第三期精度报告来啦！看福建省测绘院如何利用Maxar 30cm HD立体影像完成1:2000地形图测制
福建省测绘院：罗火箭
随着社会经济的发展，各行各业对高精度地图的需求越来越多，1:2000比例尺地形图作为高精度地图之一，广泛地服务于国土资源管理的各个领域。传统的1:2000地形图数据主要是利用机载框幅式航摄相机，获取航摄像片，并经过控制点采集、空三加密、立体测图、正射影像制作、外业调绘、数据编辑入库等工序制作而成。这种方法瓶颈在于原始影像的获取成本高昂、受天气和空域的影响较大、制作工期较长，且数据更新不便，时效性得不到保障。
现代遥感技术已经能够提供动态化、快速化、准确化的对地观测，遥感技术的发展直接带动遥感制图水平的提升。但当前大部分的高分辨率卫星仅能提供制作正射影像的产品，能提供立体测图像对的高分辨率卫星数据较少。目前我国分辨率较高并可以提供立体测图的卫星是2019年11月发射的高分七号卫星，其全色分辨率优于0.8米，可以满足1:10000地形图的测制需求，达不到制作1:2000地形图的精度指标。
Maxar公司目前在轨的卫星群由四颗高性能卫星组成，极大地缩短了重访周期，为高分辨率影像的时效性提供保障，且能提供30cm HD立体影像像对进行测图，为了验证其立体影像像对能否满足1:2000地形图测制需求，特进行此次测试。
本次测试数据是以福建省三明市将乐县城为中心的25（5*5）平方公里区域，区域内包含平地、丘陵、山地等地貌，且包含了居民地、交通、水域、管线、植被等各种地形要素，是福建比较典型的地区。
原始数据是两景GeoEye-1同轨相邻卫星影像，全色影像分辨率为0.41米，多光谱影像分辨率1.65米，包含红、绿、蓝、近红外四个波段。得益于MAXAR公司专有的HD技术，智能地增加像素数，通过减少像素化来提高图像的视觉清晰度，使影像美观精致，边缘精确，细节重现细腻，最终获取到的原始数据全色影像分辨率优化成0.3米，多光谱影像分辨率优化成1.2米，区域含云量7%，单片卫星侧视角6.8度，如图一。
图一 测试范围及数据概况
我国现时1:2000地形图精度指标主要参照《GB/T 7930-2008 1:500 1:1000 1:2000 地形图航空摄影测量内业规范》来执行，由于测区主要以丘陵地为主，范围内有少量平地与山地，因此本次测试立体像对的平面和高程精度指标，按照国标GB/T 7930-2008中丘陵地类别来进行判定，即平面中误差小于0.6米，高程中误差小于0.5米，如图二。
图二 精度指标
分别测试三种情况下RPC所构建的卫星影像立体像对测图精度:
1、野外实地采集控制点较正RPC。
在野外实地采集一定数量的控制点，依据外业点之记，在原始影像上精准量测出控制点，并平差分析，然后对初始轨道参数进行校正，获取精准的RPC参数。
2、利用原始影像与参考资料匹配出控制点校正RPC。
将原始影像与高精度参考DOM和DEM资料进行密集匹配，匹配出控制点，并从参考DOM和DEM上分别获取控制点的平面和高程坐标，再进行区域网平差，剔除粗差大的点，最后利用剔除粗差后的控制点对卫星初始轨道参数进行校正，获取精准的RPC参数。
3、原始无校正RPC。
不使用任何控制资料，直接使用初始RPC。
最后对平差校正后制作出的DOM、DSM、DEM等数字产品查看其精度及成图效果，具体处理流程图见图三。
图三 数据处理流程图
将全色卫星影像和初始RPC参数导入到吉威遥感影像处理平台GEOWAY CIPS中，建立平差校正工程，将外业控制点及检查点坐标导入，依据外业点之记仔细量测外业点，本次测试外业实地采集了24个点，将其中的16个点作为控制点(红色三角点)，8个点作为检查点（蓝色方框点），如图四，进行平差分析，并对点位进行微调，使其满足要求，最后得到精准校正后的RPC。
图四 外业控制点、检查点点位图
采用航摄资料制作的1:2000正射影像作为参考DOM，高精度机载激光点云制作的1:2000数字高程模型作为参考DEM，如图五。
图五 参考DOM与参考DEM
将全色卫星影像和初始RPC参数导入到吉威遥感影像处理平台GEOWAY CIPS中，利用已有的1：2000正射影像作为参考DOM，1：2000数字高程模型作为参考DEM，进行控制点匹配，密集匹配出控制点和连接点，并进行区域网平差，剔除粗差大的点，使其满足要求，最后对RPC进行更新校正，如图六。
图六 匹配控制点点位图
在GEOWAY CIPS中，对全色影像和多光谱影像进行配准，利用更新校正后的全色RPC参数及配准点，对多光谱影像的RPC参数更新校正。利用最终全色及多光谱RPC和参考DEM，分别对全色和多光谱影像进行正射纠正，对纠正后的全色和多光谱影像进行融合、色彩增强，生成最终的高分辨率彩色正射影像DOM，如图七。
图七 DOM
利用更新校正后的全色RPC参数及全色原始影像，在航天远景MapMatrix中，构建立体像对，进行立体测图，如图八，得到最终的数字线划图DLG。本次测试是为了验证立体像对测图精度，仅在立体像对上测制检查点，并未测制线划图DLG。
图八 立体像对
在航天远景MapMatrix中，利用构建出的立体像对，进行全测区高精度特征匹配，匹配出数字地表模型DSM，对DSM进行滤波，去除掉建筑物及植被等非地面信息，困难区域辅以人工编辑，得到最终的数字高程模型成果DEM，如图九。
