利用MAXAR 30cm HD立体影像测绘南京地区1:2000地形图的精度分析报告
1 引言
随着现代测绘技术的快速发展，地形图测绘方法发生了显著的变化。除了传统的基于野外实地测量的数字化测图方法、航空摄影测量测图方法以外，基于高分辨率卫星立体影像对的数字化测图方法，基于无人机低空航摄影像的大比例尺测图方法、基于激光点云数据的地形图测绘方法等也得到了广泛的应用。由于影像空间分辨率的限制，通常卫星遥感影像测图方法多用于中小比例尺地形图测绘；而在1∶2 000地形图测绘中，目前更多使用的是无人机低空摄影测量和航空摄影测量测图方法。尽管两种方法与传统数字地形测绘相比有明显优势，但是同时也面临一些困难与挑战，对于航空摄影测量，存在易受天气影响、需要空域审批、航测成本大、起飞受地形和环境因素限制等问题；而对于无人机低空摄影测量，则面临以下困难：（1）易受到气流影响，搭载小像幅非量测相机，镜头畸变差大，影响影像质量；（2）与常规航空摄影影像相比，无人机影像旋偏角和航线弯曲度较大，像片排列不规则；（3）影像像幅小，覆盖同样研究区其像片数远大于其它方法，空三加密和野外像控点测量的工作量也相应增大。
近年来，卫星遥感影像的空间分辨率不断提高，从15m、10m到2m、1m，再到0.5m、0.3m的高分辨率卫星相继升空，为地形图生产提供了更丰富可靠的数据。与无人机影像相比，卫星影像具有覆盖范围广、受地形和实地环境影响小、卫星采集效率高、相对成本比较低、采用专用荷载成像等优势。根据相关学者对于地图比例尺与遥感影像分辨率关系的研究，1∶M比例尺制图时的遥感影像分辨率的选择范围为（1×10-4M， 5×10-4M），最佳遥感影像分辨率为2.5×10-4M。因此，理论上而言，优于0.5m的影像能用于测绘1∶2 000地形图。然而，目前以1∶5 000地形图测绘和1∶2 000地形图更新居多，但是却没有对成图质量进行客观定量的评价，特别是高程精度是否满足规范要求还有待研究。
Maxar目前在轨运行的对地观测卫星有四颗，是业界分辨率最高、精度最高、采集能力最强的卫星群。Maxar卫星影像是目前全球分辨率最高的商业卫星影像，空间分辨率可达30cm。我们针对城市基础比例尺地形图，以Maxar 30 cm HD卫星影像为数据源、南京市六合区为研究区，开展基于高分辨率立体卫星影像的1∶2 000地形图测绘实验，对其平面和高程精度进行定量评价，并探讨其在城市规划与建设管理方面的应用价值。
2 研究区及卫星影像数据概况
2.1 研究区概况
如图2-1中红色方框所示，研究区位于江苏省南京市六合区。六合区地处南京市北部，介于北纬32°11′-2°27′，东经118°34′-119°03′，面积约1485.5 km²。六合区西、北部接安徽省来安县和天长市，东临江苏省仪征市，南靠长江。六合区地貌大部分属宁镇扬山区，地势北高南低，北部为丘陵山岗地区，中南部为河谷平原、岗地区，南部为沿江平原圩区。境内有低矮山丘60多座，形成岗、塝、冲多种奇特地形，中南部400多km²的平原圩区，河渠纵横，别具风貌。如图2-2所示，研究区中大部分区域为地势较平坦的缓岗，北部有小丘陵，最高海拔约146m，代表了南京市低山缓岗的地形特点。研究区覆盖面积约25km²，主要地物类型包括建筑物、水体、植被、裸地等。
图2-1 研究区位置示意图
图2-2 研究区地形示意图
2.2 数据源情况
Maxar 30 cm卫星影像是目前全球分辨率最高的商业卫星影像，其WorldView，GeoEye 30cm HD产品进一步增大了Maxar 30 cm级别卫星影像的采集能力和历史存档影像数据的提供能力。
