，部分固定屬性值可在程序中進行設定。

影像生產部門需要向下一工序提供影像數據，同時也需提交以標準分幅的影像鑲嵌線成果，作為監測成果生產元數據的數據源。監測成果的生產元數據中對于影像的描述信息主要包括影像的標識符、現勢性和數據源類型等，本項目的影像標識符同影像裁切方式相關，和影像的圖號一致。生產元數據是無縫非重疊的，需要使用處理后的鑲嵌線成果對涉及到的1:10000標準內圖廓進行分割、合并、屬性掛接等處理后，形成的最終成果提供給生產作業單位用于生產元數據制作使用，該項工作提高了生產作業單位的生產效率和生產元數據填寫的準確性。

在數據的組織方面，成果是以標準分幅為單元進行組織、存儲、匯交。成果除數據本身外，還包括元數據、影像投影信息文件和金字塔數據。

我們根據影像成果標準分幅結合表提供的圖號信息，建立*.bat文件，實現文件夾的自動建立，投影信息的自動制作和數據的組織。具體步驟為建立一個txt文件，在其文檔內編寫批處理命令后，將其擴展名改為bat，雙擊即可執行相關操作。

例如，根據圖號建立文件夾，可使用下列命令：

MD E:DOMJ50G096087

MD E:DOMJ50G096088

……

相同分帶投影信息文件是相同的，可根據圖幅所在分帶，使用COPY命令制作分幅影像的投影信息文件，如：

COPY 源路徑39.XML 目標路徑J50G096087P.XML

其中39.XML為帶號39的投影信息文件，J50G096087P.XML為圖號J50G096087的影像投影信息文件，P代表投影。

影像成果的數據整理，需要使用MOVE命令，將制作好的影像、坐標文件、元數據、投影信息文件和金字塔數據放入到以圖號為組織單元的文件夾內，如MOVE 源路徑J50G096087P.XML 目標路徑 J50G096087上面命令是將J50G096087的投影信息文件移動到目標路徑下的J50G096087文件夾內。

3 經驗與建議

城市國土空間監測數字正射影像生產時間緊、任務重、要求高。必須在項目數據采集任務開始前完成全部影像數據的生產工作，以便一次性提供給作業單位。為確保各項工作科學有序開展，一是要提前謀劃，提前收集好需要的數據資料，并根據數據量大小，安排好專門的存儲設備，為確保生產效率，一些比如影像分幅裁切等自動化程度高、耗時較多的工序盡可能利用好下班后、周末等時間上軟件自動完成，上班時間主要用來處理影像接邊、元數據制作等需人工干預的工序。二是項目開展前要考慮到前后工序的銜接，需要上工序提供的數據，如衛星影像鑲嵌線和空三結合表等要提前制定好模板，要求作業單位按統一格式提交，否則如果沒有保留相關數據，會給影像生產造成很大被動，向下工序提交成果時，除應提交的影像成果外，也要提交經過處理后的鑲嵌線成果，方便下工序生產作業。