图九 DSM与DEM
在测区范围内布设24个影像上清晰易判且实地未发生变化的外业点，野外实地采集其坐标，点位分布均匀，且包括了平地、丘陵、山地等各种地貌，如图十。
图十 外业点分布图
对于第一种情况，由于已经将其中的16个点作为控制点（图十中粉色点），控制点的权重大，已参与平差，不能反应立体像对的真实精度，所以只需量测剩下的8个检查点（图十中绿色点）即可，不能将参与平差的控制点再量测上去检查精度。对于第二和第三种情况，直接将所有的24个外业点当成检查点，在立体像对上量测出来。
需要注意的是，第三种情况中，原始RPC参数是基于WGS84大地高，而外业点坐标一般已精化成正常高，由于没有经过任何控制资料校正，为了使精度检测的高程系统保持一致，需要使用外业点的大地高，才能准确的统计出原始卫星的真实定位精度。在航天远景MapMatrix中打开立体像对，根据外业检查点之记，在立体像对上的精准量测同名点。
将立体像对上量测完的检查点坐标导出，与野外实测坐标进行比对，分别计算出三种情况下的立体像对测图中误差。
将DOM成果与参考DOM资料在Global Mapper中拉卷帘对比，检查正射影像平面精度。也可将外业检查点导入到DOM成果图上，检查其精度，由于正射影像上地物投影差的存在，房角点等非地面点需要剔除，不能参与精度评定。
因DSM滤波编辑生成DEM时会有一部分精度损失，为了更好地检测立体模型匹配精度，直接将匹配出的DSM与参考DEM资料在Global Mapper中拉卷帘对比，而不是用DEM。分别查看裸露地面上同名点的高程值，对比检查DSM的高程精度。同样，也可将外业检查点导入到DSM成果图上，检查其Z坐标与DSM上同XY坐标对应的Z坐标差值，房角点等非地面点也需要剔除，不参与精度评定。
野外实测控制点平差校正后的立体像对测图精度情况如表一：
表一
匹配控制点平差校正后的立体像对测图精度情况如表二：
表二
原始影像立体像对测图精度情况如表三：
对原始RPC平差校正后，纠正出的正射影像DOM与参考DOM及检查点位套合良好，匹配出的数字地表模型DSM与参考DEM及检查点高程差异符合要求。
测区类型为丘陵地，参照国标GB/T 7930-2008丘陵地平面0.6米高程0.5米的精度指标，从测试结果可以看出：
采用全野外布点方案，立体像对测图精度完全满足测制1:2000地形图的要求。
采用匹配控制点方案，也基本满足精度要求，因该作业模式的精度完全依赖于参考DOM与参考DEM的精度，而参考资料本身成图过程中存在一定的误差，所以肯定会对验证结果造成影响，加之本次测试区域里存在较大的一片云，也会对匹配精度造成一定影响，即便如此，最终结果依然能够满足1:2000地形图的精度指标。
采用原始RPC定位方案，无控定位精度也基本符合优于2.3米的标称精度。
DOM数据与参考DOM套合情况良好。DSM与参考DEM高程差异在基本限差范围之内。结合外业检查点进行分析，除分辨率无法达到0.2米的硬性要求外，其生产的DOM与DSM产品，基本可以满足1:2000数字正射影像和数字高程模型的精度要求。
说明采用MAXAR公司提供的30cm HD立体影像像对进行1:2000地形图的测制及相关系列数字产品生产，精度上是完全可行的。
另外，由于立体像对是由卫星的同轨相邻影像构建，卫星轨道高度高，造成重叠度过大，交会角过小，导致立体显示效果相对于普通航摄像片立体像对偏“陡峭”，视差也更大，会对测图员的采集造成较大影响，加上原始影像的分辨率是0.3米，一个像素的偏差即可造成0.3米的误差，容错率更低，因此要使DLG产品整体达到1:2000比例尺的精度要求，就需要测图员全神贯注地去量测每一个地物，这对测图员来说是一个相当大的挑战。
当前省级基础测绘4D产品，基本上是以1:10000比例尺为主，1:2000比例尺数据产品较少，在部分省自然资源部门的十四五规划中，已将1:2000比例尺4D数据产品的制作的列入基础测绘计划之中，并且还需要基于大比例尺产品制作实景三维模型，这对数据的获取提出了更高的要求。传统的机载航摄相机获取技术虽然在精度和清晰度上有一定优势，但受成本、天气及空域等因素的影响，其成本高昂，工序工期冗长，且更新较为困难，时效性差。
从上面的测试可以以看出，MAXAR公司提供的30cm HD立体影像产品原始无控立体像对平面、高程精度可达到2.3米以内，其下一代卫星群无控定位精度可达1.4米以内，影像整体成像清晰、色彩丰富、辨识度高，在经过适当的处理后，能够达到1:2000制图的精度需求，加之其重访周期短，数据获取便捷，单景影像覆盖面积大，完全可以为县、市、省级1:2000比例尺系列数字产品的制作及更新提供强大的数据保障能力，必将在自然资源调查与监测、国土空间规划、基础测绘更新、实景三维建设、地质灾害快速评估、土地利用现状调查、耕地坡度调查、海洋动态管理、违法用地排查等领域发挥重大作用。
扫描下方二维码，加入Maxar交流群，了解更多关于1:2000制图的详细信息：
Maxar联系方式
电话：+86 010-64105307
Maxar 交流群QQ号：1102201240（此群已满请加新群：761960008）
网址：https://www.maxar.com/
- END -