研究区域使用的数据源为0.3m分辨率Worldview2同轨道立体HD产品，Image ID：1030010054046600，10300100561BA400，并有相应的RPC参数。影像获取时间为2016年5月17日，面积约25km²，区域内基本无云。数据来源：北京航天世景信息技术有限公司；卫星厂商：Maxar公司。
3 影像处理和控制资料的选取
3.1 数学基础
（1）坐标系采用2000国家大地坐标系（CGCS2000），高斯克吕格投影，3°分带，中央子午线经度定为118.5°（采用自定义中央经线的方式，以减少投影对平面位置的影响）；
（2）高程基准：1985国家高程基准，高程系统为正常高；高程坐标单位为“米”。
3.2 控制资料情况
（1）DLG成果：南京市1∶500数字线划图成果。用于进行控制点选取时平面坐标和高程的确定，以及研究区地形图平面精度和高程精度的检测。
（2）DSM成果：江苏省“十三五”省级基础测绘机载激光雷达（LiDAR）测高成果，格网间距1.0米、高程精度优于0.35米。用于开展相关应用示范。
3.3 像片控制测量
研究区获取的影像是WorldView2立体像对，在定向之前以南京市1：500数字线划图成果为参考从中提取控制点，并进行坐标转换。在后续实施控制点转刺时有选择地进行，将像控点选取在影像清晰，易于判别的明显目标，如平顶房屋拐角、直角水泥路拐角等；同时是高程变化较小的地方，易于准确定位和量测。此外，像控点布设根据控制区域尽可能覆盖影像范围的原则，均匀分布在影像的四周和中部，共采集16个像控点，其余可以留作检查点使用。空三解算后获得连接点。
3.4 数字高程模型制作和地形图测绘
根据立体模型，通过影像密集匹配生产地表模型点点云，生成DSM；在DSM的基础上，采用数据滤波方法，自动过滤人工建筑物、植被等非地面点的高程信息，并经人工检核，剔除错误点等编辑操作后，得到DEM数据。
在像控的基础上恢复立体模型，进行数据采集、编辑。由于卫星拍摄时的姿态一般不是垂直于地面的，卫片组成的像对一般看起来是倾斜的，为了让卫星影像更符合人眼的视觉，首先对卫星立体影像进行模型置平。在设置完成相关的工作环境后，即可开展立体环境下的采集与编辑。图3-1所示为地形图成果局部放大图。
图3-1 数字地形图采集成果
4 精度检测方法
4.1 平面精度检测
对测制完成的数字地形图按平面、高程两个方面进行精度检测，检测参考为研究区1：500地形图，采用人工目视比对检查的方法，在研究区范围内选取50个平面检查点，其分布位置如图4-1所示（图中黑色十字为选取位置），检查的地物要素包括建筑物、道路、湖泊、草地等。对比50个平面点的x、y坐标值，计算对应的坐标差值和点位误差，并根据点位中误差公式计算其平面中误差，通过与规范中的精度要求进行对比，从而评价其精度。
图4-1 平面精度检查点分布
4.2 高程精度检测
基于已有1∶500数字线划图中的高程注记点成果，在相应的位置进行高程点的采集，并将采集高程值与已有成果的高程值进行比对，根据检查点的高程值与参考高程值计算高程中误差从而评价其高程精度。在选取的过程中避开地物发生变化的点位，以避免其对最后检测结果带来干扰。本次共采集高程检查点40个，具体分布位置如图4-2所示（图中绿点为检查点位置）。
图4-2 高程精度检查点分布
5 精度结果
5.1 平面精度检测结果
对50个平面检查点的x、y坐标差值和点位误差进行统计，并根据点位中误差公式计算其平面中误差，得到平面精度统计结果，并进一步对平面检查点误差分布情况进行统计，结果如表5-1所示。
表5-1 平面检查点误差分布统计
平面较差分布范围（米） | 点数（个） |
0≤∆≤0.4 | 8 |
0.4＜∆≤0.8 | 17 |
0.8＜∆≤1.2 | 22 |
1.2＜∆≤2.4 | 3 |
∆＞2.4 | 0 |
平面点位中误差（RMSE）= ± 0.825 米 |
