1. 高解析度影像數據處理及數據建庫技術方法研究
潘振祥
（河南省國土資源廳信息中心 鄭州 450016）
摘 要：本文通過開展高解析度衛星遙感影像數據（SPOT5）處理及建庫技術方法研究和探索，制定了《高解析度影像數據處理及基於遙感影像土地利用資料庫建設技術要求》和《省級基於遙感影像 1∶1 萬土地利用資料庫標准》，製作了覆蓋河南全省的 1∶1 萬數字正射影像圖，建立了河南省基於 SPOT 5 的 GPS 像控點圖形圖像資料庫、高解析度衛星影像資料庫和基於影像信息土地利用資料庫，為全國土地利用二次調查基礎底圖製作進行了有益的探索。
關鍵詞：土地資源 衛星影像 遙感 資料庫 像控點
0 引 言
隨著信息技術的快速發展，衛星遙感影像處理技術得到了突破性進展，高解析度衛星影像在土地資源調查評價物嘩、土地利用動態遙感監測、土地執法監察、土地變更調查以及大中比例尺地形圖測繪等方面應用已取得顯著成效。
針對河南省高解析度遙感影像數據處理及資料庫建設項目任務，項目組提出了利用 GPS 外業靜態實測坐標作為影像數據校正的控制資料，制定了《高解析度影像數據處理及基於遙感影像土地利用資料庫建設技術要求》和《省級基於遙感影像 1∶1 萬土地利用資料庫標准》等，並根據項目任務要求，制定了切合河南實際的基於遙感影像信息的土地利用分類體系，同時，通過項目開展，製作了覆蓋河南全省的 SPOT 5 數字正射影像圖（DOM），並建立了河南省基於 SPOT 5的 GPS 像控點圖形圖像資料庫，為土地利用二次調查基礎底圖製作進行了有益的探索。
1 影像數據處理及資料庫建設技術路線
（1）多源遙感信息相結合。選取最佳波段組合的多光譜影像與高解析度全色影罩尺行像融合，生產具有高解析度空間信息和豐富光譜信息的融合影像。
（2）GPS 像控點、基礎圖件（資料庫）和 DEM 相結合。根據實際情況，採用 GPS 像控點，同時利用 1∶5 萬 DEM 對遙感影像進行正射校正。
（3）人機交互與計算機自動提取相結合。以人機交互解譯為主，進行土地分類信息提取。
（4）遙感解譯與地面調查相結合。對提取的地類圖斑信息進行外業驗證，對在室內不確定的地類圖斑，進行外業實地調查。
2 GPS 像控點圖形圖像資料庫建立
為保證像控點選取精度，首先在 2.5 m 解析度的全色影像上，按照像控點選取的技術要求，每景均勻選取了 25 個像控點，並對像控點進行了全外業 GPS 靜態測量，在 MapGIS 平台下編輯像控點屬性結構，建立 GPS 像控點圖形圖像資料庫，並將像控點外業測量成果表以圖片方式保存在屬性表中。如圖1所示。
圖1 像控點圖形圖像資料庫示意圖
2.1 GPS 像控點選取
為保證像控點外業測量精度，像控點選取時，點位分布要相對均勻，特徵明顯，交通便利，數量足夠，盡可能在全色影像上選取，盡量避開高壓線、大面積水域等干擾因素。
為提高外業測量效率，將選取的待測像控點製作成「像控點外業測量成果表」，成果表包括像控點編號、點位及放大的示意圖、WGS84、1954 北京、1980 年西安三套坐標和點位說明等內容。
2.2 GPS 像控點外業施測
像控點外業測量採用附合路線法，各像控點平均間距約 13 km，像控點與 C 級 GPS 控制點組成 GPS 控制網。GPS 像控點外業測量利用河南省 C 級 GPS 控制網成果的三套數據（分別為WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐標）作為起算數據，依據《全球定位系統（困察GPS）測量規范》，採用靜態方式同步進行觀測，三台套 GPS 接收機為一組，觀測時段長度不少於 45 分鍾，衛星高度角≥ 15°，有效觀測衛星總數≥ 4 個。測量數據採用南方測繪軟體進行基線解算、平差處理並進行高程擬合，最後解算出像控點基於三套坐標系統的三套數據和擬合高程。
2.3 GPS 像控點圖形圖像資料庫的建立
GPS 像控點圖形圖像資料庫以河南省 1∶50 萬地理底圖作為工作底圖，輸入像控點空間坐標，並採集像控點屬性與圖形信息，建立數學基準統一的像控點圖形圖像文件。像控點圖形圖像信息，除像控點所具有的地理坐標信息之外，還包括與待糾正影像相關的特徵地物的紋理信息、解析度信息等。
