利用遥感技术修测地形图的具体实施过程.docx
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利用遥感技术修测地形图的具体实施过程
利用遥感技术修测地形图的具体实施过程
摘要
地形图在经济建设中具有相当重要的地位，但其更新却比较缓慢，以至于无法满足社会生产的需要。
地形图修测的方法有很多种，本文主要阐述了利用遥感影像修测地形图的作业流程和更新方法，并针对作业过程中遇到的问题进行了探讨。
以武汉市经济技术开发区地形图的修测为例，进行了说明。
实践证明，该方法具有快速、准确、经济等优点,是大比例尺地形图更新的发展方向之一。
关键字遥感技术/地形图修测/精度分析
USINGREMOTESENSINGTECHNOLOGYTOREVISIONTOPOGRAPHICMAPSOFTHE
CONCRETEIMPLEMENTATIONPROCESS
Abstract
Topographicmapplaysanimportantroleineconomicconstruction,buttheupdateisveryslow,sothattheycouldnotmeettheneedsofsocialproduction.Therearemanymethodsoftopographicmaprevision,thispapermainlyexpoundstherepairprocessandupdatingmethodandmeasurethetopographicmapusingremotesensingimage,andaccordingtomeetprocessproblemsarediscussed.ThetopographicmapofWuhanCityEconomicandTechnologicalDevelopmentZoneofrevisionforexample,aredescribed.Practicehasproved,themethodisrapid,accurate,economicandotheradvantages,isoneofthetopographicmapupdatedevelopmentdirectionoflargescale.
KEYWORDSRemotesensingtechnology,topographicmaprevision,accuracyanalysi
1绪论
1.1遥感技术
遥感是指在不直接接触情况下，对目标物或自然现象远距离感知的的一门探测技术。
即在高空和外层空间的各种的平台上，运用各种传感器获取反映地表特征的各种数据，通过传输、变换、处理、提取有用信息，实现研究地物空间形状、位置、性质、变化及其与环境相互关系的一门现代应用技术学科。
遥感技术作为一种高科技技术，具有许多优点：
（1）探测范围大：
陆地卫星轨道高度可以达到九百多千米，航摄飞机可飞行高达10km左右。
一颗陆地卫星探测范围可覆盖到地面范围达三万多平方千米，约相当于我国郑州市的面积。
只需要600张左右的陆地卫星图像就可以全部覆盖我国广阔的疆域范围。
（2）获取资料的周期短、速度快。
以陆地卫星4、5为例，每十六天就可以覆盖地球一遍；如果实地测绘地图，则需要几年、十几年甚至几十年才能重复一次。
（3）受地面条件限制少：
不受冰川、高山、沙漠等复杂地形的影像，受各种恶劣环境条件的影响小。
（4）手段多，获取的信息量大：
取得所需的各种信息，可以使用不同的遥感卫星波段和不同的遥感仪器；可以利用可见光波段探测物体以及红外线、紫外线和微波波段进行探测；利用遥感技术所获取的信息量非常巨大，如四波段陆地卫星多光谱扫描图像，像元点的分辨率为79×57m，一幅标准图像包括四个波段，每一波段含有7600000个像元，则总共有3200万个像元点；不但能够探测地表的性质，而且可以探测到目标物，甚至地下一定深度；微波波段还具有全天候工作的能力。