5.2 高程精度检测结果
对40个高程检查点的高程差值进行统计，并计算其高程中误差，得到高程精度统计结果，并进一步对高程检查点误差分布情况进行统计，结果如表5-2所示。
表5-2 高程检查点误差分布统计
高程较差分布范围（米） | 点数（个） |
-1≤∆＜-0.8 | 1 |
-0.8≤∆≤-0.4 | 10 |
-0.4＜∆≤-0.2 | 5 |
-0.2＜∆≤0 | 3 |
0＜∆≤0.2 | 4 |
0.2＜∆≤0.4 | 7 |
0.4＜∆≤0.8 | 8 |
0.8＜∆≤1 | 1 |
∆＞1 | 1 |
高程中误差（RMSE）= ± 0.491 米 |
6 精度结论
依据《基础地理信息数字成果1∶500 1∶1 000 1∶2 000数字线划图》（CH/T 9008.1-2010），1∶2 000地形图平面和高程精度要求如表6-1和表6-2所示。
表6-1 平面位置中误差
单位：米
比例尺 | 地形类别 | |
平地、丘陵地 （坡度＜6°） | 山地、高山地 （坡度≥6°） | |
1∶2000 | 1.2 | 1.6 |
注：最大允许误差为两倍中误差 |
表6-2高程中误差
单位：米
要素 | 地形类别 | ||||
平地 （坡度＜2°） | 丘陵地 （2°≤坡度＜6°） | 山地 （6°≤坡度＜25°） | 高山地 （坡度≥25°） | ||
1∶2000 | 高程注记点 | 0.4（0.2） | 0.5 | 1.2 | 1.5 |
等高线 | 0.5（0.25） | 0.7 | 1.5 （地形变换点） | 2.0 （地形变换点） | |
注：最大允许误差为两倍中误差 |
通过对表5-1、表5-2进行分析，可以看出研究区数据平面点位中误差为±0.825米，高程中误差为±0.491米。而对照上述规范标准，可以得出以下结论：
（1）按照平地、丘陵地的平面精度要求，研究区检查点平面点位中误差0.825米小于国标规定的平面平面位置中误差要求（1.2米），如表6-2所示，50个检查点的点位平面精度均小于两倍中误差2.4米，说明测图结果的平面精度合格。
（2）由于研究区内大部分区域为地势较平坦的缓岗，北部有小丘陵，若将研究区地形判定为丘陵地，则40个高程注记点的高程中误差0.491米小于国标规定的高程注记点的中误差（0.5米），严格按照两倍中误差来统计，虽然有1个高程检查点的高程精度略大于两倍中误差1米，但测图结果的高程中误差满足规范要求。
综上，对于平地、丘陵地，利用Maxar 30cm HD立体影像数据进行1∶2 000地形图作业生产是可行的，成图结果的平面和高程精度基本满足1∶2 000地形图的测图精度。
在本次测图实验中，我们在测图过程中也发现了一些问题：
（1）对于高分辨率卫星来说，虽然目前空间分辨率已经达到0.3m，但是在测绘1∶2 000地形图时，本次研究区范围内影像上仍有约20%的地物无法准确判读，需要外业实地补测；其中丘陵地区相对于平坦地区更难判读，工矿建（构）筑物及其他设施中独立地物、垣栅等相对于居民地、道路、水系更难判读。
（2）测图过程的准确与否将直接影响地形图成果的精度，影像中容易判读的区域和地物精度更高。
（3）居民地中80%的房屋可以准确判读，但仍有少量低矮、密集房屋难以准确辨识，给测图带来困难。
（4）受分辨率限制，少量道路难以准确辨别和判断路宽，并有树木遮挡。
（5）植被层中林地判读难度大于草地，研究区内部分林地无法准确判读，需要补测。
尽管存在上述问题，但是综合考虑测图精度和生产效率，利用Maxar 30cm HD立体影像数据进行大比例尺地形图测绘已成为测绘产品生产的一种重要技术手段。与传统方法相比，其具有以下优势：