3 影像數據處理
影像數據處理包括衛星影像全色數據與多光譜數據的配准、融合和影像數據正射校正、鑲嵌及正射影像圖（DOM）的製作等。本項目所使用到的 SPOT 5 數據是由視寶公司提供的 1A 級數據，只經過了探測器的均衡化處理，為了進行多元數據的復合，製作正射影像圖，必須對圖像進行正射校正，建立地理坐標。影像數據處理技術流程如圖 2 所示。
圖2 影像數據處理技術流程
3.1 影像配准
本項目使用的單景多光譜數據與全色數據是同步接收到的，其圖形的幾何相關性較好，多光譜數據與全色配准難度小、精度高，因此採用相對配準的方法，SPOT 5 多光譜數據波段組合採用 XS2（紅）、XS3（綠）、XS1（藍）形式，影像重采樣間隔為 2.5 m，重采樣方法採用雙線性內插，以景為配准單元，以 SPOT 5 全色數據為配准基礎，均勻選取配准控制點，對接收側視角較大，地勢起伏對配准影響較為嚴重的區域相應增加控制點密度，將 SPOT 5 多光譜數據與之精確配准，並隨機選擇配准後全色與多光譜數據上的同名點進行檢查，以確保數據的配准精度。
3.2 影像融合
圖像融合處理採用最基本的乘積組合演算法直接對兩種空間解析度的遙感數據進行合成，融合後圖像則採用直方圖調整、USM 銳化、彩色平衡、色度飽和度調整和反差增強等手段，以使整景影像色彩均勻、明暗程度適中、清晰，增強專題信息，特別是加強紋理信息。
3.3 影像正射校正
影像正射校正採用 ERDAS 的 LPS 正射模塊，利用 SPOT 5 物理模型，每景 25 個像控點均勻分布於整景影像，各相鄰景影像重疊區有 2 個以上共用點。正射校正以實測點和 1∶5 萬 DEM為校正基礎，以景為單元，對融合後的數據進行正射校正，采樣間隔為 2.5 m。
3.4 影像鑲嵌
影像鑲嵌採用 ERDAS 的 LPS 正射模塊中批量處理模塊，相鄰兩幅影像，均採集了兩個以上共用點，大大提高了影像鑲嵌精度。為驗證鑲嵌精度，以縣（市、區）為單位，在其鑲嵌區隨機選擇 25 個以上檢查點進行鑲嵌精度檢查。
3.5 數字正射影像圖製作
數字正射影像圖（DOM）製作採用 Image Info 工具，按照 1∶1 萬標准分幅進行裁切，覆蓋完整的縣級行政轄區。圖幅整飾依據《高解析度影像數據處理及資料庫建設技術要求》，利用MapGIS 資料庫平台，按照 1954 北京坐標系、1985 年國家高程基準的生成 1∶1 萬標准分幅圖幅整飾。
4 創新成果
項目組在圓滿完成項目任務的前提下，結合項目進展和土地管理需要，創造性地開展工作。總結項目進展和取得的成果，創新成果主要體現在：
（1）影像校正控制點 GPS 外業實測數據作為影像校正控制資料，改變了以往利用地形圖、土地利用現狀圖（資料庫）作為控制資料的傳統方式，極大地提高了影像校正精度，節省了項目投入經費。
覆蓋河南全省 1∶1 萬標准分幅地形圖共計 6565 幅，而實有地形圖僅 5600 余幅，項目組在徵求部課題組同意的前提下，提出採用 GPS 外業實測控制點作為影像校正控制資料的思路。基於這一思路，項目組進行了一系列研究和論證，制定了 GPS 外業測量技術要求，並對覆蓋全省的每景 SPOT 5 衛星影像相對均勻地選取了 25 個控制點，相鄰景影像不少於 2 個共用控制點的原則，全省共選取影像校正控制點 1421 個，GPS 大地控制 C 級點 94 個。根據影像數據接收時間和項目進度，共分 13 個測區，對所有控制點採用附和路線法進行了靜態測量，分別計算出各控制點和檢查點的 WGS84、1954 北京和 1980 年西安三套坐標。
（2）河南省像控點圖形圖像資料庫的建立，為今後河南全省土地利用遙感監測、衛片執法監察等提供了技術保障。
為使外業測量成果長期保存和今後使用，項目組在項目任務之外，在 MapGIS 平台上，基於河南省 1∶50 萬地理底圖，建立了 GPS 像控點圖形圖像資料庫。GPS 像控點圖形圖像資料庫的建立，不僅滿足 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像的校正精度要求，同時為今後河南全省土地利用遙感監測、衛片執法檢查、礦山環境監測等奠定了基礎。