因此，遥感技术在军事方面，广泛用于军事侦察、军事测绘、导弹预警、海洋监视、互剂侦检和气象观测等；在民用方面,广泛用于地形图绘制和更新、地球资源普查、环境污染监测、作物产量调查、土地利用规划、农作物病虫害、植被分类、海洋研制以及地震监测等方面。
1.2地形图
地形图指的是地表地物位置、起伏形状和形态在水平面上的投影图。
具体来讲，是将地面上的地物、地貌按照水平投影的方法（沿铅垂线方向投影到水平面上），并按一定的比例尺缩绘到图纸上，我们把这种图称为地形图。
由于制作地形图的区域范围比较小，因此地形图能精确而详细地表示地面上工程建筑、居民点、境界线、交通线、等社会经济要素以及地形、地貌水文、土壤、植被等自然地理要素。
地形图误差和投影变形都极小，因为它是根据地形测量或航摄资料绘制的。
地形图是编制各种小比例尺普遍地图、地图集和专题地图的基础资料，更是国防建设、经济建设以及科学研究中不可缺少的工具。
1.3国内外研究现状
伴随着社会和经济的迅速发展，人们对地形图现势性的要求越来越迫切，而在一些地区，仍在使用20世纪90年代成图的地形图；随着时间的推移，地形图的现势性将会越来越差。
因此，如何快速、经济且准确地更新地形图，从而提高地形图的现势性，是测绘工作者所要研究的重要课题[1]；然而地形图的修测可以快速的起到更新地形图的作用，所以就要研究高效率的修测地形图的方法。
众所周知，国际上许多国家包括我国在内，目前都在研究一种快速有效地修测地形图的方法，那就是利用高分辨率卫星影像修测地形图。
当今以美国、俄罗斯、法国等国家为首，这些国家在这方面的研究起步早。
2利用遥感影像修测地形图的前期准备
2.1现势资料的收集与分析
2.1.1需要收集的资料
收集符号化后的地形图数据或者地形图出版原图的数据资料作为基本资料，除此之外还应收集以下资料资料作为补充：
（1）地形图资料：
可供数据更新使用的与成图比例尺相同或较大比例尺的更新制作的地形图、数字线划图、数字栅格地图、数字正射影像图等；
这里需要特别注意，需要选择合理的波段、空间分辨率的遥感影像作为数据源，因为影像数据的选择可以直接影响到地形图更新的精度和质量。
例如，LandsatMss数据的空间分辨率为80m，可以用于修测1：
100万的地形图；LandsatTM数据的空间分辨率为30m，可以用于修测1：
25万的地形图；LandsatETM+数据的空间分辨率为15m，可以用于修测1：
5万的地形图；
（2）影像资料：
经验收合格的卫星影像资料；
（3）各种成果资料：
航摄内业成图时加密成果、原图测绘时的外业控制成果以及相关的各种记录资料、元数据、质量评定报告以及原图成图时的检查验收等；
（4）辅助资料：
各种专业图和有关的文字资料等。
2.1.2对资料的现势性要求
经济发达地区不超过两年；经济中等发达地区不超过三年；经济欠发达地区不超过六年。
2.2对地形图与遥感影像精度的要求
航摄资料精度、地形图资料应满足相应航空摄影规范和例尺地形图规范的要求。
若原图质量合格，可直接用于更新作业[1]。
原图合格必须符合以下条件：
（1）有检查验收及质量评定报告；
（2）并符合相应比例尺规范要求的。
若收集到质量验收报告有质量不明确的，必须进行精度检查。
精度检查方法如下：
均匀地在图幅内选取多于30个明显的定性点进行量测检查，其精度估算公式见式1和式2：
（2-1）
（2-2）
式中：
表示高精度检查中误差，高程单位为米（m），平面单位为毫米（mm）；
表示等精度检查中误差，高程单位为米（m），平面单位为毫米（mm）；
表示同名点不符值，高程单位为米（m），平面单位为毫米（mm）；
