一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图的方法

摘要

本发明公开一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图方法，包括以下步骤：第一步，建立卫星原始数据、RPC参数、DEM数据；第二步，将上述三者进行数据正射纠正，形成数字正射影像图；第三步，数据融合，形成彩色影像图；第四步，影像美化处理，形成影像背景图；第五步，使用CASS、Arcgis及VirtuoZo软件人工跟踪框架要素数字化，最终形成数字线划地图。本发明利用多波段遥感影像，采用基于DEM和GPS控制点的微分纠正技术，使用软件进行影像纠正，提高影像的正射纠正几何精度。采用星历参数和物理成像模型相结合的卫星影像定位技术和基于差分GPS/IMU的航空摄影技术，实现对无控制点或稀少控制点地区的影像纠正。

说明书

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，特别与一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图的方法有关。

背景技术

测绘是社会经济发展和国家建设的一项基础性工作，是准确掌握国情国力，提高管理决策水平的重要手段。

人们对卫星遥感影像资料的研究始于20世纪50年代，随着科学技术的发展，遥感资料的获取技术也在迅速的发展；同时，遥感资料的分辨率和精度不断提高，遥感图像的分析解译与资料处理技术也取得了飞跃的进步。在此基础上，利用高分辨率卫星影像数据，通过遥感影像内在的信息研究处理，提取运用制图信息，越来越多的应用于各个领域。

在实际应用中，利用卫星影像图制作数字线划图的精度取决于基础背景底图质量，而背景底图又与影像的时空分辨率密切相关。除影像原数据的现势性和地面分辨率外，影像数据处理选用的纠正模型、数学基础、精度分析和质量控制至关重要，直接影响数字线划图成果的精度。

本发明人在分析和研究遥感原理、影像纠正原理以及现有纠正和处理方法的基础上，对利用卫星影像图制作数字线划地图的技术与方法、利用卫星影像纠正软件提高数字线划地图精度的方法以及提高数字线划地图生产速度的方法进行了研究，提出了一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图方法，利用多波段遥感影像，采用基于DEM和GPS控制点的微分纠正技术，使用软件进行影像纠正，提高影像的正射纠正几何精度。采用星历参数和物理成像模型相结合的卫星影像定位技术和基于差分GPS/IMU的航空摄影技术，实现对无控制点或稀少控制点地区的影像纠正。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于利用卫星影像图进行数字线划地图方法，包括以下步骤：

第一步，建立卫星原始数据、RPC参数、DEM数据；

第二步，将上述三者进行数据正射纠正，形成数字正射影像图（DOM）；

第三步，数据融合，形成彩色影像图；

第四步，影像美化处理，形成影像背景图；

第五步，使用CASS、Arcgis及VirtuoZo软件人工跟踪框架要素数字化，最终形成数字线划地图。

本方案通过下述步骤进行完善：

所述的第一步中，DEM数据生产过程包括

（1）数据准备

将所有1：500地形图转换成统一的dwg格式，如果坐标系不一致，应转换坐标系至1954北京坐标系，使之统一，再将所有的地形图拼接处理；未覆盖部分使用RTK全野外实测TIN要素作为补充，以使TIN要素覆盖全测区并适当外扩300-500米的范围；

（2）提取TIN要素

在1：500、1：2000、1：5000、1：10000地形图中提取等高线，高程点、地性线、水涯线、高速公路、堤坝等地形地貌要素，未覆盖部分RTK全野外实测TIN要素作为补充；

（3）高程检查及补充

检查高程点的合理性及各要素高程值的正确性；被破坏山体部分，如果原来存在等高线的应删除相应部分的等高线，并绘制坡脚线；斜坡坡脚线、陡崖崩崖崖脚线、山脚线等，必须分别赋予合理高程值，并参与TIN的构建，保证TIN的精度符合相关要求；

（4）生成TIN

利用第二步提取的TIN要素生成TIN（不规则三角网）；为了保证测区边缘DEM的精度，生成TIN的范围必须大于测区范围，为此尽可能由测区范围生产一个TIN数据集，若要分块，块间必须有300米以上的重叠范围；测区边缘需将范围向外扩大300米以上；

（5）检查TIN

检查生成的TIN是否采用了规定的数据内容（等高线、高程点、特征线、水涯线等），检查三角网是否存在平三角形，以及三角网的合理性是否与地形线一致；也可将TIN要素集与生成的TIN叠合在三维环境中检查其正确性，如发现问题则退回上一工序修改原始数据，必要时增补高程点重新构建TIN模型；

（6）生成Grid

TIN检查无误后内插生成DEM数据，生成Grid后将Grid生成的等高线与原始等高线叠合检查，内插高程点与相邻高程点比较，看中误差是否达到要求，如发现问题，重新检查修正TIN数据，直至满足要求。

所述的第二步中，使用遥感数据处理软件导入卫星原始数据，RPC参数及测区DEM数据，从1：500地形图上采集相当数量且均匀分布的同名点作为影像纠正控制点，使用有理多项式函数纠正模型，选取相应的传感器模型进行数字微分正射纠正。