（3）高解析度影像數據大區域整體正射校正和鑲嵌處理技術的探索，為影像數據批處理技術的推廣進行了有益的探索。
由於本次試點項目涉及的范圍廣、影像處理工作量大，因此，項目組在保證影像糾正精度的前提下，為提高工作效率，探索和使用了遙感影像專業處理軟體 ERDAS 的 LPS 模塊提供的大區域整體正射糾正和影像鑲嵌處理功能，達到了較好的應用效果。
鑒於本次試點項目所使用的影像數據均為同步接收的 SPOT 5 多光譜與全色數據，其圖形的幾何相關性較好，多光譜數據與全色配准難度小、精度高，因此，影像數據處理採用先單景融合、後大區域整體正射校正、最後進行大區域鑲嵌配準的技術流程進行影像處理。
正射糾正採用 ERDAS 的 LPS 批量正射模塊。糾正採用 SPOT 5 物理模型，控制點均勻分布於整景影像，每景控制點個數為 25 個，各相鄰影像重疊區有 2 個以上共用點。正射糾正以 GPS外業實測控制點和預處理的河南省 1∶5 萬 DEM 為糾正基礎 , 對 SPOT 5 融合數據進行批量糾正，采樣間隔為 2.5 m。影像鑲嵌採用的是 ERDAS 的 LPS 批處理模塊，由於各相鄰景影像均採集了兩個以上的共用點，大大提高了影像鑲嵌精度。
（4）基於遙感影像信息土地利用分類標准體系的制定，為國家和省級快速掌握和提取土地利用變化信息進行了有益的探索。
項目組根據部課題組要求及國家和省土地管理工作需要，結合 SPOT 5 衛星影像光譜特徵和紋理信息，經充分研究和論證，制定了切合河南實際、滿足「高解析度影像數據處理及資料庫建設」試點項目需要的基於遙感影像信息的土地利用分類標准，該標准中將土地利用類型分為農用地、建設用地和未利用地等 3 個大類，耕地、園林地、其他農用地、城市用地、建制鎮用地、農村居民點用地、鐵路用地、公路用地、其他建設用地、未利用地等 10 個二級類，此外，根據個別地類特點，又分別從農用地、建設用地和未利用地中單獨劃分出公路林帶、農業水利用地、水利設施用地、未利用水面和黃河灘地等 5 個三級類，分類標准與現有的土地利用分類體系協調、一致，符合國土資源土地分類標准體系。
（5）基於遙感影像土地利用資料庫建設，為國家和省土地宏觀管理提供了現勢性較強的土地利用電子數據，為國內同類工作的開展提供了技術依據。
考慮到國家和省級土地宏觀管理的需要，根據項目制定的「基於遙感影像土地利用分類體系」，結合中地公司 MapGIS 土地利用資料庫管理系統框架結構，項目組在 MapGIS 資料庫管理系統平台的基礎上，分別制定了《高解析度影像數據處理及資料庫建設技術要求》和《基於遙感影像 1∶1 萬土地利用資料庫標准》等，並在標准中明確了基於遙感影像的土地分類、文件命名規則、數據分層格式及要求等，保證了數據標准和數據格式的一致性及資料庫建設質量，為國家和省提供了翔實的土地利用現勢數據。
5 結 語
隨著遙感技術和計算機技術的飛速發展，高解析度遙感影像數據在土地管理工作中的應用越來越普遍，同時，遙感影像數據處理的技術手段也越來越科學、越來越先進，尤其是全國第二次土地調查工作的全面開展，將遙感影像在土地管理方面的應用推到一個前所未有的水平，因此，如何在影像數據處理過程中盡可能減少人力和財力投入已顯得尤為重要。本項目針對上述問題，在科研與生產過程中，提出的採用 GPS 外業實測控制點作為影像校正控制資料、GPS 像控點圖形圖像數據建庫及基於國家和省級土地管理需要而提出的基於遙感影像信息土地利用資料庫標准等，進行了較好的詮釋，為今後同類工作的開展進行了有益的探索。
參 考 文 獻
常慶瑞，等.2004.遙感技術導論［M］. 北京：科學出版社
陳述彭，等.1998.遙感信息機理研究［M］.北京：科學出版社
黨安榮，等.2003.ERDAS IMAGING 遙感圖像處理方法［M］.北京：清華大學出版社
湯國安，等.2004.遙感數字影像處理［M］. 北京：科學出版社
徐柏清.1988.正射投影技術與影像地圖［M］.北京：測繪出版社
尤淑撐，劉順喜.2002.GPS 在土地變更調查中的應用研究［J］.測繪通報（5）：1～3
張繼賢，等.2000.圖形圖像控制點庫及應用［J］.測繪通報（1）