表示同名点较差，高程单位为米（m），平面单位为毫米（mm）；
——检查点数。
把所有收集到的资料进行完整地分析，若必要时，可以进行实地踏勘。
查看各种地形图资料的成图方法、成图所采用的标准以及成图年代，确定所有资料的可利用程度和精度；了解各类控制点的等级、分布、完好程度以及地形要素的变化情况；分析另外所有辅助资料的可靠性和现势性等。
2.3编写技术设计书
技术设计书的内容包括：
概述、地形图表示区域自然地理概况、引用文件、所收集到的已有资料、规格和技术指标以及作业方案。
2.3.1概述
主要讲述任务的目的、来源、作业范围、任务量、作业内容、行政隶属以及完成期限等基本情况。
2.3.2测区自然地理概况
（1）地形图表示区域的气候情况：
气候特征、风雨季节等。
（2）地形图表示区域的地貌特征、地形概况：
各种地物要素的分布与主要特征，如居民地、道路、水系、植被等；困难类别、相对高差、海拔高度、地形类别等。
（3）地形图表示区域需要说明的其他情况，如测区有关工程地质与水文地质的情况，以及测区经济发达状况等。
本论文以武汉经济技术开发区为例，做简要说明：
武汉经济技术开发区位于武汉市区西南方位，东经114°9'，北纬30°29'，地处市区中环线和外环线之间，濒临长江，发展腹地广阔，区位优势明显。
距武汉天河（国际）机场约40分钟车程，距离市汉口火车站、武昌火车站及市中心约30分钟车程。
武汉市属北温带大陆性季风气候，冷暖适中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨。
且武汉冬季最长，夏季次之，春季较短，素有冬天一过就夏天之称。
武汉经济技术开发区位于武汉市内，建筑物密集，地势平坦，相对高差不明显。
2.3.3引用文件
概括把在专业技术设计书撰写过程中，所引用的标准、规范和其他技术文件交代清楚；另外文件一旦被引用，便构成技术设计书的一部分内容。
2.3.4所收集到的已有资料情况
主要说明已有资料利用的利用方案和可能性等；说明已有资料的形式、质量情况、数量，包括已有资料的主要技术指标和规格等和评价。
2.3.5规格和主要技术指标
由最终成果形式，确定其规格和主要技术指标。
这里技术指标分为：
（1）坐标系统、高程基准、时间系统；成果类型及形式；
（2）数据基本内容、数据精度；
（3）比例尺、投影方法、分带、分幅编号及其空间单位等其他技术指标。
2.3.6作业设计方案
作业设计方案一般由以下几个方面组成：
（1）软、硬件环境及对其具体的要求：
——规定作业所需仪器的类型、数量、精度指标；
——对仪器校准或检定和作业所需的数据处理、传输以及存储等设备的要求做出明确规定。
——规定对专业应用软件的要求和其他软、硬件配置方面需特别规定的要求。
（2）作业的技术路线或流程。
（3）各工序的作业方法、技术指标和要求；生产过程中的质量控制环节和产品质量检查的主要要求。
（4）上交和归档成果及其资料的内容和要求。
（5）有关附录，包括设计附图、附表和其他有关内容。
3.利用遥感影像修测地形图的方案
3.1软硬件设备
表3-1软硬件设备表
Pc服务器
为了保证卫星影像数据处理的效率，选用高性能的Pc工作站性能
输出设备
大幅面彩色喷墨打印机：
采用EPSONSTYLUSPR010600
PCIGeomatica
用于处理地面起伏较大的卫星遥感影像
Erdas
用于处理地面起伏较小的卫星遥感影像
Imagestation
用于航空航天遥感影像纠正拼接
Geoway
为4D基础地理信息产品提供从数据采集、加工到产品制作和包装的全套生产软件，可以对现有各种形式的外部数据（野外、航测遥感、CAD／GIS）进行增值加工，成果满足多层次的应用要求
MapInfo
用于纸质地形图的矢量化
3.2技术路线