（1）对于航空摄影测量，存在易受天气影响、需要空域审批、航测成本大、起飞受地形和环境因素限制等问题；而Maxar 30cm HD卫星影像无需要进行空域申请，能够实现困难地区测图，并且能够实现在较短时间内对同一地区多次重复观测，时效性能够得到保障，能加快地形图的更新速度。
（2）对于无人机低空摄影测量，存在影像像幅小、空三加密和野外像控测量的工作量也相应增大的问题；而Maxar 30cm HD卫星影像一景获取的面积大，空三作业工作量小，影像处理时间短，能够及时提供给后续的测图工作，现势性强。
（3）对于无人机低空摄影测量，易受到气流影响，搭载小像幅非量测相机，镜头畸变差大，影响影像质量；而Maxar 30cm HD卫星影像轨道、姿态稳定，航高大、镜头畸变小。
（4）利用Maxar 30cm HD卫星进行地形图生产，不仅可以根据项目需求通过编程拍摄方案以最快速度获取影像，而且根据用户需求，灵活获取拍摄范围，约束、限制条件少，可以节约影像数据的获取成本。
未来随着遥感卫星影像空间分辨率的不断提取，利用更高分辨率的Maxar HD卫星影像开展1∶2 000甚至更大比例尺的测图将会成为可能，卫星影像立体测图方法将有望逐步补充甚至取代航空摄影，成为提高大比例测绘产品生产和更新能力的一种重要技术手段。
7 行业价值
Maxar 30cm HD卫星影像是目前全球分辨率最高的商业卫星影像，且能够构建立体模型，根据前述分析，利用该影像可以方便快捷地获得高质量的DOM、DEM和DLG产品。如图7-1所示，利用该影像制作的正射影像图具有色彩分明、纹理清晰、信息丰富等特点，可以用于土地覆盖/利用调查、城市规划、精准农业、绿地现状调查与规划、森林监测、生态环境监测等领域。考虑到利用该影像能够构建立体模型，开展下列相关应用示范。
图7-1研究区正射影像图
7.1 植被信息提取与分类
由30cm的HD影像制作生成DOM可以应用于城市园林绿化普查、森林资源调查等项目中，替代航摄、无人机获取的影像，节约生产成本。图7-2所示为综合利用植被指数和纹理信息从影像中自动提取的植被信息，由于绿化覆盖面积是指植被的垂直投影面积及水面之和，而提取的植被信息中不包括水域范围且植被的垂直投影面积没有精确统计，因此其面积介于绿化覆盖面积和真实绿地面积之间。为了提取绿地分布信息，如图7-3所示，可在相关软件中，以DOM为解译工作底图对植被信息进行人机交互解译。
此外，可利用Maxar 30cm HD立体影像的优势，引入DSM与影像相结合，进一步对乔木、灌木、草地等植被类型进行细分，并可以在立体环境更加直观进行人工判断和修正，如图7-4所示，可实现植被信息提取与分类。
图7-2研究区植被覆盖图
7.2 建筑物信息提取与疑似违章建筑检测
综合利用DOM和DSM能更准确地提取建筑物信息，此外，可以对两期DSM进行差值计算，根据高程的变化情况，快速发现疑似违章建筑。特别是对于顶层加盖的情况，通过两期DOM的比对，违法行为往往不易被发现，而根据高程变化信息能够较好地进行辅助判断，能为城市规划与管理提供支撑数据。图7-5为同一地区不同时相的DSM，计算两者差值，如图7-6、7-7所示，可以快速检测出高程变化区域，通过两期DOM的对比情况，可以发现该变化区域为疑似违章建筑。
图7-5 前后时相DSM对比
图7-6 前后时相DSM差值计算结果
图7-7 前后时相DOM对比
类似地，还可以将DOM与DSM产品应用于基本农田保护、矿产开发与利用、森林资源调查等领域，综合利用高质量的DOM影像和高精度的高程信息提升地物解译能力。
图7-8 疑似违章建筑提取专题图
电话：+86 010-64105307
邮箱：Shari.shen@maxar.com
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