所述的第三步中，数据融合方法采用主成份变换法、乘积法、比值法或小波变换法；融合的过程中，选择合适的波段组合进行融合以达到美观容易解译的目的，如采用（1，2，3）波段融合出的影像色彩比较接近真彩色，而采用（1，4，3）波段融合出的影像色彩为假彩色。

所述的第四步中，融合好后应进行镶嵌及匀光处理，以减少不同时相影像的差异。

所述的第五步中，使用CASS、Arcgis及VirtuoZo软件将正射影像图按一定的比例插入工作区中，然后在图上进行相应信息要素采集；采用半自动或者人机交互方式提取线划要素，包括建筑物、道路、湖泊，可大大提高作业效率；信息要素采集结束后，进行地名、山体、道路、河流、行政区要素名称的注记，并将相邻区块的地图进行接边处理，然后进行1：10000标准分幅，加图廓要素，则完成标准的1：10000数字线划地图的生产。

采用上述方案后，本发明具有诸多有益效果：

本发明提出了的利用卫星影像图生产数字线划地图（本项目成果为1：10000地形图）的生产工艺流程，解决正射纠正中，多景、多时相原始影像数据批量纠正的质量和速度控制、控制点稀少地区正射纠正的精度控制问题，提高利用卫星影像图生产数字线划地图（本项目成果为1：10000地形图）的速度。本发明利用多波段遥感影像，采用基于DEM和GPS控制点的微分纠正技术，使用软件进行影像纠正，提高影像的正射纠正几何精度；采用星历参数和物理成像模型相结合的卫星影像定位技术和基于差分GPS/IMU的航空摄影技术，实现对无控制点或稀少控制点地区的影像纠正。

具体实施方式

结合附图，对本发明较佳实施例做进一步详细说明。

一、坐标系

本实施例中的影像图采用高斯-克吕格投影，按3度分带，中央子午线120度，平面坐标系采用1954北京坐标系，高程基准采用1985国家高程基准。成图比例尺1：10000。本实施例工艺流程主要步骤为：

第一步，建立卫星原始数据、RPC参数、DEM数据；

第二步，将上述三者进行数据正射纠正，形成数字正射影像图（DOM）；

第三步，数据融合，形成彩色影像图；

第四步，影像美化处理，形成影像背景图；

第五步，使用CASS、Arcgis及VirtuoZo软件人工跟踪框架要素数字化，最终形成数字线划地图。

上述步骤中的具体化技术点：

二、DEM生产

数字高程模型（DEM）是表示区域地形三维向量的有限序列，其有多种表现形式，主要包括规则矩形格网（Grid）与不规则三角网（TIN）等。考虑存储和使用的方便性及通用性，本项目采用由TIN内插生成规则矩形格网DEM,文件格式为*.img 。为提高影像正射纠正精度，格网间距要求为2.5米。

1．TIN构建要素的提取

（1）用于构建TIN的地形要素主要从1：500、1：2000、1：5000地形图上提取，未覆盖部分参考1：10000地形图利用RTK技术进行野外采集。

（2）提取等高线、高程点、地性线、高速公路、鱼塘、堤坝、斜坡等地形地貌要素用于构建TIN模型。

（3）图上平均大于10毫米宽的河流水涯线应采集,图上平均大于100mm2的水库、湖泊、鱼塘应采集。平地静止水域根据水位统一赋高程值，山地、河流根据地形梯度下降分段赋值，然后参与构建TIN模型。

2．DEM生产技术要求

（1）DEM数据形式为规则矩形网格，格网间矩为2.5米；比例尺为1：50000；DEM范围完全覆盖整测区，为纠正影像边缘区域，DEM必须在四周适当向外扩300-500米。

（2）平面坐标系采用1954北京坐标系，高斯-克吕格投影，按3度分带。高程基准采用1985国家高程基准。

（3）DEM格网点内插中误差不能大于下表 

（4）DEM数据应完整，格网点的高程精度符合要求，同图幅的DEM反演等高线应与DLG保持一致，其高程偏差不大于一个等高距。

3．DEM生产过程

（1）数据准备

将所有1：500地形图转换成统一的dwg格式 ，如果坐标系不一致，应转换坐标系至1954北京坐标系，使之统一，再将所有的地形图拼接处理。未覆盖部分使用RTK全野外实测TIN要素作为补充，以使TIN要素覆盖全测区并适当外扩300-500米的范围。

（2）提取TIN要素

在1：500、1：2000、1：5000、1：10000地形图中提取等高线，高程点、地性线、水涯线、高速公路、堤坝等地形地貌要素，未覆盖部分RTK全野外实测TIN要素作为补充。

（3）高程检查及补充

检查高程点的合理性及各要素高程值的正确性。被破坏山体部分，如果原来存在等高线的应删除相应部分的等高线，并绘制坡脚线。斜坡坡脚线、陡崖崩崖崖脚线、山脚线等，必须分别赋予合理高程值，并参与TIN的构建，保证TIN的精度符合相关要求。