（1）将被修测的地形图应数字化，则可以形成数字栅格地图（DRG）或数字矢量地图（DLG）；
（2）利用DRG或DLG对遥感影像进行几何纠正，融合纠正后的影像和DRG或DLG；
（3）去除DRG或DLG上已变化了的地物，绘上变化后的地物，形成更新的地物图。
根据国家测绘局规范的规定，更新地物一律用紫色表示，以示区别。
3.3纸制地形图的矢量化
所谓地图矢量化，就是把栅格数据转换成矢量数据的处理过程。
用户可以在矢量化地图上编辑地物，还可以将地物归类，以及将各地物之间的空间关系进行求解，有利于地图的浏览、输出；并且当放大或缩小显示地图时，矢量化的电子地图信息不会发生失真。
通常使用MAPINFO进行矢量化，步骤如下：
（1）首先用扫描仪扫描纸质地图,以图形格式存盘；然后用专业化图像处理软件打开,对图形进行降噪、拼接、细化等处理,改善获取的栅格图象的质量,从而得到栅格地图。
（2）在MapInfo中打开栅格地图。
选择简单显示还是进行配准。
若进行图象配准,可以同时使用栅格图象与矢量图象。
若选择简单显示,则会生成一个与该栅格文件同名的TAB文件,并在地图窗口中显示，得到栅格图层。
这样就可以通过在栅格图层上覆盖新的图层来绘制矢量化地图。
（3）在MapInfo中建立一个可见、可以编辑的新图层。
通过修饰层来保证各层尺寸等参数得到统一。
实践表明,用多边形绘制街区、河流、绿地等，道路部分适合采用折线绘制。
另外考虑到工作效率，可以在MapInfo中生成多个图层,分别代表绿地、街区、河流、道路等,由多人分别绘制,最后总体合并。
（4）对每个对象设置属性信息，通过MapInfo对各对象进行合并、拖拉、擦除、分割等操作来实现。
汇总绘制好的图层。
在MapX的地图管理工具GeosetManager中打开所有图层,并保存，设置为GST格式的文件，并且存放在MapX的Maps目录下；然后注册画好的地图。
至此,就完成了生成矢量化地图的工作，得到数字矢量地图DLG。
通过上述步骤，得到武汉经济技术开发区矢量栅格图（1：
5万）如图3-1。
图3-1武汉经济技术开发区矢量栅格图
3.4遥感影像的处理
3.4.1遥感影像的几何纠正
3.4.1.1遥感图像的粗加工处理
遥感图像的粗加工，也就是系统性的误差加工。
并且它只做系统误差改正。
粗校正就是得到像片时做出简单的校正，它主要就是在一定程度上消除系统性误差。
如多光谱扫描仪，其成像的公式为：
（3-1）
虽然，经过粗纠正处理后，明显改正了各种传感器的内部畸变；但是经过粗纠正处理后的遥感图像仍然有较大的残差存在。
因此，对遥感图像的精纠正处理就显得非常有必要。
3.4.1.2遥感图像的精纠正处理
遥感图像的精校正就是为了消除非系统性误差，也就是诸多影响因素产生的变形。
它可以涵盖以下两个步骤：
第一就是将遥感图像上的坐标转换成地面点坐标；第二就是对变换后的图像灰度重采样。
纠正变换函数建立：
输入和输出图像间的坐标变换关系。
常用的有基于多项式和共线方程两种方法。
（1）基于多项式的遥感图像纠正
常用的多项式有勒让德多项式、一般多项式和双变量分区插值多项式等。
一般由两种办法求得多项式系数ai,bj（i,j=0，1，2，…（N－1））：
①用可预测的图像变形参数构成；
②按最小二乘法原理，利用已知控制点的坐标值求解。
多项式纠正模型分三种：
一次项纠正、二次项纠正和三次项纠正。
运用一次项纠正原理，可以纠正遥感图像的各种线性变形。
这些线性变形主要是因旋转、平移、仿射变形和比例尺变化等引起。
一次项纠正的纠正模型为：
（3-2）
在改正一次项各种线性变形的基础上，运用二次项纠正原理可以改正二次非线性变形。
二次项纠正的纠正模型为：
（3-3）
三次项纠正则改正更高次的非线性变形。
在这里需要提醒的是，对同名点做如下三点要求：