（原載《測繪通報》2008 年第 10 期）
2. 基於高解析度遙感影像的土地利用資料庫建設
王文卿
（河南省國土資源廳信息中心 鄭州 450016）
摘 要：針對目前國家級和省級國土資源管理對現勢性土地利用數據的要求，在高解析度遙感影像處理、基於遙感影像的土地利用信息提取及資料庫建設等方面開展有益的嘗試，以便為國土資源管理提供快速、准確的土地利用信息，為國土資源的管理提供基礎信息服務和輔助決策工具。
關鍵詞：高解析度遙感影像 土地利用 資料庫
0 前 言
我國人多地少，耕地資源稀缺，當前又處於工業化城鎮化快速發展時期，耕地保護與建設用地需求的矛盾進一步凸顯，充分發揮技術優勢、及時掌握現勢性土地利用現狀，關繫到控制布局和調控經濟杠桿作用發揮的效率問題。位於我國南北交界的河南省擁有平原、丘陵、山區三種地形，本文利用法國 SPOT 5 衛星影像數據，在河南省開展全省基於遙感影像信息的土地利用資料庫試點建設，快速獲取國家級、省級國土資源管理所需要的土地利用現狀。
1 試點地區及遙感影像數據源基本情況
河南省位於黃河中下游地區，面積 16.7 萬平方千米，其中山地和丘陵共 7.4 萬平方千米，平原和盆地共 9.3 萬平方千米。採用覆蓋河南全省范圍的解析度為 2.5 m 的法國 SPOT 5 數據源，數據獲取時間為 2005～2007 年。數據共計 79 景，數據質量良好，基本滿足一般條件下影像分類的要求。但由於影像接收時間跨度大，且多集中於春季和秋季，由於河南省季節分明的特點，因此，覆蓋全省的影像存在著明顯的色彩差異問題。
2 遙感影像數據處理
單景全色與多光譜數據是同步接收到的，其圖形的幾何相關性較好，影像處理採用先配准融合、後糾正的順序 , 主要包括影像的配准、融合、正射糾正和鑲嵌、裁切等。
2.1 影像配准
影像配准採用 ERDAS 軟體中相對配準的方法，多光譜數據採用 XS2（紅）、XS3（綠）、XS1（藍）波段組合形式，重采樣採用雙線性內插法，以景為配准單元，以 SPOT 5 全色數據為配准基礎，均勻選取配准控制點。對接收側視角和地勢起伏較大的個別區域增加控制點採集密度。
2.2 影像融合
採用乘積變換融合法和 ANDORRE 融合方法對全色和多譜兩種空間解析度的數據進行合成，融合後影像採用調整直方圖、USM 銳化、色彩平衡、色度飽和度調整和反差增強等手段改善影像的視覺效果，使整景影像色彩真實、均勻、清晰，並且強化紋理等專題信息。
2.3 影像正射校正
影像正射校正採用 ERDAS 軟體的 LPS 正射模塊，利用 SPOT 5 物理模型，每景採集 25 個像控點均勻分布於整景影像，各相鄰景影像重疊區有 2 個以上公共像控點。正射校正以實測像控點和 1∶5 萬 DEM 為校正基礎 , 以景為單元，對融合後的數據進行正射校正。
2.4 影像鑲嵌
影像鑲嵌以工作區為單元，在景與景之間鑲嵌線盡量選取線狀地物或圖斑邊界等明顯分界處，盡量避開雲、霧及其他質量相對較差的區域，使鑲嵌後的影像色彩過渡自然，無裂縫、模糊和重影現象。
2.5 數字正射影像圖製作
數字正射影像圖（DOM）製作採用 Image Info 工具，按照 1∶1 萬標准分幅進行裁切，覆蓋完整的縣級行政轄區。依據《高解析度影像數據處理及資料庫建設技術要求》，利用 MapGIS 下分幅進行圖幅整飾。
3 基於遙感影像的土地利用信息提取
3.1 河南省土地利用遙感信息分類
結合河南省土地利用特點，本文制定了適用於河南省全省轄區的「基於遙感的土地利用分類」，將土地利用類型分為 3 個一級類，10 個二級類，5 個三級類，分類及相應含義見表 1。
表 1 基於遙感的河南省土地利用遙感信息分類
3.2 土地利用信息提取
以縣級行政轄區為單元，將鄉級及以上行政界線套疊在正射影像圖上，結合樣本影像信息並參考已有的土地利用資料庫和土地利用詳查資料，採用目視解譯方法提取土地利用現狀信息，同時建立遙感解譯標志。建立遙感影像解譯標志有助於縮小不同人員解譯的差異，提高解譯的准確性。本文採用的 SPOT 5 遙感影像的地面解析度較高，因此，多數地物比較直觀，易於判讀。典型地類照片如圖 1 所示。