（4）生成TIN

利用第二步提取的TIN要素生成TIN（不规则三角网）。为了保证测区边缘DEM的精度，生成TIN的范围必须大于测区范围，为此尽可能由测区范围生产一个TIN数据集，若要分块，块间必须有300米以上的重叠范围。测区边缘需将范围向外扩大300米以上。

（5）检查TIN

检查生成的TIN是否采用了规定的数据内容（等高线、高程点、特征线、水涯线等），检查三角网是否存在平三角形，以及三角网的合理性是否与地形线一致。也可将TIN要素集与生成的TIN叠合在三维环境中检查其正确性，如发现问题则退回上一工序修改原始数据，必要时增补高程点重新构建TIN模型。

（6）生成DEM（Grid）

TIN检查无误后内插生成DEM数据，生成Grid后将Grid生成的等高线与原始等高线叠合检查，内插高程点与相邻高程点比较，看中误差是否达到要求，如发现问题，重新检查修正TIN数据，直至满足要求。

三、DOM生产

数字正射影像图（DOM）是基于各种影像数据，使用合理的正射纠正方法对其进行正射纠正处理，再经镶嵌匀光等处理而成。DOM信息丰富直观且更新快速便捷，是我国基础地理信息数字产品的重要组成部分。本实施例使用美国QuickBird 0.6米高分辨率全色数据和2.5米空间分辨率的多光谱卫星遥感数据（采集时间:2006年11月至2007年6月）。

1．DOM生产技术要求

（1）坐标系

同DEM的坐标系

（2）影像分辨率

受目前常规操作系统及软件处理文件容量的限制及硬件的限制，为能使用Photoshop和CorelDraw软件进行正常的生产处理工作，在不影响出图精度及清晰度的前提下，有必要对原始影像数据进行抽细处理，否则无法进行处理工作。按1：10000比例尺抽细为2米分辨率数据。

（3）纠正点的选取及精度

纠正点的坐标数据在1：500地形图中采集。测区未被有效资料覆盖的区域，以RTK全野外实测地物特征点作为纠正控制点的补充。并要求纠正控制点尽量均匀分布于整个测区范围。应尽可能选取在地面特征点，如小路交叉点，明显田埂交叉点及单线水沟交叉点等。尽量避免选取较高建筑物构筑物拐点作为纠正控制点。在采点特困区，可适当选取低矮建筑构筑物拐点，但必须在建筑物构筑物基部采集，以减少投影差产生的影响。纠正点中误差平地应控制在2.5米以内，山地应控制在3米以内，高山地应控制在4米以内。

（4）DOM精度  单位：图上mm

山地随高程增大，其拍摄时产生的投影差随之增大，海拔越高，偏差越大。对于既有平地又有高山的单景影像数据，在进行正射校正时总体中误差会偏大。因此对于既有高山有又平地的单景影像数据，正射纠正中误差可以适当放宽。

（5）影像美化

影像应清晰，反差适中，色调均匀，经过镶嵌不同时相影像图应无明显的拼接痕迹，不应出现影像裂隙，或模糊现象。

2．DOM生产流程

（1）数据准备

根据测区范围大小，准备好各景影像相应的RPC参数文件及测区DEM数据，并确保DEM范围比实际影像范围向外扩300至500米左右，转换原始卫星数据到影像处理系统支持的数据格式。

（2）数据正射纠正

使用具有严密物理模型纠正能力的遥感数据处理软件导入影像数据，RPC信息及测区DEM数据，从1：500地形图上采集相当数量且均匀分布的同名点作为影像纠正控制点，使用有理多项式函数纠正模型，选取相应的传感器模型进行数字微分正射纠正。

（3）数据融合

数据融合方法有很多种,比较常用的有主成份变换法、乘积法、比值法及小波变换法等。本实施例中采用主成份变换法进行数据融合。融合的过程中，选择合适的波段组合进行融合以达到美观容易解译的目的。如采用（1，2，3）波段融合出的影像色彩比较接近真彩色，而采用（1，4，3）波段融合出的影像色彩为假彩色。本次采用第一种融合方案即使用（1，2，3）波段进行融合处理。

（4）影像美化处理

影像融合好后应进行镶嵌及匀光处理，以减少不同时相影像的差异。 

（五）数字线划地图生产

在新制作的数字正射影像图上，人工跟踪框架要素数字化。屏幕上跟踪：使用CASS、Arcgis及VirtuoZo软件将正射影像图按一定的比例插入工作区中，然后在图上进行相应信息要素采集。采用半自动或者人机交互方式提取线划要素，包括建筑物、道路、湖泊等，可大大提高作业效率。

信息要素采集结束后，进行地名、山体、道路、河流、行政区等要素名称的注记，并将相邻区块的地图进行接边处理，然后进行1：10000标准分幅，加图廓要素，则完成标准的1：10000数字线划地图的生产。