1）在图像上为明显的地物点；2）在图像上分均匀分布；3）数量要足够。
多项式几何纠正步骤：
1利用已知地面控制点求解多项式系数;；
以一次多项式为例：
一次多项式可纠正6种几何变形，当比例、平移、精度要求较高或旋转变形严重时，可用2次或3次多项式运用最小二乘法原理求解。
（a）一次多项式系数法方程：
（3-4）
（3-5）
（b）计算多项式系数
（c）精度评定
精度指标：
（3-6）
限差规定：
1：
10万影像图，δ≤±50M
1：
5万影像图，δ≤±25M
1：
1万影像图，δ≤±5M
②遥感图像的纠正变换（几何纠正）；
当用上述方法解求变换参数后，就可以对遥感图像进行几何纠正。
3数字图像亮度（或灰度）值的重采样
图像灰度重采样时，主要采用的方法有：
最邻近像元采样法、双线性内插法、双三次卷积重采样法。
三种重采样算法比较和重采样前后比较分别如图3-2和图3-3。
原始图像最邻近法双线性内插双三次卷积
图3-2重采样比较
图3-3重采样前后比较
④纠正结果评价
根据相应的规范，利用现有的资料，对纠正结果进行精度评价。
当纠正结果符合精度要求时，遥感图像的几何纠正才完成。
由于篇幅有限，在这里对纠正结果的具体分析不再赘述。
通过上述完整的纠正过程，就获得了具有地理编码的遥感图像。
（2）基于共线方程的遥感图像纠正
共线方程就是参与的像点坐标同实际地面点坐标之间的关系。
利用共线方程来描绘。
利用该方法进行校正最后得到的矩阵方程便于解算。
在航天摄影和卫星遥感中，由于每幅图像在地面上所覆盖的范围很大，图像地物在地图上的投影与其在地球切平面上的投影之间存在着形变差异，且这种形变差异是不可忽略的，因此需要通过更严密的变换来建立地物的地图坐标与图像坐标之间的关系。
由于都是按地心直角坐标来提供各类卫星图像的星历参数，所以我们提出了建立以地心坐标系为基础的共线方程来解决上述问题。
3.4.2图像配准和数字镶嵌
（1）图像配准
随着遥感技术的发展，得到的遥感图像越来越多，遥感传感器的时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率得到进一步地提高。
这些遥感图像包括不同传感器同一地区的图像，不同时间同一地区的图像以及不同时段的图像等，我们称这些遥感图像为多源遥感图像，它们一般存在相对的几何差异和辐射差异。
在许多遥感图像处理中，必须保证多源图像在几何上是相互配准的情况下，需要把这些多源数据进行图像的融合、地图修正、统计模式识别、变化检测和三维重构等比较和分析。
图像配准一般有两种方式：
图像间的配准，即相对配准；绝对配准。
图像配准通常采用多项式纠正法，直接把两幅图像间的相互变形用一个适当的多项式来模拟。
配准的过程分两步：
①在多源图像上确定分布均匀，足够数量的图像同名点。
②通过所选择的图像同名点确定几何变换的多项式系数，从而完成一幅图像对另一幅图像的几何纠正。
（2）数字图像镶嵌
数字图像镶嵌两个关键：
①首先，将所有参加数字图像镶嵌的遥感图像按照上述介绍的几种几何纠正方法，纠正到统一的坐标系中。
然后去掉重叠部分，再拼接多幅图像，从而形成一幅更大幅面的图像。
②接缝消除。
其包括两个步骤：
图像及和纠正，镶嵌边搜索。
武汉经济技术开发区纠正后的遥感影像图如图3-4。
图3-4武汉经济技术开发区纠正后的遥感影像图
4多源遥感图像的融合
4.1概念
分辨率融合，顾名思义就是把具有不同空间分辨率的遥感图像进行融合处理的过程，从而达到图像增强的效果。
分辨率融合能使处理后的遥感图像既具有较高分辨率，又具有多光谱特征。
图像融合的关键是融合方法的选择和融合前两幅图像的配准。
通过正确认识融合方法的原理、图像的特性以及融合的目的，我们可以选择正确的融合处理方法。
遥感影像融合能够解决多源海量数据。