圖 1 典型地類照片
本文使用的數據源大部分為春、夏時相，因此，植被一般為綠色；耕地多呈綠色或淺綠色；水域呈深藍或黑色；居民地多呈較規則的黑灰和灰白相間色；農村居民地則呈規則或不規則的綠和灰白相間色；鐵路、公路多呈深灰或淺灰色。
地物的細部色調常呈現出有規律的紋理。塑料地膜育秧、蔬菜大棚、畜禽養殖場多為水平排列的條狀紋理，但園地更為規則；林帶、園林地的北側或西側一般會有陰影，而耕地沒有。另外，根據有些地類常出現在特定的位置，可以利用此特徵把色調、紋理相近的地類區分開來。如坑塘多出現在農村居民點內部及河流附近，工礦用地大多分布在公路、鐵路兩側。
4 基於遙感影像信息土地利用資料庫建設
基於遙感影像信息土地利用資料庫建設，以縣（市、區）為單位，結合河南實際，制定了「高解析度遙感影像數據處理及資料庫建設技術要求」、「省級基於遙感影像 1∶1 萬土地利用資料庫標准」等。在標准中定義了基於遙感影像的土地分類、文件命名規則、數據分層以及滿足建庫需要的屬性數據結構。數據建庫按照要求將矢量數據分別建立縣級政區、地類圖斑、線狀地物、行政界線、地面控制點、地類界線、注記、樣本圖斑線、不一致圖斑線等數據層，並對照標准，逐層輸入屬性內容，建立分縣的基於遙感影像信息的土地利用資料庫。
4.1 多元數據復合
利用已建成的土地利用資料庫與正射影像數據疊加，參考資料庫地類屬性數據，根據遙感數據的光譜和空間特徵，通過人機交互方式，採集土地利用現狀信息。對於未建成土地利用資料庫的區域，對收集到的土地利用現狀圖掃描、糾正、投影變換後與正射影像套合，輔助提取土地利用現狀信息。
4.2 數據採集
（1）將原土地現狀資料庫行政界線與 DOM 影像套合，以影像為基準，修正行政界限。
（2）最小上圖圖斑面積：耕地和農村居民點為 3 mm×3 mm, 其他地類為 3 mm×5 mm。
（3）線狀地物：寬度小於 30 m 的鐵路、公路、河流等，沿影像輪廓中心線勾繪，大於等於30 m 的按圖斑處理，當線狀地物寬度變化大於 20％時，分段標記。
（4）河流：河流寬度為常水位線水面寬度 , 以原土地利用資料庫數據或正射影像為准。
（5）公路林帶：公路兩側寬度大於等於 30 m 的林帶，按實際寬度標繪。公路寬度小於 30 m，而單側林帶寬度大於 30 m 的情況，則將公路按線狀地物標識、而林帶按實際寬度勾繪。
4.3 數據分層
按照《省級基於遙感影像 1∶1 萬土地利用資料庫標准》的分層和命名規則將矢量數據分別建立縣級政區、地類圖斑、線狀地物、行政界線、地面控制點、地類界線、注記、樣本圖斑線、不一致圖斑線等數據層。
4.4 建立數據字典
全國民政部門行政編碼標准中省級、省轄市、縣級行政區的行政代碼長度均為 2 位，鄉級及行政村級政區代碼均為 3 位。MapGIS 軟體中縣級行政區、市級行政區合並統稱為「縣級行政區」。因此，省級行政區代碼為 2 位，縣級行政代碼為 4 位，鄉級和村級行政代碼為 3 位。
4.5 建立接合圖表
接圖表根據大地坐標建立索引，記錄了每個圖幅的圖名、圖號、經度、緯度等信息，是標准圖幅輸出的依據。
4.6 建立工程
以縣級行政轄區為單位，對采編的行政轄區、行政界線、地類圖斑、線狀地物、地類界線、注記、影像、DEM 等文件進行數據整理入庫，建立土地利用信息管理資料庫。
5 基於遙感影像信息的土地利用分類面積對比分析
以縣為單位將基於影像提取的土地利用分類面積與原土地利用資料庫面積進行比較分析，以檢驗基於影像提取地類信息的准確度。分別抽取東部平原地區 2 個縣、丘陵地區 2 個縣、山區 2個縣為例，以相對誤差進行對比分析（表 2）。
計算公式：相對誤差 =［（遙感資料庫面積－原土地資料庫面積）/ 原土地資料庫面積］×100%
表 2 分類面積相對誤差
由表 2 可見，公路、鐵路、建制鎮、居民點面積相對較大，但其占整體面積的權重較小（合計小於 16%）；其他各二級類面積相對誤差都小於 20％，尤其以山區吻合最好（相對誤差小於10%），平原次之（相對誤差小於 15%），丘陵較差（相對誤差小於 20%）。各縣（區）轄區面積誤差都小於 3％。
6 結 論