它具有增强环境动态检测和多重教据分析的能力，可以充分的利用花费大量经费获得遥感数据，可以改善遥感信息提取的可靠性和及时性，为大规模的遥感应用研究提供一个良好的基础[2]，即具有互补性、低成本、时限性和冗余性的特点。
4.2融合分类
影像融合的分类方法有很多种，通常采用像素级、特征级和决策级融合。
4.2.1像素级融合
像素级融合对传感器配准的精度要求较高，处理信息量大、实时性差，并且花费大量时间；但是其尽可能多的保留了信息，具有较高的精度[3]。
由于像素级融合是基于最原始的图像数据，能够提供许多的细微信息，这是其他融合层次所不能提供的，并且能更多地保留图像原有的真实感，因而被得到广泛的应用。
融合后得到的影像既保留了全色影像的高空间分辨率，又保留了多光谱影像的较高光谱分辨率。
像素级融合的流程如图4-1所示。
图4-1像素级融合流程图
4.2.2特征级融合
特征级融合，顾名思义是指融合图像的特征。
具体来讲，可以分为三个步骤：
首先,抽取各种原始影像信息的特征，这些信息特征基于不同传感器。
然后,对上述获得的多个特征信息进行深度分析处理，并且找出相同类型的特征，在遥感图像上进行融合。
最后,将包含有效信息的特征，在一个特征空间进行融合。
特征级融合可以分为目标特征融合和目标状态信息融合，其属于一种中层融合。
目标特征融合就是特征层联合识别，在多传感器跟踪方面，主要应用目标状态信息融合[6]。
特征级融合比像元级融合精度差[7,8]。
其融合过程如图4-2所示：
图4-2特征级融合流程图
4.2.3决策级融合
决策级融合的优点是具有很好的开放性和很强的容错性，在一个甚至几个传感器失效的时，仍能得到最终的决策扭；同时其具有较强的分析能力，具有较短的处理时间，效率较高；具有最好的时效性，并且其对通信、传输以及数据等方面并没有很高的要求[9]。
决策级融合流程如图4-3所示。
图4-3决策级融合流程图
决策级融合常用的方法是D—S方法、基于专家知识的家系统、基于模糊集理论方法、最大似然法、基于神经网络。
4.2.4融合层次比较
不同层次的融合，各有其优缺点。
具体对比如表4-1所示：
表4-1各融合层次对比表
信息量
信息损失量
容错性
抗干扰性
对传感器依赖性
融合方法难度
预处理程度
分类性能
系统开放性
像素级融合
大
小
差
差
大
易
小
差
差
特征级融合
中
中
中
中
中
中
中
中
中
决策级融合
小
大
好
好
小
难
大
好
好
4.3融合方法
融合方法的正确选择是遥感图像融合重要部分。
通过不同传感器我们可以得到丰富的遥感数据，分析研究这些数据信息，从而应用于科学研究。
但是不同传感器巨有不同的波段，同时不同波段又具有不同设置的遥感数据。
众所周知，在不同波段，地物具有不同的吸收及反射特性。
因此应根据数据源类型、特点及其融合目的，选择合适的融合方法，对多种遥感数据进行融合[10]。
在影像融合层次上对数据的融合方法加以分析，现将不同层次上的融合方法加以归纳，如表4-2所示。
表4-2各层次融合方法表
像素级融合方法
空间域融合
加权融合法；乘积融合法；比值融合法；
高通滤波融合法
变换域融合
分辨率融合
金字塔融合法；
小波变换融合法
分量替换融合
his；pca；
线性回归量替换融合法；统计融合法；
估计辐射特性融合法
特征级融合方法
bayes法；dempster-shafer推理；带权平均法；神经网络法；
聚类分析法；表决法；小波变换融合
决策级融合方法
基于知识的决策技术，
基于识别的决策技术
常用的有基于his变换的融合、乘积融合法、小波变换融合法、pca融合法等几种。
下面主要介绍基于his变换的融合、小波变换融合法
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