（1）高解析度遙感影像信息不僅可分辨耕地等一級類，分辨部分二級類也基本正確。本次基於遙感土地利用信息提取經外業驗證，確定圖斑正確率較高，不確定圖斑正確率較低，平原較山區提取的准確率高，影像質量較好的信息提取的准確率也較高。地類不同提取的准確率也不同。建設用地在遙感影像上較易判讀；耕地、園林地，由於受影像接收時間的影響，季節不同反應波譜也不同，且丘陵地區耕地與荒草地邊界區分不明顯，正確率較低。
檢查結果顯示，土地利用資料庫中，土地利用遙感分類結果正確率達 97% 以上，尤其是耕地和居民點等地類正確率高，達 99% 以上。
（2）利用高解析度遙感影像建立國家級、省級管理部門使用的土地利用現狀資料庫技術可行。在 MapGIS 軟體下對利用高解析度遙感影像信息土地利用資料庫工程文件進行檢查，檢查項目包括：圖形與影像套合精度、相鄰圖幅接邊精度、屬性數據正確性、各圖層要素拓撲和邏輯錯誤檢查等。經檢查，數據採集精度誤差小於 0.2 mm，相鄰圖幅接邊誤差小於 0.1 mm, 圖形數據、屬性結構及內容均符合技術設計和標准要求，資料庫運行正常能夠輸出相關報表。
將基於遙感影像信息土地利用資料庫與原詳查土地利用資料庫抽查對比，二者分類面積相對誤差對應率為 80％以上，因此利用遙感影像信息建設土地利用資料庫基本可行。
參 考 文 獻
國家測繪局.2007.基礎地理信息數字產品 1∶10000、1∶50000 生產技術規程［M］.北京：測繪出版社
國土資源部.2000.TD/T 1010—1999 土地利用動態遙感監測規程［S］.北京：地質出版社
國土資源部.2008.TD/T 1016—2007 土地利用資料庫標准［S］.北京：中國標准出版社
廖克，城夕芳，吳建生，等.2006.高解析度衛星遙感影像在土地利用變化動態監測中的應用［J］.測繪科學，（6）：11～15
（原載《測繪科學》2009 年第 10 期）
3. 高解析度衛星影像GPS像控點資料庫建設研究
潘振祥
（河南省國土資源廳信息中心 鄭州 450016）
摘 要：通過對 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據校正採用的各類控制資料的分析，闡述了 GPS 像控點資料庫建設的必要性，通過對像控點的選取、外業施測、精度評價及 GPS 像控點資料庫建設等論述，提出了選用 GPS 控制點作為 SPOT5_2.5 m 高解析度衛星影像數據校正控制資料，可保證影像校正精度、節省時間和減少投資。
關鍵詞：衛星遙感 控制點 影像校正 資料庫
0 引 言
隨著信息技術的快速發展，衛星遙感技術得到了突破性進展，特別是 2002 年 5 月 4 日法國SPOT 5 號地球遙感衛星進入預定軌道，極大地促進了各應用行業的科技進步和管理水平。高解析度衛星遙感在國土資源調查評價、土地利用動態監測、土地更新調查以及大中比例尺地形圖測繪等方面已取得顯著成績。
針對 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據，其幾何校正主要採用二維多項式和三維數字微分糾正兩種模型，採用的校正控制資料主要有 1∶1 萬或更大比例尺數字柵格地形圖（DRG）、土地利用數字柵格圖（LUDRG）等。筆者通過相關研究，認為高解析度衛星影像數據的校正控制資料選用像控點更合適。針對這一思路，項目組進行了一系列探討和研究，並基於 MapGIS 平台建立了河南省部分地區 GPS 像控點資料庫，為今後相關工作的開展奠定了基礎。
1 現 狀
目前，各種解析度衛星影像校正基本上都是參照「滿足」相關精度要求的地形圖、數字柵格地形圖或土地利用數字柵格圖等，針對 SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖的製作，國土資源部地籍司專門制定了《SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖製作技術規定》，明確規定 SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖要「以 1∶1 萬（或更大比例尺）數字柵格地形圖、土地利用數字柵格圖或高精度外業控制點為控制資料」，筆者通過近年相關工作，認為目前採用的校正控制資料，尤其在河南省存在以下問題。
1.1 河南全省現有 1∶1 萬地形圖尚未全覆蓋，地形圖精度存在差異，現勢性差
覆蓋河南省的 1∶1 萬地形圖共計 6565 幅，而目前成圖僅 5600 余幅，尚有約 15% 未成圖。已有地形圖大部分是 20 世紀 60～80 年代分別由測繪部門、地礦測繪單位和煤田地質測繪單位施測，成圖精度存在差異，且由於紙圖變形，經部分抽查，個別地形圖公里格網連線與圖上公里網十字點的實際偏差達 1～3 mm，極個別超過 3 mm，如果拿這些地形圖作為控制資料對 SPOT5_2.5 m 高解析度衛星影像進行校正，其校正精度難以滿足規范要求；其次，已有地形圖距今已三四十年，局部地表要素早已面目全非，尋找同名地物點較困難，即使是更新過的地形圖，也僅僅對主要地物如主要道路、建制鎮以上居民地等進行更新，其他大部分地物、等高線等均沿用原圖。
1.2 土地利用現狀圖（資料庫）難以滿足精度要求
河南省土地利用現狀調查於 20 世紀 80 年代末起步，90 年代中期結束，調查方法基本上採用 1∶1 萬航空影像平面圖或 1∶3.5 萬彩紅外航片放大片及 1∶1 萬地形圖進行外業調繪，然後進行室內轉繪及面積量算、平差等，所有過程均人工操作，受各種因素干擾，成圖質量差別較大，如果用土地利用現狀圖（資料庫）作為控制資料校正 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據，其校正精度難以滿足規范要求。
2 像控點選取
本次試驗研究涉及河南省平頂山、許昌、漯河三市的八景 SPOT 5 衛星影像和覆蓋試驗區的1∶5 萬比例尺的 DEM，共選取影像校正控制點 152 個。
像控點選取原則是點位分布相對均勻，特徵明顯，交通便利，數量足夠，盡可能在全色光譜上選取，盡量避開高壓線、大面積水域等。
為提高外業測量效率及精度，選取像控點後，將選取的像控點製作成便於攜帶和保存的「像控點外業測量成果表」，分別記錄像控點編號、點位及放大的示意圖、WGS84、1954 北京、1980年西安三套坐標和點位說明等，作為建立 GPS 像控點圖形圖像資料庫的基礎數據。
3 像控點外業施測
像控點外業測量採用附合路線法，各像控點平均間距約 13 km，順序號前加「P」的點位表示本次測量的像控點，前面加「C」的為 C 級 GPS 控制網點，像控點與 C 級點共同組成 GPS 控制網（圖 1）。
圖1 像控點及所參照的 C 級 GPS 控制點分布示意圖
本次 GPS 控制測量利用河南省大地控制數據 C 級 GPS 控制網點成果的三套數據（分別為WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐標）作為起算數據，依據《全球定位系統（GPS）測量規范》，採用靜態方式同步進行觀測，三台套 GPS 接收機為一組，觀測時段長度為 45 分鍾，衛星高度角≥ 15°，有效觀測衛星總數≥ 4 個，作業員現場填寫外業測量記錄表，並採用數碼攝影和點之記的方式詳細描述像控點點位情況。測量數據採用南方測繪軟體進行基線解算及平差處理並進行高程擬合，分別解算出校正控制點基於三套坐標系統的三套數據和擬合高程，本次 152 個像控點的平面位置最弱點點位中誤差為 6.8 cm，高程擬合內符合精度 0.321 m，成果精度符合規范要求。
4 影像數據處理和 DOM 製作
影像數據處理主要包括影像的配准、融合、正射糾正、鑲嵌和 1∶1 萬正射影像圖（DOM）的製作等。由於本次採用 SPOT 5_2.5 m 衛星影像是單景多光譜數據與全色數據同步接收的，其圖形的幾何相關性較好，多光譜數據與全色配准難度小、精度高，因此採用相對配準的方法。在影像數據融合時，考慮到獲取完整項目區的數據接收時段不同，空中雲霧干擾以及地面光線不均勻等因素，造成景與景之間存在差別，在數據融合前對數據進行了線性拉伸、紋理增強等預處理，使整景圖像亮度適中、紋理清晰、細節突出，以提高目視解譯精度。圖像融合處理主要採用了最基本的乘積組合演算法直接對兩種空間解析度的遙感數據進行融合，融合後圖像則採用直方圖調整、USM 銳化、彩色平衡、色度飽和度調整和反差增強手段，以使整景圖像色彩真實均勻、明暗程度適中、清晰，增強專題信息，特別是加強紋理信息。
遙感影像正射糾正是採用專業遙感影像處理軟體 ERDAS 中的 LPS 正射模塊進行的。本次糾正採用 SPOT 5 物理模型，控制點均勻分布於整景影像，每景 25 個控制點，對相鄰景影像重疊區有 2 個以上公共控制點。正射糾正以實測 GPS 控制點和 1∶5 萬 DEM 為糾正基礎 , 以景為單位，對 SPOT 5_2.5 m 融合數據進行糾正，采樣間隔為 2.5 m。
影像鑲嵌採用的是 ERDAS 中的 LPS 正射模塊批量處理模塊，相鄰兩幅影像，均採集了兩個以上的公共控制點，保證了影像鑲嵌精度。
DOM 製作採用 Image Info 工具，按照國家 1∶1 萬分幅標准進行裁切，覆蓋完整的縣級行政轄區，圖幅整飾依據《高解析度影像數據處理及資料庫建設技術要求》，採用 MapGIS 軟體，投影參數按照高斯－克呂格投影、1954 北京坐標系、1985 年國家高程基準的方式生成 1∶1 萬標准分幅圖幅整飾。
5 DOM 精度評定
DOM 精度評定採用外業實測檢查點作為評定參考，評定方法為檢查點選取法：通過選取DOM 影像與外業實地測量檢查點的同名特徵地物點，計算其校差和中誤差。
5.1 檢查點的選取和外業測量
檢查點選取：隨機抽取一景影像作為評定單元，選取不同於校正控制點的 30 個相對均勻分布的檢查點，點位的選取原則與像控點一致，選點時盡量避開高壓線、大面積水域等影響因素區域。
檢查點測量：檢查點的外業實地測量與像控點的測量方法一致，即採用附合路線法形成一個整體的 GPS 控制網，採用靜態方式同步、同精度進行測量。
5.2 校正精度計算
精度評定公式如下：
河南省遙感影像規模化高效率處理技術及數據建庫綜合研究
式中：rms——點位中誤差；
n——檢查點個數；
ui——DOM影像上檢查點的x、y坐標；
vi——GPS外業檢查點的x、y坐標。
按照《SPOT5_2.5m數字正射影像圖製作技術規定》1∶1萬DOM的製作精度指標：平原、丘陵區點位中誤差不大於±5m；山區不大於±7.5m；高山區不大於±10m。本次精度評定所選地區主要為平原區，局部為丘陵區，經測算，所取點位中誤差為±2.62m，完全滿足1∶1萬DOM製作精度要求。校正精度評定計算表見表1。
表1 校正精度評定計算表
續表
6 GPS 像控點資料庫的建立
為實現精確地理編碼中的幾何控制及成果檢查的高效率與高精度，建立GPS像控點資料庫，以滿足影像糾正與配準的要求。
GPS像控點資料庫建立，以河南省1∶50萬地理底圖作為工作底圖，輸入控制點空間坐標文件，並採集屬性與圖形文件，建立數學基準的統一像控點文件。
採集的像控點圖像信息，除包括一般像控點所具有的地理坐標信息之外，還包含與待糾正影像相關的特徵地物的紋理信息、解析度信息、比例尺信息等。
採集控制點屬性信息。採集控制點屬性記錄每個控制點的解析度、比例尺、范圍、橢球體信息、投影信息、坐標系信息（北京1954年坐標、西安1980年坐標、WGS84坐標）、資料庫的生產單位、生產日期等。
圖2 像控點圖形圖像資料庫示意圖
7 結束語
土地更新調查、土地利用遙感動態監測及土地違法案件執法檢查等不僅要考慮遙感影像的校正精度，同時要考慮其現勢性、影像處理時間和投入成本等。GPS 像控點資料庫的建立，不僅滿足 SPOT 5_2.5 m 衛星影像的校正精度要求，同時為今後同地區、同類工作的開展奠定了基礎，極大地降低了投入成本，節省了影像處理時間，起到了「一勞永逸」的作用。
參 考 文 獻
黨安榮，等.2003.ERDAS IMAGING 遙感圖像處理方法［M］.北京：清華大學出版社
王之卓.1990.攝影測量原理［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社
尤淑撐，劉順喜.2002.GPS 在土地變更調查中的應用研究［J］.測繪通報（5）：1～3
張繼賢，等.2000.圖形圖像控制點庫及應用［J］.測繪通報（1）
（原載《國土資源信息化》2007 年第 3 期）